关于发展我国伺服驱动产业的探讨

时间:2019-03-13 12:27:19 来源:线上斗牛网站 作者:匿名


作为数控机床的重要功能组件,伺服驱动装置的特性一直是影响数控机床加工性能的重要指标。近年来,围绕伺服驱动器的动态和静态特性的改进,已经在国内外开发了各种伺服驱动技术。可以预见,随着高速切削,超精密加工和网络制造等先进技术的发展,具有网络接口,线性伺服系统和高速电主轴的全数字交流伺服驱动系统已成为机床工业的重点,成为伺服驱动器。系统的发展方向。

1.交流永磁同步伺服驱动装置

伺服驱动技术经过三个阶段:直流伺服,直流无刷伺服和交流永磁同步伺服驱动。随着现代制造业大规模生产加工设备的高速,高精度和高效率要求,交流永磁同步伺服驱动器具有高响应和免维护(无碳刷,换向器等磨损部件)高可靠性和其他特性。它采用微处理技术,大功率高性能半导体功率器件技术,电机永磁材料制造工艺,具有更好的性价比,已成为工业领域自动化的基础技术之一。

从2005年德国汉诺威工业博览会,我们可以看到伺服驱动器的两个趋势:

完全数字化

全数字化是未来伺服驱动技术发展的必然趋势。全数字化不仅包括伺服驱动器内部控制的数字化,还包括伺服驱动器到CNC系统接口的数字化,还应包括测量单元的数字化。因此,伺服驱动单元的内部三回路,现场总线连接接口以及从编码器到伺服驱动器的数字连接接口的完全数字化是完全数字化的重要标志。

随着微电子制造工艺的改进,使用新的高速微处理器,尤其是数字信号处理器-DSP技术,使得计算速度在几何级数上增加。伺服驱动器内部的三回路控制(位置环/速度环/电流环)的数字化是确保伺服驱动器的高响应,高性能和高可靠性的重要先决条件。伺服驱动器的所有控制操作均可通过其内部DSP完成,满足伺服环路高速实时控制的要求。有些产品还将电机控制的外围电路与DSP内核集成在一起。实现了一些新的控制算法,如速度前馈,加速度前馈,低通滤波和垂度滤波。伺服驱动器传统的模拟控制接口容易受到外部信号的干扰,传输距离短。在中国广泛应用于伺服驱动设备的脉冲控制接口不是真正意义上的数字接口。该接口受脉冲频率的限制,不能满足高速,高精度控制的要求。使用现场总线的数字控制接口是伺服驱动器实现高速和高精度控制的必要条件。因此,近年来,国外公司纷纷推出自己的数字接口协议和标准,如日本FANUC公司推出串行伺服总线(FSSB),德国西门子公司推出Profibus-DP总线,日本三菱推出CC-link总线,德国施乐公司推出了SERCOS总线。

全数字化已经扩展到测量单元接口的数字化。海德汉将各种类型编码器的细分功能(如绝对编码器,增量编码器和正弦编码器和余弦编码器)组合到EnDae 2.2编码器连接协议中。细分过程在编码器内完成,然后通过数字接口连接到伺服驱动器。这真的是全数字的。

2.高性能

性能高精度,高动态响应,高刚性,高过载能力,高可靠性,高电磁兼容性,高电网适应性和高性价比。

在2005年汉诺威工业博览会上,日本的FANUC推出了HRV4伺服控制技术。伺服HRV4继承并进一步发展HRV3的优势。它具有以下特点:使用纳米级位置指令,16M /revαi高分辨率脉冲编码器可实现纳精度伺服控制; HRV4超高速伺服控制处理器可控制电机速度高达60000r/min; HRV4控制算法可将伺服电机的最大控制电流降低50%,并将电机热量降低17%。因此,伺服驱动器可以获得更多。高刚性和过载能力。

公司正在更加关注伺服系统的动态特性。例如,在2005年汉诺威展览会上,海德汉展示了不同分辨率编码器对转矩脉动的影响,揭示了编码器分辨率的提高以及伺服驱动器的转矩脉动可以大大降低。电子技术的发展将伺服系统主电路功率元件的开关频率从2 kHz提高到5 kHz,并采用了先进的器件,如高功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)和智能控制电源模块(IPM)。 ,大大降低了伺服驱动器输出回路的功耗,提高了系统的响应速度和平滑度,降低了运行噪音。这些不仅为交流伺服的全数字化,高速度和高精度奠定了基础,而且使交流伺服系统趋于小型化。

