交流永磁伺服新技术趋势

1、杨 明哈尔滨工业大学2017-02-24交流永磁伺服系统驱动技术交流永磁伺服系统驱动技术发展现状与趋势发展现状与趋势Outline二、主要应用领域对伺服系统的技术需求一、伺服系统的组成与基本结构三、伺服系统市场与技术的发展现状四、伺服系统未来技术发展方向3/45p 根据国标GB/T 16439-2009 交流伺服系统通用技术条件定义，“交流伺服系统”是由交流伺服驱动器、交流伺服电动机和传感三个部分组成。一、伺服系统的组成与基本结构运动控制技术运动控制技术信号检测技术信号检测技术驱动控制技术驱动控制技术电机本体设计电机本体设计鲁棒控制、自适应控制、鲁棒控制、自适应控制、参数自整定、预测控制、参数

2、自整定、预测控制、运动控制总线技术等运动控制总线技术等逆变器拓扑结构、逆变器拓扑结构、PWM调调制技术、电流控制策略、制技术、电流控制策略、死区等非线性因素补偿技死区等非线性因素补偿技术等术等环形磁钢设计、环形磁钢设计、斜极斜槽设计、斜极斜槽设计、无槽设计、制造无槽设计、制造工艺等工艺等位置检测、电流检测、电位置检测、电流检测、电压检测、温度检测、检测压检测、温度检测、检测延时补偿及无位置传感器延时补偿及无位置传感器驱动技术等驱动技术等伺伺服服控制器控制器功率单元功率单元负载负载反馈单元反馈单元控制指令伺服电机伺服电机4/45 Power ControlMotor DriveServo Amp

3、lifierDistributed Servo Control伺服系统的嵌套结构 伺服驱动系统由内到外，按照控制方式可以分为转矩控制系统、速度控制伺服驱动系统由内到外，按照控制方式可以分为转矩控制系统、速度控制系统、位置控制系统系统、位置控制系统(单机系统中往往简称为三环控制系统单机系统中往往简称为三环控制系统)以及基于总线以及基于总线技术的集散化、分布式伺服控制系统技术的集散化、分布式伺服控制系统5/45Outline二、主要应用领域对伺服系统的技术需求一、伺服系统的组成与基本结构三、伺服系统市场与技术的发展现状四、伺服系统未来技术发展方向6/45二、主要应用领域对伺服系统的技术需求核心功能

4、部件之一：核心功能部件之一：交流伺服系统交流伺服系统p 高档数控机床p 工业机器人通用伺服系统主轴电机伺服系统力矩电机伺服系统直线电机伺服系统通用伺服系统7/45高档数控机床对高档数控机床对通用伺服通用伺服驱动及电机技术需求驱动及电机技术需求机械谐振造成加工表面质量下降机械谐振造成加工表面质量下降传动间隙降低传动机构精度传动间隙降低传动机构精度谐振抑制谐振抑制传动间隙补偿传动间隙补偿智能化制造智能化制造远程服务远程服务自动参数配置自动参数配置网络功能网络功能8/45高档数控机床对高档数控机床对主轴主轴电机及驱动技术需求电机及驱动技术需求 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 钛合金、高温合金等材料加工钛合金、高温合金等材料加工 纳米级超精密加工纳米级超精密加工 最高转速最高转速160000r/min 最大功率最大功率325kW 回转精度回转精度0.010.05m 9/45高档数控机床对高档数控机床对力矩力矩电机技术需求电机技术需求 超低速平滑回转送进超低速平滑回转送进 精确进给精确进给 高动态响应高动态响应 额定转矩额定转矩4590Nm 转矩波动转矩波动1.0% 过载倍数过载倍数1.910/45高档数控机床对高档数控机床对直线直线电机技术需求电机技术需求 汽车、汽车、IT产业生产线产业生产线 大型、超长行程高速加工中心大型、超长行程高速加工中心 航空航天制

6、造业整体构件镂空加工航空航天制造业整体构件镂空加工 精密、复杂模具制造精密、复杂模具制造 快进快进240m/min 加速度加速度5g 0.1m定位定位11/45伺服驱动及电机适应高档数控机床关键技术伺服驱动及电机适应高档数控机床关键技术伺服驱动伺服驱动及电机及电机高档数高档数控机床控机床在线参数辨识重复定位精度控制器参数自整定高功率密度传动消隙低定位转矩、转矩波动谐振与抖动抑制直线电机控制及防护电流环带宽拓展主轴电机热及振动补偿无超调快速响应可靠性同步主轴宽恒功率调速总线接口规范直驱系统鲁棒性网络通信高速、高精度、高可靠性高速、高精度、高可靠性复合化、智能化、网络化、柔性化、绿色化复合化、智能

