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| 运动控制系统通过伺服驱动装置将预定指令变成期望的机构运动，一般功率较小，并有定位要求和频繁启制动的特点，目前在导航系统，雷达天线，精密数控机床，加工中心，机器人，打印机，复印机，磁纪录仪，磁盘驱动器，自动洗衣机，电梯等领域得到越来越广泛的应用。 近日，记者采访了业内知名专家清华大学电机工程系李永东教授，就我国交流电机伺服系统的研究和应用及运动控制产业的发展进行了深入的交流。 记者：请您谈一下关于“伺服系统及其控制”的技术问题，包括基本概念，系统分类，发展历史，工作原理，使用范围等。 李永东：电机控制系统主要分速度控制和位置控制两大类。传统的电气传动系统一般指速度控制系统，广泛地应用于机械、矿山、冶金、化工、纺织、造纸、水泥、交通等工业部门。对于位置控制（伺服）系统，目前国际上较多采用运动控制这一名称。如前所述，运动控制系统通过伺服驱动装置将预定指令变成期望的机构运动，一般功率较小，并有定位要求和频繁启制动的特点，目前在导航系统，雷达天线，精密数控机床，加工中心，机器人，打印机，复印机，磁纪录仪，磁盘驱动器，自动洗衣机，电梯等领域得到越来越广泛的应用。 永磁式同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难等缺点。和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。另外，永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此引起了国内外学者的广泛关注。 近年来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，经大力推广和应用已有研究成果，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得越来越广泛的应用。正向大功率化（高转速、高转矩）、高功能化和微型化方面发展。目前，稀土永磁电机的单台容量已超过1000kW，最高转速已超过300000r/min，最低转速低于0.01r/min，最小电机的外径只有0.8mm，长1.2mm。 我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土永磁材料钕铁硼资源在我国非常丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的四倍左右，号称“稀土王国”。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因此，对我国来说，永磁同步电动机有很好的应用前景。充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对实现我国现代化具有重要的理论意义和实用价值。 永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波。这样就造成两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机（PMSM）调速系统；而由梯形波（方波）永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机（BLDCM）调速系统。 永磁同步电动机转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等也不同。根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为：表面式和内置式。在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等；而内置式永磁同步电机的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁体。这种永磁电机的重要特点是直、交轴的主电感不相等。因此，这两种电机的性能有所不同。 记者：交流伺服系统只比变频器多一个位置环，为什么其价格比变频器贵得多？请问交流伺服系统的难点何在？ 李永东：首先，尽管我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土永磁材料钕铁硼资源在我国非常丰富。但是，永磁材料相对来讲较贵，其加工较难，造成永磁电机比异步电机仍贵；其次，由于高精度永磁同步电机闭环控制当中需要电机转子位置，因此需要在电机轴上安装机械位置传感器。由于机械传感器的存在，增加了系统复杂程度和成本。再者，交流伺服系统相对于通用变频器来讲，首先是一个高精度的闭环控制系统，闭环系统就有系统稳定性问题，参数不合适系统甚至不能稳定工作，再加上位置环以后，三环系统调试起来还是非常困难的。此外还有如何消除齿谐波及PWM控制等造成的转矩脉动的问题。如果采用无刷直流电机控制系统，定子为整矩集中绕组，以产生梯形波磁场和感应电势，通以三相方波交变电流，当电流和感应电势同相位时，理论上可产生平稳的电磁转矩。主要特点是磁极位置检测和无换向器电机一样，非常简单，选通及系统控制容易实现。缺点是由于定子电感的存在，实际上电流达不到理想的方波，在换流时刻的叠流现象会造成转矩脉动，对系统低速性能有一定的影响。 |