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(dòng)技術(shù)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3/45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(dòng)器、交流伺服電動(dòng)機(jī)和傳感三個(gè)部分組成。一、伺服系統(tǒng)的組成與基本結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)信號檢測技術(shù)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)電機(jī)本體設(shè)計(jì)魯棒控制、自適應(yīng)控制、參數(shù)自整定、預(yù)測控制、運(yùn)動(dòng)控制總線技術(shù)等逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、PWM調(diào)制技術(shù)、電流控制策略、死區(qū)等非線性因素補(bǔ)償技術(shù)等環(huán)形磁鋼設(shè)計(jì)、斜極斜槽設(shè)計(jì)

2、、無槽設(shè)計(jì)、制造工藝等位置檢測、電流檢測、電壓檢測、溫度檢測、檢測延時(shí)補(bǔ)償及無位置傳感器驅(qū)動(dòng)技術(shù)等伺服控制器功率單元負(fù)載反饋單元控制指令伺服電機(jī)4/45 Power ControlMotor DriveServo AmplifierDistributed Servo Control伺服系統(tǒng)的嵌套結(jié)構(gòu) 伺服驅(qū)動(dòng)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)(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

3、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)需求核心功能部件之一：交流伺服系統(tǒng)高檔數(shù)控機(jī)床工業(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)床對通用伺服驅(qū)動(dòng)及電機(jī)技術(shù)需求機(jī)械諧振造成加工表面質(zhì)量下降傳動(dòng)間隙降低傳動(dòng)機(jī)構(gòu)精度諧振抑制傳動(dòng)間隙補(bǔ)償智能化制造遠(yuǎn)程服務(wù)自動(dòng)參數(shù)配置網(wǎng)絡(luò)功能8/45高檔數(shù)控機(jī)床對主軸電機(jī)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)需求高表面粗糙度、高效率超高速切削鈦合金、高溫合金等材料加工 納米級超精密加工 最高轉(zhuǎn)速160000r/min最大功率325kW回轉(zhuǎn)精度0.010.05m 9/45高檔數(shù)控機(jī)床對力矩電機(jī)技術(shù)需求超低速平滑回轉(zhuǎn)送進(jìn)精確進(jìn)給高動(dòng)

4、態(tài)響應(yīng)額定轉(zhuǎn)矩4590Nm轉(zhuǎn)矩波動(dòng)1.0%過載倍數(shù)1.910/45高檔數(shù)控機(jī)床對直線電機(jī)技術(shù)需求汽車、IT產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)線大型、超長行程高速加工中心航空航天制造業(yè)整體構(gòu)件鏤空加工精密、復(fù)雜模具制造快進(jìn)240m/min加速度5g0.1m定位11/45伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)及電機(jī)高檔數(shù)控機(jī)床在線參數(shù)辨識(shí)重復(fù)定位精度控制器參數(shù)自整定高功率密度傳動(dòng)消隙低定位轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)諧振與抖動(dòng)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(dòng)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、高可靠性復(fù)合化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、綠色化12/45高性能

5、工業(yè)機(jī)器人對伺服系統(tǒng)的技術(shù)需求兼容性強(qiáng)高速、高精度響應(yīng)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(shí)計(jì)算慣量伺服系統(tǒng)作為工業(yè)機(jī)器人三大核心功能部件之一故障診斷安全保護(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)需求振動(dòng)抑制必須具備諧振抑制和定位末端抖動(dòng)抑制等高級功能振動(dòng)問題極大地制約了機(jī)器人加工的效率，振動(dòng)抑制能力是高性能機(jī)器人的重要標(biāo)志14/45伺服驅(qū)動(dòng)及電機(jī)性能測試規(guī)范（新標(biāo)準(zhǔn)22項(xiàng)）交流伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)抑制電流環(huán)、速度環(huán)及位置環(huán)帶寬主軸電動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)范總則功率密度伺服電動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)范總則齒槽力矩過載能力直線電動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)范總則推力定位力推力線性度及推

6、力系數(shù)推力波動(dòng)初、次級磁吸力力矩電動(dòng)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(dòng)及電機(jī)性能測試平臺(tái)（33臺(tái)套）16/45Outline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17/45第一階段（2011年前）從2005年以來進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)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

7、，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，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19/4519/2352015年伺服市場統(tǒng)計(jì)情況一、基本性能指標(biāo)伺服驅(qū)動(dòng)核心技術(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

8、滾珠絲杠）響應(yīng)速度：速度環(huán)3.1kHz日系：安川、三菱、松下、富士、三洋等歐系：西門子、博世力士樂、倫茨、elmo等國產(chǎn)：臺(tái)達(dá)、匯川、新時(shí)達(dá)、廣數(shù)、和利時(shí)、英威騰等21/45二、控制器參數(shù)自整定技術(shù)+=伺服驅(qū)動(dòng)核心技術(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)志品牌最新產(chǎn)品V90-7J4A6IS620慣量辨識(shí)*在線離線在線在線離線參數(shù)更新非實(shí)時(shí)非實(shí)時(shí)實(shí)時(shí)實(shí)時(shí)非實(shí)時(shí)整定剛度HardHardSoftSoftSoft人為設(shè)置主流伺服品牌參數(shù)自整定性能對比免調(diào)試免調(diào)試功能安川是唯一具有此功能的品牌，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

9、對比-724bit3.1KHz6000rpm350%免調(diào)整功能-2編碼器：17bit頻響：500Hz轉(zhuǎn)速：5000rpm轉(zhuǎn)矩：300%-520bit1.6KHz6000rpm350%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)品性能對比A3A4A5A6編碼器分辨率17bit17bit20bit23bit速度頻響500Hz1KHz2.3KHz3.2K