7、化、网络化、柔性化、绿色化12/45高性能工业机器人对伺服系统的技术需求高性能工业机器人对伺服系统的技术需求p 兼容性强p 高速、高精度响应p 多方式增强稳定性 速度自适应 位置速度前馈 实时计算惯量伺服系统伺服系统作为工业机器人三大核心功能部件之一作为工业机器人三大核心功能部件之一p 故障诊断安全保护功能13/45高性能工业机器人对伺服系统的技术需求高性能工业机器人对伺服系统的技术需求p振动抑制必须具备谐振抑制和定位末端抖动抑制等高级功能振动问题极大地振动问题极大地制约了机器人加制约了机器人加工的效率，振动工的效率，振动抑制能力是高性抑制能力是高性能机器人的重要能机器人的重要标志标志14/4

8、5伺服驱动及电机性能测试规范（新标准伺服驱动及电机性能测试规范（新标准22项）项）p 交流伺服驱动单元性能试验规范总则参数自整定机械谐振自动抑制电流环、速度环及位置环带宽p 主轴电动机性能试验规范 总则 功率密度p 伺服电动机性能试验规范 总则 齿槽力矩 过载能力p 直线电动机性能试验规范 总则 推力 定位力 推力线性度及推力系数 推力波动 初、次级磁吸力p 力矩电动机性能试验规范 总则 连续堵转电流 连续堵转转矩 峰值堵转电流 峰值堵转转矩 低速平稳性 转矩密度15/45伺服驱动及电机性能测试平台（伺服驱动及电机性能测试平台（33台套）台套）16/45Outline二、主要应用领域对伺服系统

9、的技术需求二、主要应用领域对伺服系统的技术需求一、伺服系统的组成与基本结构一、伺服系统的组成与基本结构三、伺服系统市场与技术的发展现状三、伺服系统市场与技术的发展现状四、伺服系统未来技术发展方向四、伺服系统未来技术发展方向17/45第一阶段（2011年前）从2005年以来进入高速发展时期，每年增长率超过25。在2009年由于整体经济环境不景气增速下滑，但2010年迅速回弹，增长速度超过30%，在2011年相对去年来说增速有所回落。第二阶段（2012-2014）进入12年和13年，我国GDP增长继续放缓，中国经济处于增速换挡、转型升级的关键期，并且国际市场萧条出口业务遭重创，在种种矛盾叠加之下，

10、伺服市场持续下滑第三阶段（2015-2016）2015至2016年，伺服产品业绩下滑严重，特别是2015年伺服主要应用行业机床、轮胎机械、制药机械等行业遭受大幅度下滑，导致伺服业绩受创严重。三、伺服系统市场与技术的发展现状18/452015年伺服市场统计情况年伺服市场统计情况19/4519/2352015年伺服市场统计情况年伺服市场统计情况一、基本性能指标一、基本性能指标伺服驱伺服驱动核心技术研究现状术研究现状以1马力（750W）通用伺服系统为例：最高转速：6000rpm（额定转速2倍）最大转矩：3.5倍额定转矩码盘分辨率：24Bit定位精度：1.2纳米（导程20mm滚珠丝杠）响应速度：速度环

11、3.1kHzn 日系：安川、三菱、松下、富士、三洋等n 欧系：西门子、博世力士乐、伦茨、elmo等n 国产：台达、汇川、新时达、广数、和利时、英威腾等21/45二、控制器参数自整定技术二、控制器参数自整定技术+=伺服驱伺服驱动核心技术研究现状术研究现状参数自整定性能是衡量高档伺服系统水平的最显著标志品牌品牌最新产品V90-7J4A6IS620惯量辨识*在线离线在线在线离线参数更新非实时非实时非实时非实时实时实时实时实时非实时非实时整定刚度HardHardSoftSoftSoft人为设置主流伺服品牌参数自整定性能对比主流伺服品牌参数自整定性能对比免调试免调试免调试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，用户无需设置任何参数，但用户也完全不知其如何发挥作用安川系列产品性能对比安川系列产品性能对比24bit3.1KHz6000rpm350%免调整功能编码器：17bit频响：500Hz转速：5000rpm转矩：300%20bit1.6KHz6000rpm350%三菱系列产品性能对比三菱系列产品性能对比 J2J3J4JE编码器分辨率17bit18bit24bit17bit速度响应550Hz2.1KHz2.5KHz2.0KHz最大转速(rpm)5000600060005000最大转矩300%300%350%300%耐环境性能IP65IP65IP67IP6725/49松下系列产品

13、性能对比松下系列产品性能对比A3A4A5A6编 码 器分辨率17bit17bit20bit23bit速度频响500Hz1KHz2.3KHz3.2KHz最大转速(rpm)5000500060006500最大转矩300%300%300%350%耐环境性能IP65IP65IP67IP67体积减小，质量减轻，并提升了最高转矩、转速;提高响应性，缩短调整时间;提高了整定性能，使调谐趋于简单便利;提高了扩展性，增加指令形式，扩充匹配的电机种类.发展趋势: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、机械谐振抑制技术发展现状三、机械谐振抑制技术发展现状 212131212eJ sKGsTJ J sJJKs 2231212eKGsTJ J sJJKs 2212KGsJ sKARFNTF212111122ARNTKffKJJJ26/45伺服驱伺服驱动核心技术研究现状术研究现状27/45品牌最新系列最新系列-7MR-J4A6IP620简单调谐机械共振抑制5个50-5000kHz陷波滤波器5个10-4.25kHz陷波滤波器5个50-5kHz陷波滤波器4个50-4kHz陷波滤波器末端振动抑制2个1-100Hz滤波器2个1-100Hz滤波器4个

