探討永磁同步電機(jī)伺服控制關(guān)鍵技術(shù)

張繼鵬 白繼剛 張泉

摘 要 隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快，國(guó)家的工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)也逐漸加快了速度。各種工業(yè)設(shè)備的現(xiàn)代化發(fā)展是實(shí)現(xiàn)制造工業(yè)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，這將直接關(guān)系到我國(guó)的現(xiàn)代化發(fā)展規(guī)模和速度。伺服控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的最直接控制要素。它通過(guò)對(duì)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精細(xì)化控制，極大程度的決定了電機(jī)的使用性能。本文通過(guò)對(duì)永磁同步電機(jī)的工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，重點(diǎn)對(duì)伺服控制技術(shù)在電機(jī)工作中的應(yīng)用加以探討，從而進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械化的智能化水平。

【關(guān)鍵詞】永磁同步電機(jī) 伺服控制技術(shù) 工業(yè)智能化

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，各種制造行業(yè)實(shí)現(xiàn)了突破性的發(fā)展。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)水平的不點(diǎn)更新，工業(yè)制造行業(yè)與計(jì)算機(jī)微電子等方向進(jìn)行了有機(jī)的融合，從而使得現(xiàn)代工業(yè)實(shí)現(xiàn)了低投高產(chǎn)的巨大經(jīng)濟(jì)效益。電機(jī)作為機(jī)械運(yùn)行的中樞環(huán)節(jié)，對(duì)機(jī)械性能有著最為直接的影響。永磁同步電機(jī)作為現(xiàn)代機(jī)械中較為高端的服務(wù)電機(jī)，結(jié)合以伺服控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)內(nèi)部運(yùn)行的精細(xì)化控制，極大的促進(jìn)了電機(jī)的使用性能，成為各個(gè)國(guó)家的現(xiàn)代先進(jìn)制造行業(yè)中的核心技術(shù)。

1 伺服系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 伺服系統(tǒng)基本構(gòu)成和工作原理

伺服系統(tǒng)實(shí)際上是一種對(duì)機(jī)械工作過(guò)程實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制的反饋控制系統(tǒng)，但多用于對(duì)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行控制，例如位移點(diǎn)、位移速度與加速度變化過(guò)程。該技術(shù)采用數(shù)字化交流正弦波控制和最優(yōu)PID算法完成PWM控制過(guò)程，按預(yù)定控制要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而對(duì)機(jī)械位移過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確的跟蹤和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。作為反饋控制系統(tǒng)中的一員，其基本組成結(jié)構(gòu)仍然符合反饋控制系統(tǒng)的要求和特點(diǎn)。

伺服控制系統(tǒng)本身不具有多樣性，但其主要應(yīng)用在機(jī)電一體化的控制環(huán)節(jié)中，因而具有了多樣化的特點(diǎn)。

1.2 當(dāng)下伺服系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷程快速，經(jīng)歷了從數(shù)據(jù)模擬到全數(shù)字化的完美轉(zhuǎn)變，數(shù)字控制環(huán)已經(jīng)在換相、電流和位置控制等伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。高性能的DSP和FPGA以及IR推出的伺服系統(tǒng)專用引擎也在國(guó)際市場(chǎng)上頻繁的出現(xiàn)，因此，盡管伺服系統(tǒng)作為現(xiàn)代制造工業(yè)的高端系統(tǒng)設(shè)備，在市場(chǎng)上的顯現(xiàn)證明了發(fā)展的良好態(tài)勢(shì)。

