交流永磁伺服新技術(shù)趨勢

1、楊 明哈爾濱工業(yè)大學(xué)2017-02-24交流永磁伺服系統(tǒng)驅(qū)動技術(shù)交流永磁伺服系統(tǒng)驅(qū)動技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢Outline二、主要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)λ欧到y(tǒng)的技術(shù)需求一、伺服系統(tǒng)的組成與基本結(jié)構(gòu)三、伺服系統(tǒng)市場與技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀四、伺服系統(tǒng)未來技術(shù)發(fā)展方向3/45p 根據(jù)國標(biāo)GB/T 16439-2009 交流伺服系統(tǒng)通用技術(shù)條件定義，“交流伺服系統(tǒng)”是由交流伺服驅(qū)動器、交流伺服電動機(jī)和傳感三個部分組成。一、伺服系統(tǒng)的組成與基本結(jié)構(gòu)運(yùn)動控制技術(shù)運(yùn)動控制技術(shù)信號檢測技術(shù)信號檢測技術(shù)驅(qū)動控制技術(shù)驅(qū)動控制技術(shù)電機(jī)本體設(shè)計(jì)電機(jī)本體設(shè)計(jì)魯棒控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制、參數(shù)自整定、預(yù)測控制、參數(shù)

2、自整定、預(yù)測控制、運(yùn)動控制總線技術(shù)等運(yùn)動控制總線技術(shù)等逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、PWM調(diào)調(diào)制技術(shù)、電流控制策略、制技術(shù)、電流控制策略、死區(qū)等非線性因素補(bǔ)償技死區(qū)等非線性因素補(bǔ)償技術(shù)等術(shù)等環(huán)形磁鋼設(shè)計(jì)、環(huán)形磁鋼設(shè)計(jì)、斜極斜槽設(shè)計(jì)、斜極斜槽設(shè)計(jì)、無槽設(shè)計(jì)、制造無槽設(shè)計(jì)、制造工藝等工藝等位置檢測、電流檢測、電位置檢測、電流檢測、電壓檢測、溫度檢測、檢測壓檢測、溫度檢測、檢測延時補(bǔ)償及無位置傳感器延時補(bǔ)償及無位置傳感器驅(qū)動技術(shù)等驅(qū)動技術(shù)等伺伺服服控制器控制器功率單元功率單元負(fù)載負(fù)載反饋單元反饋單元控制指令伺服電機(jī)伺服電機(jī)4/45 Power ControlMotor DriveServo Amp

3、lifierDistributed Servo Control伺服系統(tǒng)的嵌套結(jié)構(gòu) 伺服驅(qū)動系統(tǒng)由內(nèi)到外，按照控制方式可以分為轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)、速度控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)由內(nèi)到外，按照控制方式可以分為轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)、速度控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)(單機(jī)系統(tǒng)中往往簡稱為三環(huán)控制系統(tǒng)單機(jī)系統(tǒng)中往往簡稱為三環(huán)控制系統(tǒng))以及基于總線以及基于總線技術(shù)的集散化、分布式伺服控制系統(tǒng)技術(shù)的集散化、分布式伺服控制系統(tǒng)5/45Outline二、主要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)λ欧到y(tǒng)的技術(shù)需求一、伺服系統(tǒng)的組成與基本結(jié)構(gòu)三、伺服系統(tǒng)市場與技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀四、伺服系統(tǒng)未來技術(shù)發(fā)展方向6/45二、主要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)λ欧到y(tǒng)的技術(shù)需求核心功能

4、部件之一：核心功能部件之一：交流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)p 高檔數(shù)控機(jī)床p 工業(yè)機(jī)器人通用伺服系統(tǒng)主軸電機(jī)伺服系統(tǒng)力矩電機(jī)伺服系統(tǒng)直線電機(jī)伺服系統(tǒng)通用伺服系統(tǒng)7/45高檔數(shù)控機(jī)床對高檔數(shù)控機(jī)床對通用伺服通用伺服驅(qū)動及電機(jī)技術(shù)需求驅(qū)動及電機(jī)技術(shù)需求機(jī)械諧振造成加工表面質(zhì)量下降機(jī)械諧振造成加工表面質(zhì)量下降傳動間隙降低傳動機(jī)構(gòu)精度傳動間隙降低傳動機(jī)構(gòu)精度諧振抑制諧振抑制傳動間隙補(bǔ)償傳動間隙補(bǔ)償智能化制造智能化制造遠(yuǎn)程服務(wù)遠(yuǎn)程服務(wù)自動參數(shù)配置自動參數(shù)配置網(wǎng)絡(luò)功能網(wǎng)絡(luò)功能8/45高檔數(shù)控機(jī)床對高檔數(shù)控機(jī)床對主軸主軸電機(jī)及驅(qū)動技術(shù)需求電機(jī)及驅(qū)動技術(shù)需求 高表面粗糙度、高效率高表面粗糙度、高效率 超高速切削超高

