电机调速与伺服驱动技术在压力机行业中的应用

1前言

　　金属板材成形设备广泛应用于汽车、航空航天、电子、通信及家用电器领域板壳零件的生产，品种和数量繁多，其中以机械式压力机应用最为普遍。随着制造业朝着生产规模化、产品个性化的方向发展，产品型号变化加快，生产批量相对变小，多种型号共线生产、覆盖件大型化，一体化的趋势日益明显，要求压力机不仅能够高速度、高精度、大负载的运转，而且应具有更大的柔性，能迅速、方便地改变输出运动规律。传统的机械压力机板料冲乐时由于工作模式固定、运动特性单一、工艺适用性差，无法满足不同材料、不同冲压工艺对压力机滑块工作曲线柔性可调的要求。特别是近年来，快速发展的粉末成形、难成形材料成形、复杂形状零件成形、复合成形以及高精度成形对压力机的工作性能提出了更严格的要求，迫切需要开发新一代柔性机械压力。

　　自上世纪六、七十年代以来，电力电子技术、微电子技术、控制技术和计算机技术的飞速进步，各种电机调速与伺服控制技术获得了突飞猛进的发展，

　　业技术水平的发展起到了重要的促进作用。但是，与金属切削设备相比，压力机械的伺服化、数字化的开发进程落后了数十年。10年前，在美、日、欧等工业发达国家兴起了交流伺服电动机直接驱动压力机的研究与开发，这种伺服压力机与上述传统机械压力机相比具有结构简单、产品质量高、滑块运动柔性好、降噪节能显著等优点，被誉为第三代压力机。目前，这类压力机已在日本进人了普及期，随着其在汽车零件，电子零件等高精度、难成形零件加工领域中的应用和其优良的节能性，已经显示出了其他压力机所无法比拟的优越性，己成为世界冲压技术及装备发展的主要潮流。

2 伺服驱动技术与伺服压力机的发展

　　2.1 伺服驱动技术

　　电气伺服系统根据所驱动的电机类型可分为直流cnc)伺服系统和交流(AC)伺服系统。上世纪50年代，无刷电机和直流电机实现f产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛应用，70年代更是直流伺服电机应用最为广泛的时代。但是，直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制，直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。所以，交流伺服系统在工业自动化领域得到了广泛的应用从20世纪70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺月陡驱动技术已成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。

　　交流伺服系统按其所采用的驱动电动机的类型 来分主要有两大类:永磁同步(SM型)电动机交流伺服系统和感应式异步(IM型)电动机交流伺服系统。其中，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于成熟，具有优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统调速的范围，适应了高性能伺服驱动的要求。随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。

　　感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固、制造容易、价格低廉，因而具有‘很好的发展前景，代表了伺服技术电机的发展方向。但由于该系统采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行时还存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前并未得到普遍应用。
 
　　交流伺服系统的执行元件一般为电动机，功率变换器件通常采用智能功率模块IPM为进一步提高系统的动态和静态性能，司一采用位置和速度闭环控制。三相交流电流的跟随控制能有效地提高逆变器的电流响应速度，并能限制暂态电流，从而有利于IPM的安全工作。速度环和位置环可使用单片机控制，以使控制策略获得更高的控制性能。电流调节器若为比例形式，则三个交流电流环采用足够大的比例调节器来进行控制，其比例系数应该在保证系统不产生振荡的前提下尽量大些，使被控异步电动机三相交流电流的幅值、相位和频率紧随给定值快速变化，从而实现电压型逆变器的快速电流控制。电流比例调节具有结构简单、电流跟随性能好以及限制电动机启动电流快速可靠等诸多优点。从伺服驱动产品当前的应用来看，直流伺服产品正逐渐减少，交流伺服产品则日渐增加，市场占有率逐步扩大。在实际应用中，精度更高、速度更快、使用更方便的伺服产品已经成为主流产品。