1 引言
自1885年交流異步電機問世以來，它在任何一個國家的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中都占據(jù)了重要地位。據(jù)統(tǒng)計，世界發(fā)電總量的60% 被各類電機所消耗，其中交流異步電機就占總動力負載中的85% 左右。三相交流異步電機具有結(jié)構(gòu)簡單、牢固耐用、經(jīng)濟可靠以及易于組織工業(yè)生產(chǎn)等優(yōu)點，但長期以來如何解決其調(diào)速性能和改善其功率因數(shù)，尤其是在高精度伺服控制領(lǐng)域，技術(shù)上一直未取得突破，使得交流異步電機的應(yīng)用受到較大的限制。隨著微電子、計算機與功率半導(dǎo)體技術(shù)的飛躍發(fā)展，對交流異步電機實現(xiàn)伺服控制成為可能。傳統(tǒng)的交流異步電機在發(fā)揮其固有優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，可以大大擴展自身的應(yīng)用領(lǐng)域，并展現(xiàn)出新的青春活力。特別是信息技術(shù)的發(fā)展，如網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，迫使傳統(tǒng)工業(yè)控制單元也必須信息化、數(shù)字化。時光科技的“數(shù)字驅(qū)動技術(shù)”正是信息技術(shù)與傳統(tǒng)控制單元技術(shù)相結(jié)合的典型代表，它將在21世紀成為伺服驅(qū)動領(lǐng)域的主流之一，特別是大功率伺服領(lǐng)域更具優(yōu)勢。該技術(shù)已經(jīng)引起世界各國的關(guān)注與興趣。
本文僅介紹面向三相交流異步電機的全數(shù)字化高速高精度交流伺服驅(qū)動技術(shù)及其應(yīng)用情況。
2 新型全數(shù)字化伺服驅(qū)動系統(tǒng)的特點及其主要技術(shù)指標
北京時光科技新型全數(shù)字化伺服驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)特點如下:
(1) 系統(tǒng)級芯片soc(system on a chip)技術(shù)
soc技術(shù)是面向21世紀的新概念，即“系統(tǒng)級芯片”技術(shù)。隨著半導(dǎo)體微細加工工藝精度的不斷提高，ic(集成電路)集成度以驚人的速度發(fā)展，面向某個專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域結(jié)合數(shù)字和模擬技術(shù)，并將a/d，d/a，i/o，lsi logic網(wǎng)絡(luò)通信，以及對用戶開放的rom，ram甚至電源與電源驅(qū)動電路pwm等都可以集成在同一封裝芯片內(nèi)，高效率地實現(xiàn)特定功能的asic已成為21世紀的最新技術(shù)之一。
本系統(tǒng)成功地實現(xiàn)了在32位risc體系微處理器上嵌入lsi logic以及模擬、數(shù)字i/o、rs-232、422串并行通訊、d/a、a/d轉(zhuǎn)換、快速運動控制語言及其優(yōu)化編譯器、電機矢量控制高速運算器、向用戶開放的ram、rom和實時操作系統(tǒng)(os)的面向三相交流異步電機等高精度伺服控制系統(tǒng)的系統(tǒng)級芯片，其性能高于目前的dsp。該芯片的研制成功，可實現(xiàn)高效運作，極大地縮短產(chǎn)品的上市時間，降低功耗和大大減少所占的pcb空間，提高系統(tǒng)的可靠性，特別是電磁干擾emi大幅度降低，同時極大地提高了系統(tǒng)的各項性能指標和降底了研制與生產(chǎn)成本。
(2) 軟件技術(shù)(software)
軟件技術(shù)具有很強的繼承性，版本升級是軟件產(chǎn)品更新的主要手段。支持本系統(tǒng)的software技術(shù)平臺是soc的操作系統(tǒng)與快速運動控制語言。其中快速運動控制語言(quick motion control language簡稱qmcl)的命令集:
a) 32個2字節(jié)寄存器;
b) i/o指令;
c) 串行、并行數(shù)據(jù)通信;
d) 顯示指令;
e) 運算指令;
f) 邏輯指令;
g) 數(shù)據(jù)存儲指令;
h) 電機控制指令;
i) 跳轉(zhuǎn)等100余條指令。
用戶只要掌握了上述快速運動控制語言和控制對象(電機)的銘牌參數(shù)以及控制要求，就可以在不改變硬件系統(tǒng)的條件下，任意開發(fā)硬件支持下的所希望的目標產(chǎn)品，其開發(fā)速度、成本、性能都是目前傳統(tǒng)技術(shù)所無法相比的。
(3) 系統(tǒng)級智能功率模塊技術(shù)(sipm)