5、速切削 鈦合金、高溫合金等材料加工鈦合金、高溫合金等材料加工 納米級超精密加工納米級超精密加工 最高轉(zhuǎn)速最高轉(zhuǎn)速160000r/min 最大功率最大功率325kW 回轉(zhuǎn)精度回轉(zhuǎn)精度0.010.05m 9/45高檔數(shù)控機(jī)床對高檔數(shù)控機(jī)床對力矩力矩電機(jī)技術(shù)需求電機(jī)技術(shù)需求 超低速平滑回轉(zhuǎn)送進(jìn)超低速平滑回轉(zhuǎn)送進(jìn) 精確進(jìn)給精確進(jìn)給 高動態(tài)響應(yīng)高動態(tài)響應(yīng) 額定轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩4590Nm 轉(zhuǎn)矩波動轉(zhuǎn)矩波動1.0% 過載倍數(shù)過載倍數(shù)1.910/45高檔數(shù)控機(jī)床對高檔數(shù)控機(jī)床對直線直線電機(jī)技術(shù)需求電機(jī)技術(shù)需求 汽車、汽車、IT產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)線產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)線 大型、超長行程高速加工中心大型、超長行程高速加工中心 航空航天制

6、造業(yè)整體構(gòu)件鏤空加工航空航天制造業(yè)整體構(gòu)件鏤空加工 精密、復(fù)雜模具制造精密、復(fù)雜模具制造 快進(jìn)快進(jìn)240m/min 加速度加速度5g 0.1m定位定位11/45伺服驅(qū)動及電機(jī)適應(yīng)高檔數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)伺服驅(qū)動及電機(jī)適應(yīng)高檔數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)伺服驅(qū)動伺服驅(qū)動及電機(jī)及電機(jī)高檔數(shù)高檔數(shù)控機(jī)床控機(jī)床在線參數(shù)辨識重復(fù)定位精度控制器參數(shù)自整定高功率密度傳動消隙低定位轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動諧振與抖動抑制直線電機(jī)控制及防護(hù)電流環(huán)帶寬拓展主軸電機(jī)熱及振動補(bǔ)償無超調(diào)快速響應(yīng)可靠性同步主軸寬恒功率調(diào)速總線接口規(guī)范直驅(qū)系統(tǒng)魯棒性網(wǎng)絡(luò)通信高速、高精度、高可靠性高速、高精度、高可靠性復(fù)合化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、綠色化復(fù)合化、智能

7、化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、綠色化12/45高性能工業(yè)機(jī)器人對伺服系統(tǒng)的技術(shù)需求高性能工業(yè)機(jī)器人對伺服系統(tǒng)的技術(shù)需求p 兼容性強(qiáng)p 高速、高精度響應(yīng)p 多方式增強(qiáng)穩(wěn)定性 速度自適應(yīng) 位置速度前饋 實(shí)時計(jì)算慣量伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)作為工業(yè)機(jī)器人三大核心功能部件之一作為工業(yè)機(jī)器人三大核心功能部件之一p 故障診斷安全保護(hù)功能13/45高性能工業(yè)機(jī)器人對伺服系統(tǒng)的技術(shù)需求高性能工業(yè)機(jī)器人對伺服系統(tǒng)的技術(shù)需求p振動抑制必須具備諧振抑制和定位末端抖動抑制等高級功能振動問題極大地振動問題極大地制約了機(jī)器人加制約了機(jī)器人加工的效率，振動工的效率，振動抑制能力是高性抑制能力是高性能機(jī)器人的重要能機(jī)器人的重要標(biāo)志標(biāo)志14/4

8、5伺服驅(qū)動及電機(jī)性能測試規(guī)范（新標(biāo)準(zhǔn)伺服驅(qū)動及電機(jī)性能測試規(guī)范（新標(biāo)準(zhǔn)22項(xiàng)）項(xiàng)）p 交流伺服驅(qū)動單元性能試驗(yàn)規(guī)范總則參數(shù)自整定機(jī)械諧振自動抑制電流環(huán)、速度環(huán)及位置環(huán)帶寬p 主軸電動機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)范 總則 功率密度p 伺服電動機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)范 總則 齒槽力矩 過載能力p 直線電動機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)范 總則 推力 定位力 推力線性度及推力系數(shù) 推力波動 初、次級磁吸力p 力矩電動機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)范 總則 連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流 連續(xù)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 峰值堵轉(zhuǎn)電流 峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 低速平穩(wěn)性 轉(zhuǎn)矩密度15/45伺服驅(qū)動及電機(jī)性能測試平臺（伺服驅(qū)動及電機(jī)性能測試平臺（33臺套）臺套）16/45Outline二、主要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)λ欧到y(tǒng)