2 永磁同步電機(jī)伺服控制特點(diǎn)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)中一般分為轉(zhuǎn)臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)和線性伺服驅(qū)動(dòng)，中間傳遞誤差可以盡可能的被消除，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)轉(zhuǎn)和工作。在永磁電機(jī)伺服系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)中，一般分為10個(gè)單元：整流電源是電機(jī)運(yùn)行的動(dòng)力基礎(chǔ)，在其內(nèi)部，有電流傳感器、編碼器、位置調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、空間矢量調(diào)節(jié)系統(tǒng)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在預(yù)設(shè)環(huán)節(jié)，程序?qū)﹄娏鲝?qiáng)弱和通路進(jìn)行控制，經(jīng)過(guò)編碼器的識(shí)別形成機(jī)械語(yǔ)言，傳遞給運(yùn)動(dòng)矢量調(diào)節(jié)器（位移控制器和速度控制器），此時(shí)電流數(shù)據(jù)出現(xiàn)新的變化，電流調(diào)節(jié)器開(kāi)始發(fā)揮作用，將機(jī)械語(yǔ)言再次轉(zhuǎn)化為外界空間語(yǔ)言對(duì)機(jī)械操作進(jìn)行“監(jiān)控”和反饋，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械通路的工作。

根據(jù)市場(chǎng)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)際伺服產(chǎn)品每隔五年左右就會(huì)進(jìn)行換代更新，新的軟件算法也在日新月異的發(fā)展，使永磁電機(jī)發(fā)展出現(xiàn)了新的趨勢(shì)。

2.1 一體化和集成化提高

永磁電動(dòng)機(jī)與伺服系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的縱向一體化發(fā)展成為當(dāng)前小功率伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)之一。這種集合了驅(qū)動(dòng)和通訊的電動(dòng)機(jī)也被稱為智能化電機(jī)，從而將驅(qū)動(dòng)和控制緊密的聯(lián)系在了一起，將電機(jī)設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行維護(hù)都緊密的融為一體。但永磁同步電機(jī)和伺服系統(tǒng)結(jié)合難度大，其中有許多技術(shù)方面都存在著挑戰(zhàn)，因此在實(shí)際運(yùn)行中，很難在市場(chǎng)中占據(jù)主流地位。

2.2 通用化程度提高

現(xiàn)代工程施工和加工操作的環(huán)境多樣，對(duì)機(jī)械的需求樣式也在增多，不同的電動(dòng)機(jī)規(guī)格對(duì)制造成本有著很大的影響。伺服系統(tǒng)中可以配置大量的參數(shù)和菜單執(zhí)行功能，使用戶方便對(duì)電動(dòng)機(jī)的矢量進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，不同類型的電動(dòng)機(jī)本身還可以通過(guò)伺服系統(tǒng)使自身反饋構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)或全閉環(huán)控制系統(tǒng)，擴(kuò)大電動(dòng)機(jī)的適用范圍。

2.3 高性能化指標(biāo)提高

現(xiàn)代伺服控制技術(shù)大多具備參數(shù)記憶和故障自診斷功能，對(duì)不同型號(hào)的永磁電動(dòng)機(jī)可以進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和調(diào)整，將測(cè)點(diǎn)進(jìn)行編碼器歸位，電子齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的自動(dòng)跟蹤也會(huì)對(duì)輸入的電流進(jìn)行適時(shí)調(diào)配，每秒百萬(wàn)脈沖級(jí)的采樣精度設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)位數(shù)設(shè)計(jì)、DSP分析速度的提升以及無(wú)齒槽效應(yīng)的配合使用，從而在實(shí)現(xiàn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)小型化和輕量化的同時(shí)，對(duì)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和工作的指標(biāo)得以提高。

3 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)化是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的重要標(biāo)志，也是實(shí)現(xiàn)未來(lái)國(guó)家發(fā)展的直接動(dòng)力。信息化水平的不斷提高，使現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)出智能化趨勢(shì)。永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)反饋控制技術(shù)作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中的一項(xiàng)重要成果，對(duì)未來(lái)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有非常大的潛力。因此，要積極對(duì)機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù)進(jìn)行探究，盡快實(shí)現(xiàn)我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的智能化發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介

張繼鵬（1971-），男，碩士研究生學(xué)歷。現(xiàn)為包頭市永磁電機(jī)研究所高級(jí)工程師。研究方向?yàn)橄⊥劣来烹姍C(jī)及其控制。

作者單位

1.包頭市永磁電機(jī)研究所 內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市 014030

2.包頭長(zhǎng)安永磁電機(jī)有限公司 內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市 014030