二,直接驱动技术(直驱)

与传统的螺旋传动方式相比,大推力直线伺服驱动器和大扭矩扭矩伺服驱动器具有直接驱动技术的最大特点,即取消电机与移动/旋转工作台之间的所有机械传动连接。传动链的长度减少到零。这种“零驱动”方法带来了螺杆传动方法无法实现的性能指标。例如,加速度可以达到3g以上,是传统驱动装置的10到20倍,进给速度是传统驱动装置的4到5倍。

直接驱动技术是高速和高精度数控机床的理想驱动模式。它受到机床制造商的高度重视,其技术发展迅速。近年来,世界上数十家公司展出了由直线电机驱动的高速机床。一些制造商已将机床的加速度提高到2至3 g,并将快速移动速度提高到150至240 m/min。 MAZAK将推出一款基于直线伺服系统的超音速加工中心,切割速度为8马赫,最大主轴转速为80000r/min,快速移动速度为500m/min,加速度为6g。这表明以线性伺服为代表的第二代高速机床克服了线性电动机的发热,保护和高成本的缺点,并逐渐变得实用。

2005年底,作者参观了日本的森精机工厂。最令人印象深刻的是,Morir Seiki的:机床已经使用了大量自制的大扭矩扭矩伺服驱动器。与传统的蜗轮传动相比,大扭矩伺服驱动大大简化了机床旋转轴的结构,大大提高了旋转台的转速,大大提高了动态响应。三,高速电主轴

电主轴是电机和主轴的产物。它直接将主轴电机的定子和转子插入主轴组件的内部。电动机的转子是主轴的旋转部分。由于齿轮箱的传动与电动机断开,因此实现了主轴系统和“零传动”的集成。 。因此,它具有结构紧凑,重量轻,惯性小,动态特性好等优点,可以提高机床的动平衡,避免振动和噪音,已广泛应用于超高速机床。工具。电主轴的驱动通常使用矢量控制的频率转换技术。

国外高速加工锭子的速度一般在12,000至25,000转/分钟之间,最高速度为70,000至80,000转/分钟。

第四,中国伺服驱动系统的现状

20世纪80年代初,中国引进,消化和吸收国外先进技术,在“七五”,“八五”和“九五”期间在伺服驱动技术方面取得重大科技突破。计划“期间,并取得一定成效。

在20世纪80年代,中国花了巨资引进西门子伺服驱动技术。然而,由于该技术引入的技术落后,独立的消化和吸收没有突破,导致没有工业化。痛苦的历史教训让每个人都明白了一个难题:对于伺服驱动等战略性高科技来说,花钱无法做到;盲目地效仿外国,只会被人民殴打和控制;唯一的出路就是采取自主创新。马路。

华中科技大学是中国伺服驱动技术自主创新的发源地之一。 “八五”期间,华中科技大学自控系统和动力系统开始了伺服驱动器的研发。 1996年,自控部门与华中数控合作,共同开发基于单片机的模拟 - 数字混合(电流环模拟)交流伺服驱动和主轴驱动(HSV-9系列),后来又开发了数字基于DSP的交流伺服系统。驱动单元(HSV-16/18/20)已投入批量生产。到目前为止,已累计生产和销售3万多个,并被评为国家重大成果和国家重点新产品。华中科技大学动力系统与广州数控和上海凯通数控合作,开发的伺服驱动技术也已实现工业化。北京航天数控有限公司生产的DSCU系列全数字伺服控制单元和DSSU系列全数字主轴控制单元,北京凯奇数控生产的全数字伺服控制单元和全数字主轴控制单元及电机设备有限公司也大大适用于规模应用,进给伺服功率范围为20W至7.5kW,主轴伺服功率范围为3.5kW至22kW,可满足企业的实际需求。

北京时代科技有限公司自主开发了“全数字交流伺服控制技术”,采用基于32位微处理器的片上系统和智能功率器件,成功实现了三相交流异步电动机(鼠笼式电机)高精度伺服控制。基于该技术,IMS系列伺服控制器可通过编程灵活,准确地实现对电机位置,转速,加速度和输出转矩的高精度控制。其产品可广泛用于机床,电梯,包装机械。 ,印刷机械,塑料机械,搬运机械,电动汽车和自动化生产线等领域,用户反映良好。