9、的技術(shù)需求二、主要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)λ欧到y(tǒng)的技術(shù)需求一、伺服系統(tǒng)的組成與基本結(jié)構(gòu)一、伺服系統(tǒng)的組成與基本結(jié)構(gòu)三、伺服系統(tǒng)市場與技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀三、伺服系統(tǒng)市場與技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀四、伺服系統(tǒng)未來技術(shù)發(fā)展方向四、伺服系統(tǒng)未來技術(shù)發(fā)展方向17/45第一階段（2011年前）從2005年以來進(jìn)入高速發(fā)展時期，每年增長率超過25。在2009年由于整體經(jīng)濟(jì)環(huán)境不景氣增速下滑，但2010年迅速回彈，增長速度超過30%，在2011年相對去年來說增速有所回落。第二階段（2012-2014）進(jìn)入12年和13年，我國GDP增長繼續(xù)放緩，中國經(jīng)濟(jì)處于增速換擋、轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵期，并且國際市場蕭條出口業(yè)務(wù)遭重創(chuàng)，在種種矛盾疊加之下，

10、伺服市場持續(xù)下滑第三階段（2015-2016）2015至2016年，伺服產(chǎn)品業(yè)績下滑嚴(yán)重，特別是2015年伺服主要應(yīng)用行業(yè)機(jī)床、輪胎機(jī)械、制藥機(jī)械等行業(yè)遭受大幅度下滑，導(dǎo)致伺服業(yè)績受創(chuàng)嚴(yán)重。三、伺服系統(tǒng)市場與技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀18/452015年伺服市場統(tǒng)計(jì)情況年伺服市場統(tǒng)計(jì)情況19/4519/2352015年伺服市場統(tǒng)計(jì)情況年伺服市場統(tǒng)計(jì)情況一、基本性能指標(biāo)一、基本性能指標(biāo)伺服驅(qū)伺服驅(qū)動核心技術(shù)研究現(xiàn)狀術(shù)研究現(xiàn)狀以1馬力（750W）通用伺服系統(tǒng)為例：最高轉(zhuǎn)速：6000rpm（額定轉(zhuǎn)速2倍）最大轉(zhuǎn)矩：3.5倍額定轉(zhuǎn)矩碼盤分辨率：24Bit定位精度：1.2納米（導(dǎo)程20mm滾珠絲杠）響應(yīng)速度：速度環(huán)

11、3.1kHzn 日系：安川、三菱、松下、富士、三洋等n 歐系：西門子、博世力士樂、倫茨、elmo等n 國產(chǎn)：臺達(dá)、匯川、新時達(dá)、廣數(shù)、和利時、英威騰等21/45二、控制器參數(shù)自整定技術(shù)二、控制器參數(shù)自整定技術(shù)+=伺服驅(qū)伺服驅(qū)動核心技術(shù)研究現(xiàn)狀術(shù)研究現(xiàn)狀參數(shù)自整定性能是衡量高檔伺服系統(tǒng)水平的最顯著標(biāo)志品牌品牌最新產(chǎn)品V90-7J4A6IS620慣量辨識*在線離線在線在線離線參數(shù)更新非實(shí)時非實(shí)時非實(shí)時非實(shí)時實(shí)時實(shí)時實(shí)時實(shí)時非實(shí)時非實(shí)時整定剛度HardHardSoftSoftSoft人為設(shè)置主流伺服品牌參數(shù)自整定性能對比主流伺服品牌參數(shù)自整定性能對比免調(diào)試免調(diào)試免調(diào)試功能安川是唯一具有此功能的品牌，

12、真正做到“黑匣子”功能，用戶無需設(shè)置任何參數(shù)，但用戶也完全不知其如何發(fā)揮作用安川系列產(chǎn)品性能對比安川系列產(chǎn)品性能對比24bit3.1KHz6000rpm350%免調(diào)整功能編碼器：17bit頻響：500Hz轉(zhuǎn)速：5000rpm轉(zhuǎn)矩：300%20bit1.6KHz6000rpm350%三菱系列產(chǎn)品性能對比三菱系列產(chǎn)品性能對比 J2J3J4JE編碼器分辨率17bit18bit24bit17bit速度響應(yīng)550Hz2.1KHz2.5KHz2.0KHz最大轉(zhuǎn)速(rpm)5000600060005000最大轉(zhuǎn)矩300%300%350%300%耐環(huán)境性能IP65IP65IP67IP6725/49松下系列產(chǎn)品

