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高精高速伺服驱动技术现状及发展趋势

  • 作者:不详
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  • 发布时间:2011-05-09

一、概述

近年来随着国内外发展了多种伺服驱动技术。由于高速切削、超精密加工、网络制造等先进技术的发展,具有网络接口的全数字交流伺服驱动系统、直线伺服系统及高速电主轴等成为机床行业的关注热点,并将成为伺服驱动系统的发展方向。

在交流伺服系统中,电动机的类型有永磁同步交流伺服电机(PMSM)和感应异步交流伺服电机(IM),其中,永磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控制,调速范围宽广、动态特性和效率都很高,已经成为伺服系统的主流之选。而异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉,但是在特性上和效率上存在差距,只在大功率场合得到重视。

整个交流伺服系统的性能指标可以从调速范围、定位精度、稳速精度、动态响应和运行稳定性等方面来衡量。低档的伺服系统调速范围在1:1000以上,一般的在1:5000~1:10000,高性能的可以达到1:100000以上;定位精度一般都要达到±1个脉冲,稳速精度,尤其是低速下的稳速精度比如给定1rpm时,一般的在±0.1rpm以内,高性能的可以达到±0.01rpm以内;动态响应方面,通常衡量的指标是系统最高响应频率,即给定最高频率的正弦速度指令,系统输出速度波形的相位滞后不超过90°或者幅值不小于50%。进口三菱伺服电机MR-J3系列的响应频率高达900Hz,而国内主流产品的频率在200~500Hz。运行稳定性方面,主要是指系统在电压波动、负载波动、电机参数变化、上位控制器输出特性变化、电磁干扰、以及其他特殊运行条件下,维持稳定运行并保证一定的性能指标的能力。这方面国产产品、包括部分台湾产品和世界先进水平相比差距较大。

在控制策略上,基于电机稳态数学模型的电压频率控制方法和开环磁通轨迹控制方法都难以达到良好的伺服特性,目前普遍应用的是基于永磁电机动态解耦数学模型的矢量控制方法,这是现代伺服系统的核心控制方法。虽然人们为了进一步提高控制特性和稳定性,提出了反馈线性化控制、滑模变结构控制、自适应控制等理论,还有不依赖数学模型的模糊控制和神经元网络控制方法,但是大多在矢量控制的基础上附加应用这些控制方法。还有,高性能伺服控制必须依赖高精度的转子位置反馈,人们一直希望取消这个环节,发展了无位置传感器技术。至今,在商品化的产品中,采用无位置传感器技术只能达到大约1:100的调速比,可以用在一些低档的对位置和速度精度要求不高的伺服控制场合中,比如单纯追求快速起停和制动的缝纫机伺服控制,这个技术的高性能化还有很长的路要走。

二、高精高速伺服系统特点

1、高速光纤通信网络连接: 如今FANUC、三菱等数控厂家的高档数控系统(高速高精、双系统)装置单元中的CNC单元、高速PLC、数字交流伺服单元等部件都采用高速光纤通信网络连接,而数字交流伺服单元控制部件要求在功能上支持光纤伺服通信驱动连接进行传送高速数字信号,使用最尖端的硬件技术大幅度提高CNC和伺服控制器的性能。

2、完全纳米指令控制器: FANUC、三菱等数控厂家的高档数控系统率先采用纳米控制,以纳米级为单位进行的精密计算和最先进的伺服技术,实现高速高精加工,完全纳米控制可以降低加/减速度波动,改善加工纹路。

3、高速高分辨率编码器: FANUC、三菱等数控厂家的高档数控系统伺服单元支持的检测器有:
(1)高速串行PLG;(2)20万~1600万p/rev的检测器;(3)高精度C轴检测器

4、高速伺服处理能力: 如三菱的伺服采用世界最快电流回路即高增益控制II 、SSS控制

5、高速高精度加工:FANUC、三菱等数控厂家的高档数控系统在高速高精加工方面采用最前沿的综合控制技术实现完全纳米控制。控制策略主要有以下四种方法:1)采用放大器高速处理过程中创建平滑前馈指令、精细纳米指令、内置抑制机械振动|倾斜传感器的共振滤波器等技术,可以使前馈控制达到100%,实现切削与指令完全跟随。2)使用精密机械模式预测及控制机械端的补偿。3)电机高速运动时,对于丝杠弹力系数由此产生变化补偿,对于大惯性系数渐增大情况时的Lost Mostion补偿及补偿由于位置变动产生的动磨擦变化。4)伺服轴因采用高速的光纤通讯伺服网络连接,其在伺服网络上可直接检测并补偿主轴跟随延迟,实现同期误差最小化。

