以电动机为基础的电气传动技术诞生于19世纪上半叶,迄今已有近200年的历史。由于它具有使用、控制、传输、储存方便等优点,在人类生产、生活的各个方面都得到了广泛的应用。现在,它已经成为包括锻压机床在内的各种机械装备的主要传动方式。
电气传动分直流和交流两大类。由于直流传动具有优越的调速性能,直到20世纪上半叶,高性能可调速传动均采用直流电动机。而占电气传动总量80%以上的一般传动则采用交流电动机,不能调速,绝大部分锻压机械都属于这一类。“直流调速,交流不调速”成了一种普遍的格局。尽管直流调速有许多优越性,但长期受技术的限制,一直采用机械(电刷)换向,存在换向器寿命低、有换向火花、造价高等问题,电动机容量、速度及应用场合均受到了一定限制,例如,其极限容量-速度积仅为10 6 kW·r/min。
20世纪60~70年代,随着电力电子技术的发展,特别是大规模集成电路和计算机控制技术的出现,产生了高性能交流调速系统。它克服了直流调速系统的缺点,达到了直流调速同样的性能,且在价格和工作可靠性方面大大优于直流调速。交流调速在近40年来得到了迅速发展,已经取代了直流调速系统,成为电气传动的主要发展方向。据统计,在21世纪初,世界可调电气传动产品中,交流传动已经占到2/3以上,目前更占绝对优势。
交流伺服驱动技术发展的基础在于近些年来大功率交流伺服电动机、电力电子器件、交流伺服控制理论与技术,以及微型计算机控制等方面的突破。
1.大功率交流伺服电动机的开发
电动机按照用途可分为两种:驱动电动机和控制电动机。驱动电动机作为机械装备中的动力源,其功能是将电能转换为机械能,为机械装备提供动力;控制电动机通常作为自动控制系统中的执行元件,其主要功能是完成控制信号的传递和转换,功率一般只有数百瓦。伺服电动机传统上仅是控制电动机的一种,作为伺服系统中的电动机,它至少要满足三个条件:①转动惯量小,具有良好的动态性能;②具有良好的控制性能,可以实现电磁制动;③转矩大,转矩脉动小。
随着技术的发展,近些年出现了大功率交流伺服驱动电动机,它兼具驱动电动机和控制电动机的特征:驱动力矩大、功率大,可作为机械装备主传动的动力源,转角、速度、力矩等参数可按要求进行实时控制。
交流伺服传动大致分为异步和同步两种。
1983年,美国和日本学者分别发明了具有超强磁力的稀土永磁合金,新一代永磁同步电动机问世。稀土永磁同步电动机具有体积小、功率密度大、动态性能好、效率高、调速范围宽等一系列优点,得到了迅速发展和广泛的应用,已经成为伺服驱动系统的主流之选。目前,调速同步电动机的容量达到了10 MW,商品化的永磁同步伺服电动机单机容量已经超过了500kW,力矩伺服电动机的输出转矩超过了10kN·m。
2.交流电动机控制驱动理论与技术的发展
变流技术的发明以及变频技术的出现,为交流伺服驱动奠定了基础。1971年,德国学者Blaschke提出了交流电动机的矢量控制理论,通过坐标变换,将交流电动机定子的电流分解为转矩分量和励磁分量,从而可以分别控制转矩和磁通,获得与直流电动机相仿的高动态性能。这一理论对于交流伺服传动的发展具有划时代的意义。1985年,德国M.Depeubrock进一步提出了直接转矩控制理论,直接控制定子磁链和电磁转矩,简化了控制系统,提高了系统快速响应能力,拓宽了矢量控制理论,促进了电动机现代控制技术的进一步发展。
3.电力电子器件等硬件技术的发展
进入20世纪80年代,大规模和超大规模集成电路技术迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术和高压大电流技术有机结合,经过四代的发展,出现了一批全新的全控型功率器件。新型器件的发展不但为交流电动机的变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备高效、节能、节材,实现小型轻量化、机电一体化和智能化提供了重要的技术基础,促进了大功率交流伺服驱动技术的实现和推广,为在锻压装备领域采用交流伺服驱动提供了可能。目前,采用新型器件制造的变频器容量已经超过了10 MW。
4.微型计算机控制技术的迅速发展和广泛应用
近三十多年来由于微型计算机控制技术,特别是以单片机及数字信号处理器(DSP)为核心的控制技术的发展,促使数字控制迅速取代模拟控制,在交流调速中广泛应用。数字化使控制器的处理速度和能力大幅提高,使矢量控制中的坐标变换、解耦等复杂运算得以实现。同时,微型计算机控制技术的应用还大大提高了系统的可靠性和适应性,降低了变频器的成本并缩小了体积,以微处理器为核心的数字控制已经成为现代交流调速系统的主要特征之一。
调速和伺服应是两个具有联系的不同术语。电动机调速指调节、改变电动机速度,而伺服(servo)则是一个音译和意译相结合的外来词,有跟随、服从的意思,伺服控制指控制对象可以按照任意的输入信号要求而动作,驱动装置输出的转矩、速度和位置都能得到灵活方便的控制。可以简单地理解为:普通的调速只是一种最简单的伺服传动,如一般鼓风机、水泵电动机的调速;伺服传动则是一种高级的调速,这种调速是实时连续地进行的。也有学者简单地将伺服系统定义为能实现机械位移控制的系统,而将仅能实现电动机转速控制的系统称为传动系统。
如前所述,长期以来,交流伺服电动机仅仅作为执行元件应用于伺服控制系统,功率不超过1 kW。大功率交流伺服电动机及其驱动控制装置的出现,使这一技术得以应用于机械装备的主传动,成为交流伺服驱动系统。
数控机床是最早采用伺服驱动技术的机械装备之一,其驱动系统包括主轴和进给系统的驱动两种不同类型。数控机床进给系统是典型的伺服控制系统,它需要有定位和轮廓跟踪功能,调速范围大,动态响应快,早期多采用步进电动机或直流伺服电动机,目前多被交流伺服驱动取代。数控机床的主轴,一般仅需速度控制,多采用感应电动机,仅当有更高要求时,才采用永磁同步电动机和相应的控制器,可以获得速度、位置和转矩控制。
目前,不仅金属切削机床广泛应用交流伺服驱动为主传动,而且高铁、电动汽车甚至船舶动力也在采用。但直至20世纪末,日本等发达国家才开始将交流伺服驱动技术应用于锻压机械的研究和产品开发,其主要原因是锻压机械对驱动的要求较一般的数控切削机床更高:不仅锻压机械所需转矩远超一般切削机床的驱动电动机,而且其控制性能亦超过一般的主轴驱动系统,既有运动学方面的控制要求(速度和位置控制),又有动力学方面的控制要求(转矩控制)。
交流伺服驱动在锻压机械方面的应用研究经过近二十余年的发展,取得了可喜的进展。与传统异步电动机驱动相比,这种交流伺服驱动有以下特点:①工作特性(速度和转矩等)可以任意调节、实时控制,其工作性能还可以通过矢量控制、直接转矩控制等方法进一步提高;②可以频繁起停、正反转;③电动机可以在一定时间内实现带转矩堵转,实现滑块静止保压;④可以方便地实现电磁制动,从而实现制动减速能量的回收;⑤通过变频来调速,性能好、效率高、能量损耗小。