13、性能對比松下系列產(chǎn)品性能對比A3A4A5A6編 碼 器分辨率17bit17bit20bit23bit速度頻響500Hz1KHz2.3KHz3.2KHz最大轉(zhuǎn)速(rpm)5000500060006500最大轉(zhuǎn)矩300%300%300%350%耐環(huán)境性能IP65IP65IP67IP67體積減小，質(zhì)量減輕，并提升了最高轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速;提高響應(yīng)性，縮短調(diào)整時間;提高了整定性能，使調(diào)諧趨于簡單便利;提高了擴(kuò)展性，增加指令形式，擴(kuò)充匹配的電機(jī)種類.發(fā)展趨勢:系列系列A4A5A6MSM 1KW4.5kg3.5kg2.8kgMSM 2KW6.5kg5.3kg5.6kgMDM 1KW6.8kg5.2kg4.6kgM

14、DM 2KW10.6kg8.0kg6.9kg25/45三、機(jī)械諧振抑制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀三、機(jī)械諧振抑制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 212131212eJ sKGsTJ J sJJKs 2231212eKGsTJ J sJJKs 2212KGsJ sKARFNTF212111122ARNTKffKJJJ26/45伺服驅(qū)伺服驅(qū)動核心技術(shù)研究現(xiàn)狀術(shù)研究現(xiàn)狀27/45品牌最新系列最新系列-7MR-J4A6IP620簡單調(diào)諧機(jī)械共振抑制5個50-5000kHz陷波濾波器5個10-4.25kHz陷波濾波器5個50-5kHz陷波濾波器4個50-4kHz陷波濾波器末端振動抑制2個1-100Hz濾波器2個1-100Hz濾波器4個

15、1-200Hz濾波器1個1-100Hz濾波器瞬時速度觀測外部擾動觀測器間隙補(bǔ)償功能各各品牌機(jī)械諧振抑制功能對比品牌機(jī)械諧振抑制功能對比28/45機(jī)械振動抑制末端抖動抑制定位末端抖振與機(jī)械諧振定位末端抖振與機(jī)械諧振的的抑制效果抑制效果四、安全性能指標(biāo)四、安全性能指標(biāo)伺服驅(qū)伺服驅(qū)動核心技術(shù)研究現(xiàn)狀術(shù)研究現(xiàn)狀安全轉(zhuǎn)矩截止 (STO)當(dāng)發(fā)生安全動作要求時，切斷功率部分電源，使電動機(jī)平穩(wěn)過渡到停止?fàn)顟B(tài)，確保人身安全安全停車1 (SS1)激活電動機(jī)減速停車功能，一定延時后引發(fā)安全轉(zhuǎn)矩截止功能，從而使驅(qū)動安全停車安全運(yùn)行停車(SOS)防止電機(jī)偏離預(yù)定的安全停止位置過遠(yuǎn)安全停車2 (SS2)電動機(jī)速度達(dá)到某一

16、限定值時，啟動電動機(jī)減速功能，在電動機(jī)靜止或指定的延時后引發(fā)SOS功能安全速度限制 (SLS)防止電機(jī)超出特定的速度限值安全制動控制 (SBC)提供一個安全輸出信號用來控制外部的制動設(shè)備安全速度監(jiān)視 (SSM)輸出一個安全信號指示電機(jī)速度是否低于特定限值IEC 61800-5-2定義的伺服單元主要安全功能定義的伺服單元主要安全功能29/45品牌最新型號S110V90-7J4A6IS620STOSS1SS2SLSSBCSSM各品牌伺服驅(qū)動器安全功能對比各品牌伺服驅(qū)動器安全功能對比（注：“”表示需要外接安全模塊來實(shí)現(xiàn)此功能）30/45Outline二、主要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)λ欧到y(tǒng)的技術(shù)需求一、伺服系統(tǒng)的