三、国际相关技术水平、现状及发展趋势

全数字化是伺服驱动技术发展的必然趋势。全数字化包括:伺服驱动内部控制的数字化;伺服驱动到数控系统接口的数字化;测量单元数字化。伺服驱动单元内部位置、转速、电流三环的全数字化、网络控制连接接口、编码器到伺服驱动的数字化连接接口,成为全数字化的重要标志。全数字交流伺服技术的飞速发展,也使得用伺服驱动器可以根据负载状况(如惯量、间隙、摩擦力等)自动调整控制器参数。

采用串行总线传输技术实现CNC对伺服驱动单元的高速、高精控制。采用现场总线的数字化控制接口,是伺服驱动装置实现高速、高精控制的必要条件。近年来国外公司纷纷推出各自的数字接口协议和标准,如日本发那科公司推出串行伺服总线(FSSB),德国西门子公司推出Profibus-DP总线,日本三菱推出CC-link总线,德国力施乐推出SERCOS总线。

伺服的动态特性更加关注,高分辨率编码器成为减少伺服驱动系统转矩脉动的技术手段。德国海德汉公司(HEIDENHAIN)对不同分辨率的编码器对转矩脉动的影响进行了研究,并通过提高编码器分辨率,大大减少了伺服驱动的转矩脉动。德国HEIDENHAIN将各种类型的编码器,如绝对、增量式和正余弦编码器的细分功能,都统一到EnDae2.2编码器连接协议中。细分过程在编码器内部完成,通过数字接口和伺服驱动连接起来。

采用高速微处理器和高速数字信号处理算法进一步提高伺服驱动性能。采用新型高速微处理器,特别是数字信号处理器DSP控制器,使运算速度呈几何级数上升,从而实现伺服驱动内部三环的高速实时控制,达到高响应、高性能和高可靠性控制的伺服控制要求。利用DSP控制器的高速处理能力,完成速度前馈、加速度前馈控制,并实现低通滤波、凹陷滤波等高速数字滤波算法实现。

高精度、高动态响应、高刚性、高过载能力、高可靠性、高电磁兼容性、高电网适应能力、高性价比成为现代伺服驱动装置的评价指标。日本发那科公司推出了HRV4伺服控制控制技术,其特点为:在任何时刻,均采用纳米层次的位置指令,使用1600万/转的高分辨率的脉冲编码器,完成了精密级加工精度(1~1.5μm)向超精密加工(0.01μm)精度转换,实现了纳米精度的伺服控制;HRV4超高速伺服控制处理器所控制的电机转速可达到60000r/min;HRV4控制算法可使伺服电机的最大控制电流减少50%,并减少电机发热17%,因此,伺服驱动装置获得了更高的刚性和过载能力。

电子电力技术的发展,使得伺服系统功率主电路元件的开关频率提高到15~20kHz以上。大功率绝缘栅门双极性晶体管(IGBT)和智能控制功率模块(IPM)等先进器件的采用,大大减少了伺服驱动器输出回路的功耗,提高了系统的响应速度和平稳性,降低了运行噪音。这些不仅为交流伺服全数字化、高速度、高精度奠定了基础,还使得交流伺服系统趋于小型化。

安川电机欧洲公司(Yaskawa Electric Europe,YEE)的通用Sigma II型伺服电机。YEE的其他进展包括正在开发中的额定功率0.5~5kW防爆及遵循ATEX标准的交流伺服电机。安川公司的另一项开发成果是输出功率高达500 kW的高功率伺服电机。从中我们可以看到国际大厂向专用化、大型化伺服发展的动向。

日本FANUC高速高精伺服控制功能有以下:先行控制、AI纳米轮廓控制、AI轮廓控制、高精度轮廓控制等。但这些功能还与CNC有联系的,不能独立分开。FANUC最大的伺服电机a3000HVis规格如下:额定输出功率250kW,最大功率530kW,堵转转矩3000Nm,最大输出转矩为5300Nm,最高转速为2000r/min,目前,也是世界上最大的伺服电机。HRV控制框图如下:HRV 是“高响应矢量”(High Respons Vector)的意义。为了实现高速和高精,进给伺服装置的HRV主要控制:(1)对输入指令具有高精高速的响应;减少采样时间,对电流进行高精度检测;优化软件设计,对电流和速度进行控制,以加大速度增益和位置增益, 从而提高改善系统的性能;(2)对外部的干扰具有良好的鲁棒性;(3)采用高精度编码器; (4) 设置HRV滤波器,减少机械谐振影响。通过以上措施可使系统的速度增益达到5000%,位置增益达到300/秒。而主轴伺服装置的HRV主要控制:(1)设置HRV滤波器,减少机械谐振影响,加大速度增益;提高系统稳定性;(2)精调加减速,提高同步性;(3)降低高速时绕组温升。采用数字伺服的自调谐技术,方便于调试,可通过计算机可自动地把伺服参数进行设定,并显示运转的波形,使伺服系统方便、准确、快速地调试和进行维修。