10、Hz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(shí)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A4A5A6MSM 1KW4.5kg3.5kg2.8kgMSM 2KW6.5kg5.3kg5.6kgMDM 1KW6.8kg5.2kg4.6kgMDM 2KW10.6kg8.0kg6.9kg25/45三、機(jī)械諧振抑制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀A(yù)RFNTF26/45伺服驅(qū)動(dòng)核心技術(shù)研究現(xiàn)狀27/45品牌最新系列

11、-7MR-J4A6IP620簡單調(diào)諧機(jī)械共振抑制5個(gè)50-5000kHz陷波濾波器5個(gè)10-4.25kHz陷波濾波器5個(gè)50-5kHz陷波濾波器4個(gè)50-4kHz陷波濾波器末端振動(dòng)抑制2個(gè)1-100Hz濾波器2個(gè)1-100Hz濾波器4個(gè)1-200Hz濾波器1個(gè)1-100Hz濾波器瞬時(shí)速度觀測外部擾動(dòng)觀測器間隙補(bǔ)償功能各品牌機(jī)械諧振抑制功能對比28/45機(jī)械振動(dòng)抑制末端抖動(dòng)抑制定位末端抖振與機(jī)械諧振的抑制效果四、安全性能指標(biāo)伺服驅(qū)動(dòng)核心技術(shù)研究現(xiàn)狀安全轉(zhuǎn)矩截止 (STO)當(dāng)發(fā)生安全動(dòng)作要求時(shí)，切斷功率部分電源，使電動(dòng)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(dòng)機(jī)減速停車功能，

12、一定延時(shí)后引發(fā)安全轉(zhuǎn)矩截止功能，從而使驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)速度達(dá)到某一限定值時(shí)，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)減速功能，在電動(dòng)機(jī)靜止或指定的延時(shí)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(dòng)控制 (SBC)提供一個(gè)安全輸出信號用來控制外部的制動(dòng)設(shè)備安全速度監(jiān)視 (SSM)輸出一個(gè)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29/45品牌最新型號S110V90-7J4A6IS620STOSS1SS2SLSSBCSSM各品牌伺服驅(qū)動(dòng)器安全功能對比（注：“”表示需要外接安全

13、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(dòng)控制與電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)軌跡控制精度的提高與振動(dòng)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(dòng)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(dòng)控制與電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的融合現(xiàn)階段網(wǎng)

14、絡(luò)化結(jié)構(gòu)驅(qū)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(dòng)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)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(shí)，運(yùn)動(dòng)控制整體性能也將得到極大地提升33/45寬禁帶半導(dǎo)體器件在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器當(dāng)中的應(yīng)用電力電子系統(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)(1000)熱導(dǎo)率 (W/cm.)禁帶寬度(eV)電場強(qiáng)度(MV/cm)電子飽和遷移率(107cm/s)SiGaNSiC寬禁帶半導(dǎo)體器件性能優(yōu)越且應(yīng)用廣泛，具有劃時(shí)代的意義！寬禁帶半導(dǎo)體材料的優(yōu)

15、勢：優(yōu)越的動(dòng)態(tài)性能高溫高頻高功率密度高效率高穩(wěn)定性可靠性(SOA)小體積低成本35/45寬禁帶半導(dǎo)體器件在電機(jī)驅(qū)動(dòng)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40%以上，且電機(jī)的整體控制效率可高達(dá)95%未來五年將是寬禁帶新型功率器件相關(guān)產(chǎn)業(yè)的上升期，研究基于寬禁帶器件的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有利于搶占未來市場的先機(jī)、取得技術(shù)引領(lǐng)地位基于650V GaN HEMTs的三相逆變器裝置帶有DBM驅(qū)動(dòng)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(dòng)性負(fù)載擾動(dòng)振動(dòng)抑制在線慣量辨識(shí)自動(dòng)匹配適當(dāng)控制剛度位置指令前饋提高隨動(dòng)性負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測前饋?zhàn)饔锰岣呖箶_性軸矩?cái)_動(dòng)觀測負(fù)反饋抑制諧振37/4

16、5編碼器技術(shù)及其測試標(biāo)準(zhǔn)系列化高精度、高分辨率和高可靠性商用編碼器編碼器性能檢測國家標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)與平臺(tái)全閉環(huán)伺服無(低分辨率)碼盤伺服驅(qū)動(dòng)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)備視覺檢測設(shè)備38/45高頻注入方式下提升穩(wěn)態(tài)精度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力工件臺(tái)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和其所引起估算電機(jī)轉(zhuǎn)角動(dòng)態(tài)誤差的關(guān)系研究全閉環(huán)條件下極限環(huán)振蕩機(jī)理、振動(dòng)抑制研究簡易化全閉環(huán)伺服技術(shù)需求39/45全閉環(huán)伺服無(低分辨率)碼盤伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)智能執(zhí)行器傳動(dòng)鏈參數(shù)辨識(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與機(jī)械參數(shù)辨識(shí)的流程圖服務(wù)于控制器參數(shù)或結(jié)構(gòu)優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)： 基于DSP的雙慣量參數(shù)辨識(shí)算法 基于參數(shù)辨識(shí)，結(jié)合參數(shù)法與規(guī)則 法得到最優(yōu)控制器參數(shù)整定結(jié)果 針對雙慣量系統(tǒng)設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋觀測 器， 改善控制性能41/45電氣法傳動(dòng)鏈故障診斷優(yōu)勢： 無需額外安裝傳感器，成本低 電信號受工業(yè)現(xiàn)場背景噪聲影響小 可實(shí)現(xiàn)無損及遠(yuǎn)程故障診斷數(shù)控機(jī)床電動(dòng)車風(fēng)力發(fā)電船舶動(dòng)力裝置智能