17、組成與基本結(jié)構(gòu)三、伺服系統(tǒng)市場與技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀四、伺服系統(tǒng)未來技術(shù)發(fā)展方向32/45驅(qū)-控一體化技術(shù)上位機(jī)運(yùn)動控制與電機(jī)驅(qū)動控制技術(shù)的融合上位機(jī)運(yùn)動控制與電機(jī)驅(qū)動控制技術(shù)的融合FPGA+ARM目前主流的控制器雙核結(jié)構(gòu)安川SigmaVII多核一體控制器FPGA ARM + 保持FPGA+ARM的運(yùn)算優(yōu)勢； 內(nèi)部總線，避免復(fù)雜外部接線，并且具有超高的通信速度； 有利于多軸運(yùn)動軌跡控制精度的提高與振動抑制能力的提升 有效地降低體積與成本多核一體控制芯片在伺服驅(qū)動器上的優(yōu)勢32/4333/45驅(qū)-控一體化技術(shù)上位機(jī)運(yùn)動控制與電機(jī)驅(qū)動控制技術(shù)的融合上位機(jī)運(yùn)動控制與電機(jī)驅(qū)動控制技術(shù)的融合現(xiàn)階段網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)驅(qū)

18、控一體化技術(shù)結(jié)構(gòu)隨著多核芯片能力的提升，將伺服驅(qū)動技術(shù)、運(yùn)動控制技術(shù)一體化集成在底層嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中，可極大地降低系統(tǒng)集成復(fù)雜性、成本與體積；并且由于克服了總線通訊的延時，運(yùn)動控制整體性能也將得到極大地提升33/45寬禁帶半導(dǎo)體器件寬禁帶半導(dǎo)體器件在電機(jī)驅(qū)動器當(dāng)中的應(yīng)用在電機(jī)驅(qū)動器當(dāng)中的應(yīng)用p電力電子系統(tǒng)性能全面提升： 禁帶寬度(3Si) 高擊穿場強(qiáng)(10Si) 高溫可靠性(SiC 600) 高開關(guān)頻率(10Si)高壓領(lǐng)域高頻場合高溫應(yīng)用熔點(diǎn)熔點(diǎn)(1000)熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率 (W/cm.)禁帶寬度禁帶寬度(eV)電場強(qiáng)度電場強(qiáng)度(MV/cm)電子飽和遷移率電子飽和遷移率(107cm/s)SiGaNS

19、iC寬禁帶半導(dǎo)體器件性能優(yōu)越且應(yīng)用廣泛，具有劃時代的意義！p寬禁帶半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢：優(yōu)越的動態(tài)性能優(yōu)越的動態(tài)性能高溫高頻高溫高頻高功率密度高功率密度高效率高效率高穩(wěn)定性可靠性高穩(wěn)定性可靠性(SOA)小體積低成本小體積低成本35/45寬禁帶半導(dǎo)體器件寬禁帶半導(dǎo)體器件在電機(jī)驅(qū)動器當(dāng)中的應(yīng)用在電機(jī)驅(qū)動器當(dāng)中的應(yīng)用安川公司的研究人員使用繞組切換技術(shù)和SiC器件尺寸減少了尺寸減少了40%以上，且電機(jī)的整體控以上，且電機(jī)的整體控制效率可高達(dá)制效率可高達(dá)95%未來五年將是寬禁帶新型功率器件相關(guān)產(chǎn)業(yè)未來五年將是寬禁帶新型功率器件相關(guān)產(chǎn)業(yè)的上升期，研究基的上升期，研究基于于寬禁帶寬禁帶器器件件的電的電機(jī)驅(qū)動機(jī)驅(qū)

20、動系統(tǒng)，有利于搶占未來市場的先機(jī)、取得技系統(tǒng)，有利于搶占未來市場的先機(jī)、取得技術(shù)引領(lǐng)地術(shù)引領(lǐng)地位位基于650V GaN HEMTs的三相逆變器裝置帶有DBM驅(qū)動的逆變電路結(jié)構(gòu)圖36/45參數(shù)免調(diào)試技術(shù) 剛度設(shè)置 隨動性 負(fù)載擾動 振動抑制p 在線慣量辨識自動匹配適當(dāng)控制剛度p 位置指令前饋提高隨動性p 負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測前饋?zhàn)饔锰岣呖箶_性p 軸矩?cái)_動觀測負(fù)反饋抑制諧振37/45編碼器技術(shù)及其測試標(biāo)準(zhǔn)p系列化高精度、高分辨率和高可靠性商用編碼器p編碼器性能檢測國家標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)與平臺全閉環(huán)伺服無(低分辨率)碼盤伺服驅(qū)動技術(shù)簡易化全閉環(huán)優(yōu)勢： 具有很好的位置控制精度 易維護(hù)、更好的環(huán)境適應(yīng)性 低成本，電機(jī)軸端不需要安裝高精度碼盤家電數(shù)控機(jī)床激光加工設(shè)備視覺檢