现代交流伺服系统技术动向与应用趋势

众所周知,以永磁无刷交流伺服电机和交流伺服驱动器构成的交流伺服系统已经成为现代运动控制系统的核心,成为各类高技术智能化装备的基础性、关键性部件。

众所周知,以永磁无刷交流伺服电机和交流伺服驱动器构成的交流伺服系统已经成为现代运动控制系统的核心,成为各类高技术智能化装备的基础性、关键性部件。世界主要发达国家均有一批出色的交流伺服系统产品公司,他们推出的产品不断刷新着性能和功能性标杆,并在长期的研发应用实践中形成了各自的特色和风格。总的来说,软件、电子、通信和半导体技术的快速发展直接推动了交流伺服系统的换代,导致新产品换代周期从本世纪初时的5年左右缩短到2~3年。本文试图站在系统的角度,但更多从驱动器的角度,对现代交流伺服系统的研发设计动向和应用趋势做简要扫描。

1、 性能

交流伺服系统的关键性能指标永远都是先进性比较的首要因素。在下面这些指标中,不同的应用有着不同的考核重点,如位置分辨率,精度(速度,位置),动态响应(速度,力矩),转矩脉动,调速范围,过载能力,速度环带宽,负载惯量适应性,电机参数适用性等。国外先进伺服系统已经能够很好地适应绝大多数行业应用的需求,但国内厂家仍在这方面有着较长的路要走。国外主流产品的核心指标大致为:位置分辨率达到百万线/转,过载3倍~5倍,速度环带宽1KHz~3KHz,调速范围超过1:10万,惯量比20~200。

围绕性能指标,可以谈的内容很多,远非一篇短文可以覆盖。单单一个带宽问题,其定义和测量方法就存在很多争议。各个厂家的指标相差很大。要真正做横向比较,需要统一的定义,在一致的测试环境和测试方法下进行。所以,尽管性能很重要,我们也不把它作为本文讨论的重点,而是试图展现现代交流伺服系统多姿多彩的其他侧面。

2、 功能

功能性方面的变化是产品形成差异化的重要方式,随着核心处理芯片和软件能力的提高,现代交流伺服系统普遍在人机工程、安全性、智能性等方面增加特色。和通常需要很多参数设定的传统多功能、通用化产品相比,最大限度地简化操作,用智能化软件提高易用性,追求简洁的外观和简洁的操作界面,成为一种潮流。可以预见,下一代伺服系统将提供类似互联网和移动智能终端带给我们的卓越体验。在接口功能方面,常规的脉冲串和模拟量接口将逐步消失,代之以数字化串行网络接口,RS485/Modbus已经淡出,CAN总线成为中低端标准接口,其他各种现场总线将逐渐为高性能工业以太网取代。对各种第三方编码器的支持也是必须的,比如Hyperface、Endat、Sin/Cos接口,单圈、多圈绝对值编码器。驱动器内置的保护功能将更加完善,对内部电气应力和热应力的测量也不再仅仅用于关键时刻的保护,而更多用于预测性维护、诊断和功能安全用途,以最大限度减少停机时间,提高生产率。不少欧系驱动器早已集成了各种运动控制功能,如电子凸轮,使得数控机械的开发者可以快速配置参数实现复杂的运动控制功能。

3、 安全

安全和能效是当今自动化世界的主题,在自动化多层次结构中,无论是传感器、I/O、控制器还是总线,都在将分离的安全逻辑集成进来,构成安全集成自动化系统。这里的安全对应safety,包括机械,电气和功能安全。传统上,电机和驱动开发者比较重视机械安全和电气安全,以保障人身和设备资产的安全。但近年来,以电子和软件为核心的功能安全越发得到应用,安全集成驱动已经成为国外先进伺服系统的标准配置,区别只是集成了多少个安全功能,以及是否可选。因为安全性往往是强制要求,围绕安全也有着一系列的国际国内标准需要我们熟悉。关于安全驱动的例子可以在西门子、Lenze、包米乐等公司产品上见到。最近日本公司的个别产品也开始提供基本的安全功能比如安全转矩截止(STO)。对大多数国内厂商来说,安全似乎还没有提上日程,但是率先发力的公司将赢得理念和市场的领先。

图一:三种典型的安全功能示意

4、 能效

作为自动化的另外一个主题,能效已经不是一种参考,而是必须不断得到提高的关键指标了。其中电机本体的高效化早已被大家所熟识,永磁电机作为高效电机的代表不仅在伺服系统中,而且在调速节能场合得到广泛应用。但一系列研究告诉我们,采用高效部件固然重要,但系统级能效优化更加重要。现代工业网络已经可以在控制信息流中集成能效管理指令,交流伺服驱动器应有能力随着整机和系统的工作状态不同(比如轻载还是重载、临时性停车还是计划性停车等)而调整自己的状态,进而进入不同的节能模式。新一代工业以太网都已经具备了能效管理方面的协议,比如SercosIII和ProfiNet,为开发具有能效管理能力的交流伺服系统提供了条件,但这方面的产品即便在国外也较少。我们认为如果国内厂商及早取得技术突破,能效或可成为和国外产品竞争的少数技术领域之一。

如果机械装备采用了多个驱动轴,无论是伺服还是变频,而且他们有着不同的加减速运动规律,那么共直流母线是一种很好的节能方案。我们可以把处于减速制动状态的电机的再生能量通过母线传递给其他处于加速状态的电机,从而减少了对电网功率的吸收。并联型驱动在欧洲厂家产品上经常见到,而日本厂家多为单轴型驱动,只安川和发那科等为机床应用开发了并联型驱动。对国内厂商,迄今为止,我们只是在北京清能德创的产品上看到了清晰的并联结构和系统能效管理的理念,个别数控系统开发商也自行开发了直流母线并联型驱动器,但仅限于给自己的系统配套。