15、1-200Hz滤波器1个1-100Hz滤波器瞬时速度观测外部扰动观测器间隙补偿功能各各品牌机械谐振抑制功能对比品牌机械谐振抑制功能对比28/45机械振动抑制末端抖动抑制定位末端抖振与机械谐振定位末端抖振与机械谐振的的抑制效果抑制效果四、安全性能指标四、安全性能指标伺服驱伺服驱动核心技术研究现状术研究现状安全转矩截止 (STO)当发生安全动作要求时，切断功率部分电源，使电动机平稳过渡到停止状态，确保人身安全安全停车1 (SS1)激活电动机减速停车功能，一定延时后引发安全转矩截止功能，从而使驱动安全停车安全运行停车(SOS)防止电机偏离预定的安全停止位置过远安全停车2 (SS2)电动机速度达到某一

16、限定值时，启动电动机减速功能，在电动机静止或指定的延时后引发SOS功能安全速度限制 (SLS)防止电机超出特定的速度限值安全制动控制 (SBC)提供一个安全输出信号用来控制外部的制动设备安全速度监视 (SSM)输出一个安全信号指示电机速度是否低于特定限值IEC 61800-5-2定义的伺服单元主要安全功能定义的伺服单元主要安全功能29/45品牌最新型号S110V90-7J4A6IS620STOSS1SS2SLSSBCSSM各品牌伺服驱动器安全功能对比各品牌伺服驱动器安全功能对比（注：“”表示需要外接安全模块来实现此功能）30/45Outline二、主要应用领域对伺服系统的技术需求一、伺服系统的

17、组成与基本结构三、伺服系统市场与技术的发展现状四、伺服系统未来技术发展方向32/45驱-控一体化技术上位机运动控制与电机驱动控制技术的融合上位机运动控制与电机驱动控制技术的融合FPGA+ARM目前主流的控制器双核结构安川SigmaVII多核一体控制器FPGA ARM + 保持FPGA+ARM的运算优势； 内部总线，避免复杂外部接线，并且具有超高的通信速度； 有利于多轴运动轨迹控制精度的提高与振动抑制能力的提升 有效地降低体积与成本多核一体控制芯片在伺服驱动器上的优势32/4333/45驱-控一体化技术上位机运动控制与电机驱动控制技术的融合上位机运动控制与电机驱动控制技术的融合现阶段网络化结构驱

18、控一体化技术结构随着多核芯片能力的提升，将伺服驱动技术、运动控制技术一体化集成在底层嵌入式系统当中，可极大地降低系统集成复杂性、成本与体积；并且由于克服了总线通讯的延时，运动控制整体性能也将得到极大地提升33/45宽禁带半导体器件宽禁带半导体器件在电机驱动器当中的应用在电机驱动器当中的应用p电力电子系统性能全面提升： 禁带宽度(3Si) 高击穿场强(10Si) 高温可靠性(SiC 600) 高开关频率(10Si)高压领域高频场合高温应用熔点熔点(1000)热导率热导率 (W/cm.)禁带宽度禁带宽度(eV)电场强度电场强度(MV/cm)电子饱和迁移率电子饱和迁移率(107cm/s)SiGaNS

19、iC宽禁带半导体器件性能优越且应用广泛，具有划时代的意义！p宽禁带半导体材料的优势：优越的动态性能优越的动态性能高温高频高温高频高功率密度高功率密度高效率高效率高稳定性可靠性高稳定性可靠性(SOA)小体积低成本小体积低成本35/45宽禁带半导体器件宽禁带半导体器件在电机驱动器当中的应用在电机驱动器当中的应用安川公司的研究人员使用绕组切换技术和SiC器件尺寸减少了尺寸减少了40%以上，且电机的整体控以上，且电机的整体控制效率可高达制效率可高达95%未来五年将是宽禁带新型功率器件相关产业未来五年将是宽禁带新型功率器件相关产业的上升期，研究基的上升期，研究基于于宽禁带宽禁带器器件件的电的电机驱动机驱

20、动系统，有利于抢占未来市场的先机、取得技系统，有利于抢占未来市场的先机、取得技术引领地术引领地位位基于650V GaN HEMTs的三相逆变器装置带有DBM驱动的逆变电路结构图36/45参数免调试技术 刚度设置 随动性 负载扰动 振动抑制p 在线惯量辨识自动匹配适当控制刚度p 位置指令前馈提高随动性p 负载转矩观测前馈作用提高抗扰性p 轴矩扰动观测负反馈抑制谐振37/45编码器技术及其测试标准p系列化高精度、高分辨率和高可靠性商用编码器p编码器性能检测国家标准、技术与平台全闭环伺服无(低分辨率)码盘伺服驱动技术简易化全闭环优势： 具有很好的位置控制精度 易维护、更好的环境适应性 低成本，电机轴端不需要安装高精度码盘家电数控机床激光加工设备视觉检