自2003年以来,中国的经济型数控系统已从步进驱动装置转变为大型开关,再转向伺服驱动装置。中国自主创新的伺服驱动技术为中国数控系统产业的升级做出了巨大贡献,伺服驱动产业也取得了长足的进步。

目前,中国和国外产品的伺服驱动系统的产品性能和产品可靠性仍然存在一定的差距。特别是在全数字高性能伺服驱动技术方面,与国外知名品牌企业仍存在较大差距,已成为制约我国高端数控系统产业发展的瓶颈问题。

五,华中数控伺服产品及技术特点

华中数控自成立以来,一直与华中科技大学控制科学与工程系紧密合作,开发伺服产品。它是第一个在中国开发基于微处理器的HSV-9交流伺服驱动器并进行批量生产和销售的公司。之后,他承担了国家“十五”研究项目“全数字交流伺服驱动系统和交流主轴伺服控制系统”和国家“十五”863项目“EQ6110HEV混合动力城”的研发和应用。公交电机及??其控制系统“”国家技术创新项目“全数字智能交换驱动单元”和中小企业创新基金项目“高性能伺服驱动系统工程研究”等七项国家项目研发任务。近年来,华中数控开发了一系列具有自主知识产权的交流伺服驱动单元和交流伺服电机。

HSV-16系列全数字交流伺服驱动单元

作为一种新产品,它进一步增强和改善了产品性能。驱动程序的硬件环境为:高性能电机控制专用数字信号处理器(DSP)大规模现场可编程逻辑阵列(FPGA)智能电源模块(IPM);操作简单,可靠性高,体积小,易于安装。具有自检和自诊断功能,具有完善的软,硬件保护功能,适用于短路,过流,过压,欠压,抽气,过热等故障。

HSV-18D系列全数字交流伺服进给驱动单元和主轴单元

采用最新技术设计,交流380V直流电源,可实现各种交流电机,包括交流永磁同步电机,无刷直流电机,交流感应电机(交流异步电机)转矩,转速,位置闭环或全闭环控制 。

为了提高产品的可靠性,面对国内用户的现状,华中数控伺服驱动单元的企业标准是基于欧洲四级电磁兼容指标,高于国家标准(欧洲三级电磁兼容性)。技术指标翻了一番。华中数控产品的电压范围为±20%,而国家标准要求的产品电压范围为+ 10%至-15%。

交流伺服电机是数控系统的关键部件之一。过去,主要依靠进口,不仅价格昂贵,而且品种不全,交货期长。核心技术掌握在外国公司手中,系统的技术改造也很困难。电机的成本,类型和交付周期严重制约了数控系统行业的发展。为此,华中数控于2000年开始筹备自主研发交流伺服电机系列,投资建立了上海登奇机电科技有限公司,开发了GK6和GK7全系列永磁同步交流伺服电机和GM7。系列交流伺服主轴,拥有自主知识产权。 。

在开发之初,国内外大量先进技术,包括西门子,安川,三洋,松下等先进技术,结合国内用户需求和市场需求,成功开发出GK6系列交流永磁体同步伺服电机2001年该系列电机采用定子冲压叠片和外露结构,热量无间隙直接散热;气隙磁场由超高内弹性稀土永磁材料形成;国内唯一生产的整个电机转子斜磁铁整体磁化生产工艺设备确保所生产的伺服电机无磁性,减少损耗,减少磁场振动和噪声,具有更高的性能。采用整个加工工艺,电机振动小,转动稳定。目前,产品的额定扭矩为0.6-1000Nm,额定速度为1000,1200,1500,2000,3000,6000r/min。该系列电机的成功推出为华中数控及其他国内数控企业提供了伺服电机,具有高性价比,及时交货和个性化需求。在交流伺服电机成功开发和市场化的基础上,为了更加完全匹配数控机床,GM7系列交流变频主轴电机于2004年开发。目前,该产品的额定功率为2.2kW ?100kW的。采用F级特殊绝缘结构,抗浪涌电流和电晕现象,使用寿命长,可靠性高。它采用内置风道,定子冲盘和压力一体化结构,散热效率高。高而紧凑;采用整体加工技术和高精度动平衡技术,大大提高了高速,高精度,可靠的运行能力。