功率模塊是電機控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與部件之一，目前，ipm(智能功率模塊)，asipm(專用智能功率模塊)代表了今后的發(fā)展方向。sipm是我們提出來的新概念，新成果，新產(chǎn)品，是時光科技獨創(chuàng)的系統(tǒng)級智能功率模塊。
(4) 電機技術(shù)
電機，是控制的重要對象。在數(shù)控領(lǐng)域，我們追求的目標是:高效、高速(12000r/min以上)、高精度。
(5) 網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)
網(wǎng)絡(luò)與通訊加上自動化控制技術(shù)，將是21世界工業(yè)自動化的發(fā)展方向。該數(shù)字系統(tǒng)具備通過網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)的全球范圍內(nèi)的遠程故障診斷，維修，技術(shù)開發(fā)與實時控制功能，真正實現(xiàn)了it與傳統(tǒng)技術(shù)的相結(jié)合，并形成一個全新概念的系統(tǒng)產(chǎn)品。
3 本技術(shù)的特點
(1) 電機容量范圍寬
目前國際上在高精度領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位的dc無刷伺服電機(永磁交流同步電機)由于物理條件的限制，其功率一般在數(shù)十千瓦以下，因此限制了其應(yīng)用領(lǐng)域，而本數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)，從數(shù)瓦到數(shù)百千瓦的三相交流異步電機均可作為高精度伺服電機使用，極大地擴大了伺服電機的使用領(lǐng)域;
(2) 低成本
從電機自身機構(gòu)、制造工藝看，三相交流異步電機與其他電機相比，最為簡潔，故成本最低。其成本是dc伺服電機或dc無刷伺服電機的幾分之一，故價格優(yōu)勢極大;
(3) 轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的獨立控制
本數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)可以實現(xiàn)三相交流異步電機任意轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的“解耦”控制，可以實現(xiàn)“復(fù)雜系統(tǒng)”的控制;
(4) 超小型化
隨著微電子與功率半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，新型控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)可以不斷向小型化方向發(fā)展;
(5) 高性能
32位cpu+asic+專用ic的一體化(soc)設(shè)計，面向三相交流異步電機的全數(shù)字矢量控制，實現(xiàn)了模擬技術(shù)與數(shù)字技術(shù)的融合，極大地提高了系統(tǒng)的各項性能指標。以伺服系統(tǒng)的核心指標為例:速度控制比n=vmax/a可達1:30000以上，并可實現(xiàn)零速力矩控制;
(6) 高可靠性
由于采用了soc(系統(tǒng)級芯片)與(s)ipm(或igbt)和新型開關(guān)電源模塊，使可靠性大幅提高。特別是(s)ipm自身具有過壓、過流、短路、缺相、溫升、電磁干擾等檢測與保護功能，以及低功耗等，所以單元安全可靠。這也是全數(shù)字化技術(shù)的最大優(yōu)點之一;
(7) 多功能化
電流矢量控制、電壓矢量控制、電壓/頻率控制、電壓/相位差控制、消耗電流控制等10余種控制方式都可通過軟件參數(shù)方式自由設(shè)定;
(8) 其它
遠程通信、故障診斷、維修與技術(shù)支持、控制等功能。
4 應(yīng)用
(1) 速度控制
時光伺服控制器的速度控制范圍為0~500hz，控制精度為0.01~0.02hz，能夠?qū)﹄姍C進行大范圍穩(wěn)定、準確的高精度速度控制。在負載力矩變化時保持速度不變。已成功應(yīng)用于機床高速主軸(最高轉(zhuǎn)速12000r/min)，剛性攻絲以及在要求低速變速的各種工作機械，如吹塑機等橡塑機械、納米對撞機等制藥機械等。
(2) 位置控制
時光伺服控制器的位置控制精度為pg的±1個脈沖，位置控制范圍為4byte脈沖數(shù)，按ims伺服控制器標配的2500線pg計算，相當(dāng)于電機轉(zhuǎn)動171.8r/min。時光伺服控制器可控制電機，對機械裝置進行精確的位置和定位控制。例如數(shù)控機床的進給、線材、管材的定尺切割、集裝箱放射性掃描、醫(yī)療器械的定位、需要高精度定位、大轉(zhuǎn)矩的注塑機等。