5、 网络

交流伺服系统具有某种网络能力已经成为标配。低速串行网络如485和Modbus适用于离线参数配置和软件编程。中速现场总线如CAN、DP可以用于多轴实时控制的指令给定,但只有高速实时工业以太网能够完成高速高精度的多轴、同步、实时控制,比如日趋流行的EtherCAT/SercosIII/PowerLink等。德国公司Beckhoff推出的EtherCAT近年来发展势头迅猛,成为大多数高性能驱动系统首选的网络标准。国际品牌驱动器普遍采用了高速工业以太网,同时支持多种现场总线,典型公司如EmersonCT、Lenze等。国内驱动器厂家研究的多,但仅仅个别厂家推出商品化的产品,比如上海鸣志,北京清能德创,深圳大族电机,深圳步科

6、 智能

智能化特性的逐步增加体现了软件工程和控制理论发展的结果。其中对电流环采取的各种优化控制策略对保障稳态精度和动态响应的平衡至关重要;自动增益调整、在线惯量辨识、在线电机参数辨识功能有助于减小现场调试难度、增强伺服系统对环境和电机参数时变的适应性;自动振动抑制和软件陷波滤波器的设置可减弱甚至消除整个机械传动链的谐振和抖动,提供静音、平滑、高精度的运行效果;故障自诊断和可预测性维护特性可有效减少维护成本,提高系统可用性。对运动控制功能的集成将伺服驱动器提升到所谓的智能伺服控制器的层次,可简化运动控制系统设计,提升控制性能。

在智能化方面,欧洲和日本厂家呈现出不同的风格。欧洲更加倾向于集成各种运动控制功能,以满足行业客户各种加工工艺的要求,典型如Lenze的Lforce系列。还有一种趋向是采用PC-based上位控制器来完成运动控制功能,甚至速度环和位置环也在上位机完成,而驱动器的资源聚焦于如何提供最佳的转矩环。日本厂家更倾向于在易用性上下功夫,他们希望交流伺服系统就像步进电机那么方便易用,客户不必调整很多参数,达到所谓的即插即用(Plug and Work)。三菱、安川以及最近异军突起的Omron都提供了富有特色的产品。

7、 集成

集成化和分布式是两种不同的发展方向。从横向看,将减速器、电机、编码器、驱动器、控制器、网络接口集成,所形成的一体化电机,在某些多轴分布式应用场合体现出独特性,另外,对线缆的大幅节省以及对空间的有效利用,也是一体化电机的特色。真正能够提供全面解决方案的公司不仅应该提供分体的产品,还应该提供一体化产品作为产品线有益的补充。这方面的例子是西门子、博世力士乐以及贝加莱。

从纵向看,将运动控制功能和驱动集成,甚至将多电机驱动线路和多轴运动控制、逻辑控制、HMI等要素集成,将在定制化应用场合中取得性价比优势。几年前,欧洲专门从事包装机械自动化解决方案开发的ELAU公司被施耐德收购才被更多人认识,而ELAU拥有卓越的伺服驱动技术,控制器技术,以及大量的行业Know-how。

8、 绿色

绿色、环保和可持续发展理念深刻影响着整个制造业,对伺服驱动系统来说,从设计,制造,使用,维护,回收的整个生命周期角度,对所有原材料消耗和能源消耗,对客户的生命周期成本做出优化是必要的。在生产制造过程中遵循国家和地区的环保指令已经成为国际品牌产品的强制要求。绿色化还包括减小伺服系统对电网和周边电磁环境的影响,采用能量回馈技术的有源前端将大幅度提高节能特性,功率因数校正技术将减少对电网的谐波污染,良好的EMI特性在某些敏感场合是必须的,如医疗健康领域。

9、 设计

采用先进的系统设计和架构设计理念,不断采用最先进的软件,微电子和功率电子技术,是达成上述诸多先进特性的基础。硬件模块化,软件平台化,软件硬件化的理念深入人心。采用高集成度单芯片控制方案可以极大提高系统可靠性,提升计算和控制性能。采用优化的热管理技术(热损耗控制、散热材料和通道设计)将为提升额定和峰值性能,减少体积,提高可靠性提供更大保障。采用下一代新型功率器件,如SiC和GaN,将可能把开关频率提升1~2个数量级,损耗和发热减少1~2个数量级,工作温度提高1个数量级,推动交流伺服系统进入崭新的应用领域。

一家2012年初刚刚成立的驱动技术开发公司,北京清能德创,最近推出了一个系列的高端驱动产品Cooldrive A8,在绿色、能效、安全、总线等方面为国内厂商树立了标杆。A8采用EtherCAT总线通信、模块化多轴并联、共直流母线的结构,采用有源PWM整流前端作为供电单元,其轴模块功率覆盖1~15KW,整流单元功率最大65KW。这种架构能最大限度利用每个轴的制动能量,减少向电网吸收的功率,并将多余的能量回馈到电网。内部采用功率因素校正技术和谐波消除技术,真正做到对电网的绿色无污染。这些特性对于多轴、中大功率应用场合极有价值。

图二:清能德创开发的绿色化多轴并联型伺服驱动产品

综上,随着电机设计理论,电机驱动控制技术的发展,在ICT技术的有力推动下,交流伺服系统的各项指标将持续得到提高,其应用领域将扩展到前所未有的空间。交流伺服系统将继续作为工业自动化行业中发展最快的分支,在未来相当长的时间内得到学术界、产业界的重视。

作者:

北京易能立方科技有限公司    王   健

西安微电机研究所                  莫会成

西安微电机研究所                  任   雷

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