华中数控开发的交流伺服电机和交流变频主轴电机是国内最齐全的。在产量方面,它每年翻番,每年可生产20,000个单位。 2006年,国家发展和改革委员会,中国中央国家发展和改革委员会“设备本地化”特别:所有数字伺服驱动器和电机产业化,已通过专家审查,公司计划投资7000万元,新10000m2伺服驱动和电机生产厂,建成后,计划年产10万套伺服驱动器和电机。

华中数控还根据市场需求开发了各种专用伺服产品。开发的大功率伺服驱动器已应用于重庆某工厂的倾斜车厢平衡系统。开发的开关磁阻电机控制器应用于武汉城市混合动力电动公交车;与德国公司合作生产的工业缝纫机驱动系统已经批量出售。 GK6和GM7伺服主轴电机已与中国着名注塑机制造商的全电动注塑机配套使用。输出扭矩为1000Nm的伺服驱动器已被用于中国第一台由鄂州机床厂开发的电动螺杆压力。

六,发展中国伺服行业驱动系统行业的建议

作为数控机床的重要功能,伺服驱动器和伺服电机是影响数控系统性能的重要功能部件。伺服驱动器和伺服电机的成本占CNC系统总成本的1/2至3/4。因此,是否掌握独立伺服驱动器和伺服电机技术是决定数控系统工厂综合竞争力的决定性因素。 。伺服驱动涉及高功率和高功率控制,这是可靠性的薄弱环节和瓶颈。纵观国外成功的数控系统企业,他们拥有自己的伺服驱动技术自支撑能力。发展中国的独立伺服驱动技术和产业势在必行。建议如下:1,大力加强伺服驱动器生产工艺技术的研究

在国家863计划,科技部中小企业创新基金和国家“十五”研究成果的基础上,中国伺服驱动装置的控制平台技术已基本成熟。产品化侧重于可靠性设计和可靠性保障措施,产品结构和系列设计,以及批量生产过程研究,使产品能够满足相关国家标准的要求,满足快速增长的市场需求,拓展国内伺服驱动装置市场。 。职业率。

2.高性能伺服驱动器性能评估与改进技术研究

加大对伺服驱动器测试方法的投入,在独立,客观,科学,实用的技术测试基础上进行伺服驱动器性能评估,为中国伺服驱动技术的发展提供明确的技术趋势,掌握真实的产品信息。合理的采购建议。

在此基础上,我们支持国内公司开发高性能伺服驱动器。降低高性能,高动态响应,高刚性,高过载能力,高可靠性,高电磁兼容性,高电网适应性,高价格等高性能伺服驱动产品之间的技术差距,完善我们的产品。可靠性。

3.为伺服驱动器和CNC系统开发数字接口的中国标准

数控系统通用技术与伺服驱动数字接口规范和标准是国内数控系统产业的联系,形成合作与联盟,充分发挥各自优势,缩短开发周期,降低开发成本,形成相互支持,形成协同作用和国外。数控系统制造商竞相提升中国数控机床和数控系统在国际市场上的竞争力。同时,掌握数控系统和伺服驱动器的数字接口协议和标准话语权,可以提高我国在国际标准化组织中的地位,规范国内数控市场,影响国际数控公司,建立技术保障数字化发展。中国的数控系统行业。屏障。它可以缩小中国数控系统产业与国外的技术差距,改变目前国内数控系统制造商之间的低价和低水平竞争。

增加了对大推力直线伺服驱动器,高扭矩扭矩伺服驱动器和高速主轴驱动器的开发投资。直接伺服驱动技术是伺服驱动技术发展的未来方向。数控机床采用直接伺服驱动技术。虽然省略了中间变换链路并实现了所谓的“零传输”,但系统结构更加合理,但作为一种新的应用技术,它面临着许多实际的技术问题。如参数摄动控制系统的抗干扰问题,负载扰动等诸多不确定因素,伺服电机的强制散热,系统快速吸能制动问题以及严格的防尘磁隔离措施等所有这些实际问题都需要进一步解决并进一步完善技术。