(3) 加速度控制
時光伺服控制器的加、減速過程的加、減速度可在0.05～3000hz/s范圍內(nèi)通過系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，還可以通過編程設(shè)定任意加、減速曲線。在要求平穩(wěn)啟、停和頻繁加、減速的設(shè)備和裝置，如電梯、電動車等，時光伺服控制器得到廣泛的應(yīng)用。
(4) 轉(zhuǎn)矩控制
時光伺服控制器在電機基頻以下的最大轉(zhuǎn)矩輸出為3倍額定轉(zhuǎn)矩，并能夠進行控制。轉(zhuǎn)矩控制精度為±2%，且保持速度穩(wěn)定和位置準確。由于零轉(zhuǎn)速具有力矩保持功能，故在特定的條件下可以取代制動器。在力矩變化和需要張力控制的場合，如包裝、印刷、牽引、卷料、起重、電梯等，發(fā)揮了其優(yōu)良的特性。時光伺服控制器應(yīng)用在油田抽油機上，將功率因數(shù)從0.458提高到0.795。大大節(jié)約了電能和維護費用。
(5) 同步控制
雙pg伺服控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)主、從同步控制和外部pg同步控制。所謂主、從同步控制是指以一套時光伺服控制器及電機為主機，以其pg信號作為其他控制器及電機(從機)的指令信號，實現(xiàn)從機跟隨主機同步運轉(zhuǎn)，包括速度和位置，而且可以通過電子齒輪參數(shù)設(shè)定跟隨的比例。所謂外部pg同步控制是指以外部pg信號作為多套時光伺服控制器及電機的指令信號，實現(xiàn)多機同步運轉(zhuǎn)。時光伺服控制器用于印刷、卷料、定尺、行車、大型材料的輸送、起升等有準確的同步控制需求的機械設(shè)備上，可以取代復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)。
5 北京時光科技未來技術(shù)的發(fā)展方向
時光科技的技術(shù)的發(fā)展方向是面向直線電機與非晶材料電機的控制技術(shù)。
5.1直線電機及其控制技術(shù)的優(yōu)點[2]
(1) 沒有機械接觸，除了導(dǎo)軌外沒有其它摩擦;
(2) 結(jié)構(gòu)簡單，體積小，以最少的零部件數(shù)量實現(xiàn)高速往復(fù)直線驅(qū)動;
(3) 行程在理論上不受限制，而且性能不會因為行程的改變而受到影響;
(4) 可以提供很寬的速度范圍，高速是其突出的優(yōu)點;
(5) 加速度很大，最大可達10g以上;
(6) 運動平衡;
(7) 精度和重復(fù)精度高，因消除了影響精度的中間環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的精度決定于檢測元件，因此可達到高的精度。
(8) 維護簡單，使用壽命長。
5.2 非晶材料電機及其控制技術(shù)
非晶材料的學(xué)名是-非晶態(tài)合金，又稱金屬玻璃[3]，其特點是:高導(dǎo)磁率、高磁感、低鐵損、低矯頑力。因此，非晶材料的電機體積可以大大縮小、效率極大地提高。美國非晶態(tài)合金專家盧博爾斯基通過計算指出:“用非晶態(tài)合金取代目前的硅鋼片，僅電機與變壓器的能量損失就可以減少60%以上”。換句話講:即同樣功率的電機，體積、重量至少降低60%以上。
難點:因硬度高，厚度薄(0.02mm)，故難以加工，一旦突破，將引起一場大變革。
6 結(jié)束語
電機及其控制是工業(yè)自動化的最底層、最基本的單元之一，也是眾多學(xué)者認為是理論、技術(shù)成熟的領(lǐng)域。而恰恰是這些“基本控制單元”在國內(nèi)大多是空白，故嚴重影響了我國工業(yè)的技術(shù)進步與發(fā)展。信息科學(xué)，特別是微電子與功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，為我們自動化學(xué)科帶來了新的生機與挑戰(zhàn)。時光科技愿意與國內(nèi)外企業(yè)界密切合作，共同推動我國工業(yè)技術(shù)進步的進程。
參考文獻
[1] 正田 英介:リニァドラィブ技術(shù)とその應(yīng)用，オ-ム社，日本(1999年)
[2] 增本 健:アモルファス金屬のおはなし，日本規(guī)格協(xié)會(2003年)
作者簡介
余達太(1946-) 男 教授/博士生導(dǎo)師 2002年出任時光科技有限公司(國家開發(fā)投資公司與北京科技大學(xué)共同投資)總經(jīng)理、時光科技研發(fā)院院長。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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