德国西门子公司SIMOVERT MASTERDRIVES MC–紧凑增强型运动控制驱动器可以对应0.2kW到18.5kW的所有应用领域。它是控制循环周期短、高精度、高动态响应的控制系统。这种驱动器是智能控制系统的一部分。它能够实现机动、灵活和高效的驱动控制,其性能远远超过同类变频系统。高动态响应,一流的灵活性和精确性:MASTERDRIVES MC驱动器使用了32位数字控制技术。高过载因数能帮助您处理高难度的应用问题:MC运动控制驱动器有极高的过载因数:250ms内300%的过载能力。高性能,小体积,集成式安全保护装置保障了所有功能的安全应用:具有的"安全停止"功能。软件:灵活运用BICO技术,它们可被应用于所有必要的开环和闭环控制。Performance 2能使循环运行的机器具有更高的动态响应,提高了的动态响应允许电流和转速控制器在T0中的计算时间减少到100微秒,而工艺软件和自由功能模块(例如F01)的计算时间在1.6毫秒之内。这些高性能已经与新一代的运动控制系统-SIMOTION结合在了一起。F01工艺软件包-可以满足所有应用要求 。SIMOLINK:多达200个驱动器的同步控制。

四、国内相关产品与技术发展水平、现状

我国在20世纪80年代初期通过引进、消化、吸收国外先进技术,又在国家"七五"、"八五"、"九五"期间对伺服驱动技术进行重大科技项目攻关取得了很大成果。但由于产品可靠性等方面的原因,制约着我国数控机床的配套及应用,从而影响我国装备制造业的发展。一些机床厂家不得不选用国外的伺服系统,使得国产数控机床在价格、交货期、可靠性等方面均不占优势,更无心力开发市场需求的新品种,从而失去巨大的市场份额。近年来在国家不断组织科技攻关的同时,一些民营高科技公司也为发展我国伺服驱动技术注入了新的活力,先后有华中数控公司、广州数控设备有限公司等一批企业研制开发并批量生产出永磁同步电机伺服驱动系统,为我国经济性数控机床的快速发展奠定了坚实基础。

我国目前生产的永磁同步电机伺服驱动系统,进给伺服功率范围达到了20W~7.5kW,主轴伺服功率范围覆盖了3.5kW~22kW,在性能和质量方面有了很大提高。驱动器的硬件普遍采用:专用数字信号处理器(DSP),大规模现场可编程逻辑阵列(FPGA)和智能功率模块(IPM)。具有完备的短路、过流、过压、欠压、泵升、过热等多种故障的软、硬件保护功能,并且操作简单、可靠性高、体积小巧、易于安装。为适应我国目前的电网质量,部分产品的电压适用范围范围达到了±20%,超出了国家标准要求的产品电压范围为+10%~-15%规定。我国伺服驱动系统的产品性能、产品可靠性方面,与国外产品还存在一定差距。特别是在全数字化的高性能伺服驱动技术方面,与国外名牌企业仍存在较大的差距,已成为制约我国发展中高档数控系统产业的“瓶颈”问题。主要体现在:伺服驱动系统基本不具备高速数字化网络接口,伺服驱动装置上大量采用的脉冲式控制接口,这种接口受脉冲频率的限制,无法满足高速、高精控制的要求。表一给出了国产永磁同步电机伺服驱动系统与国外永磁同步电机伺服驱动系统的部分参数,从中可以看出两者之间的差距。

五、结束语

综上分析,目前国产伺服驱动系统与国外相比差距仍然较大,尤其在高速、高刚度、大功率电主轴及驱动装置、大扭矩力矩电机及驱动装置、大推力直线电机及驱动装置等方面。当今数控机床突出高速、高精、高动态、高刚性的特点,对位置系统的要求包括:定位速度和轮廓切削进给速度;定位精度和轮廓切削精度;精加工的表面粗糙度;在外界干扰下的稳定性。这些要求的满足主要取决于伺服系统的静态、动态特性。伺服产品未来将向着采用更高精度的编码器(每转百万脉冲级),更高采样精度和数据位数、速度更快的DSP,无齿槽效应的高性能旋转电机、直线电机,以及应用自适应、人工智能等各种现代控制策略的方向发展。

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【文章来自米尔自动化网http://www.mirautomation.com/pages/2011-05/n35228.shtml
本文标签: 伺服系统   永磁同步电机   高速高精   串行总线  
 三菱电机
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