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交流伺服系統的發展狀況

交流伺服系統的相關技術,壹直隨著用戶的需求而不斷發展。電動機、驅動、傳感和控制技術等關聯技術的不斷變化、造就了各種各樣的配置。就電動機而言,可以采用盤式電機、無鐵芯電機、直線電機、外轉子電機等,驅動器可以采用各種功率電子元件,傳感和反饋裝置可以是不同精度、性能的編碼器、旋變和霍爾元件甚至是無傳感器技術,控制技術從采用單片機開始,壹直到采用高性能DSP和各種可編程模塊,以及現代控制理論的實用化等等。我們從2005年11月在德國紐倫堡舉辦的SPS/IPC/Drives展覽上可以看到世界範圍內電氣驅動、運動控制和相關軟件的最新情況,其中交流伺服產品的亮點很多,代表了當前的國際水平。這裏僅僅摘錄幾條,相對應的,國內廠商的研發動向也對比進行說明。

貝加萊(B&R)工業自動化公司推出的AcoposMulti驅動系統采用模塊化的可擴展結構,每個軸模塊可以提供1到2個伺服軸控制,並集成了壹個24VDC的輔助電源模塊,為驅動器、控制器和外圍設備提供了壹個到直流總線的鏈接,來獲得開路、短路和過載保護。其他特性包括通過空氣,油或水進行冷卻的模塊化設計,通過壹個能量再生系統確保環境的安全性。在國內,我們還沒有看到有廠商進行類似的模塊式設計,並在產品中融入機器安全概念。

艾默生控制技術(Emerson Control Techniques)公司展出了Unidrive及其他交、直流驅動器產品。Unidrive 驅動器覆蓋功率範圍從0.55~675kW,變換不同的控制軟件可以驅動異步電機、永磁同步伺服電機和無刷直流電機。額定輸出功率為0.25~11kW的Varmeca型集成可變速度電機與可變速度驅動器(VSD),具有閉環矢量與分布式 (Proxdrive)兩個版本。值得註意的是適合在潛在爆燃性氣體中工作的VSD系統 (ATEX)。而額定輸出功率為 0.55~400kW的FLSD驅動器,則據稱能在ⅡB類或ⅡC區1類2分類氣體中工作。相對應的,國內伺服驅動器廠商的產品功率範圍多在10KW以下,而且沒有特殊防護等級的商品化產品面世,這方面國內外的差距很大,也是未來國內伺服廠商差異化競爭的方向。

Rockwell Automation公司展出了PowerFlex驅動技術。PowerFlex的發展路線圖顯示,將於2006~07年出現的“公***工業協議(CIP)運動應用協議”,有望無縫同步在同壹系統中運行的多軸伺服與變頻驅動器中。在適合運動控制的工業協議方面,我們還看到Beckhoff的EtherCAT,B&R的PowerLink,Danaher下面的MEI開發的SynqNet,Siemens的ProfiNet,還有久負盛名的Sercos已經發展到SercosⅢ。這些通訊協議都為多軸實時同步控制提供了可能性,也被壹些高端伺服驅動器集成進去。在國內,甚至CAN這樣的中低端總線也沒有變成伺服驅動器的標準配置,采用高性能實時現場總線的商品化驅動器還沒有出現。這壹方面是因為我們的伺服基本性能還沒有達到相應的水準,另壹方面也是因為市場還沒有發育到這個程度。可喜的是,我們已經看到壹些單位進行了有益的研發實踐,壹方面消化國外的先進技術,壹方面嘗試推出自己的總線標準。和利時電機預計在自己的下壹代伺服產品中集成多種可選的通訊模塊,其中包括CAN、USB、Fireware和Sercos,還有和利時電機和北航聯合開發的CANsmc(用於多軸同步運動控制的總線),基於藍牙無線通訊的模塊也在研發中。中科院沈陽高檔數控研發中心等個別單位也研發了自己的運動控制總線協議。

施奈德電氣(Schneider Electric)這次展出的Lexium 05型伺服控制器具有和VFD變頻器壹樣外形,目標是低成本應用。實際上,利用變頻器的批量生產能力推出低端伺服,已經成為壹些廠商的競爭手段。該公司旗下的Berger Lahr品牌在其展臺上隨處可見。其智能、集成電機與控制器產品 (Icla) 主要有以下三個電機版本:步進電機、交流伺服電機與三相無刷直流電機。Icla(來源於“集成、閉環、執行器”的首字母縮寫)將電機、位置控制、功率電子與反饋集成在壹個緊湊單元中。這種壹體化設計的思路在美國的Animatics等公司身上也體現得很明顯,來自德國的AMK公司也有類似的產品。這是真正的機電壹體化產品,為設計者帶來了壹系列的工程挑戰,包括電磁兼容、熱控制、元器件小型化、特殊的結構設計等。在國內,沒有見到有廠商推出自主知識產權的產品。

包米勒(Baumuller)公司提供的帶集成行星齒輪傳動系的高性能伺服電機,擁有高達98%的效率和很低的噪音;直接驅動型高力矩伺服電機,可以在100~300rpm範圍內輸出13500Nm。在國內,我們看到和利時電機公司在其海豚系列低壓無刷伺服電機系列中提供了類似的帶集成行星齒輪減速器的產品,深圳步進也宣稱可以提供帶減速器的步進化伺服電機。在直接驅動力矩電機市場,成都精密電機廠可以提供定制化的電機組件,但是需要客戶另外加裝反饋裝置和第三方驅動器。

安川電機歐洲公司(Yaskawa Electric Europe,YEE)展出了其廣受歡迎的通用Sigma Ⅱ型伺服電機。YEE的其他進展包括正在開發中的額定功率0.5~5kW防爆及遵循ATEX標準的交流伺服電機。安川公司的另壹項開發成果是輸出功率高達500 kW的高功率伺服電機。該項目的商品化預計將於2007年完成。從中我們可以看到國際大廠向專用化、大型化伺服發展的動向。 中國從1970年代開始跟蹤開發交流伺服技術,主要研究力量集中在高等院校和科研單位,以軍工、宇航衛星為主要應用方向,不考慮成本因素。主要研究機構是北京機床所、西安微電機研究所、中科院沈陽自動化所等。80年代之後開始進入工業領域,直到2000年,國產伺服停留在小批量、高價格、應用面狹窄的狀態,技術水平和可靠性難以滿足工業需要。2000年之後,隨著中國變成世界工廠、制造業的快速發展為交流伺服提供了越來越大的市場空間,國內幾家單位開始推出自己品牌的交流伺服產品。目前國內主要的伺服品牌或廠家有森創(和利時電機)、華中數控、廣數、南京埃斯頓、蘭州電機廠等。其中華中數控、廣數等主要集中在數控機床領域。