交流伺服直接驱动技术

交流伺服直接驱动技术西安交通大学机械工程学院赵升吨教授提纲：机械驱动与传动与研究前沿电磁伺服直接驱动技术的内涵及外延典型的交流伺服直驱技术伺服直驱新技术未来的关键科技问题的思考一、机械驱动与传动的特点与研究前沿11个优先资助方向及其关系国家重大需求*能源资源深度开发*基础产业变革（节能、节资、环保）*高品质生活创造*国家安全保障*基于能量的成形成性制造*复杂机电系统集成*信息网络设计*与纳米、生物、信息技术融合学科发展趋势学科内涵机械系统设计、制造和服役*复杂机电系统集成1.机械表面/界面科学零件结构制造综合交叉前沿机械系统创成科学9.生机电系统与仿生制造10.高能束与特种能场制造11.微纳机械学与微纳制造5.高精度数字化制造服役安全测控7.机械制造与运行参数测量优先领域*高精度、高性能、数字化制造*生物制造与仿生制造交叉领域8.失效与安全服役6.高性能洁净成形制造2.复杂机电系统集成3.机械的驱动与传动4.机构学与机械振动机械系统创新学科方向机械传动与驱动对机械学科的影响机构学与机械动力学机械传动与驱动复杂机电系统集成科学机械的表面/界面科学高精度、数字化制造高性能洁净成形制造机械的制造与运行参数及其精度测量机械结构与系统的安全服役理论生机电系统与仿生机械高能束与特种能场制造微纳机械学与微纳制造机电装备•驱动与传动是机械学科的基础领域之一；•是科学原理到工程实现的桥梁，也是装备的基础；•直接关系到运载、机器人、机床等机电系统的性能、可靠性与安全性；•对机械学科的发展起着支撑作用。“机械系统创新”的四个支撑领域之一机械的传动与驱动装置主要承担着能量传输与分配，运动/力的变换与控制功能，是实现能量传输和运动/力控制目标的主要手段。是推动机电装备向高效、节能、高可靠、高精度、智能化方向发展过程中不可或缺的关键单元部件和系统。机械驱动与传动的方式蒸汽一代电气一代数控一代智能一代2011年中国机械工程学会年会在武汉召开。中国工程院院长、中国机械工程学会理事长周济院士在主题报告中指出，我国机械产品“数控进级”进入最佳机遇期。“我们有一个共同奋斗目标：经由5～8年，中国的机械产品全面进级为‘数控一代’。”数控一代装备智商是指装备智能化，而数控一代包含装备智能化。目前，对于智能装备的范畴，业界普遍认为，其为先进而智能的高端装备，是先进制造技术、信息技术和智能技术的集成和融合，通常是具有感知、分析、推理、决策和控制功能的装备的统称，体现了制造业的智能化、数字化和网络化的发展要求。工信部装备工业司司长张相木曾作出解释：“智能装备面向传统产业改造提升和战略性新兴产业发展需求，重点包括智能仪器仪表与控制系统、关键零部件及通用部件、智能专用装备等。它能实现各种制造过程自动化、智能化、精益化、绿色化，带动装备制造业整体技术水平的提升。”装备智能化产品信息化是信息化的基础，含两层意思：一是产品所含各类信息比重日益增大、物质比重日益降低，产品日益由物质产品的特征向信息产品的特征迈进；二是越来越多的产品中嵌入了智能化元器件，使产品具有越来越强的信息处理功能。装备智能化包括产品信息化，产品信息化是指越来越多的制造信息被录制、被物化在产品中；产品中的信息含量逐渐增高，一直到其在产品中占据主导地位。装备智能化机械驱动与传动领域未来5～10年的研究前沿（1）高效高可靠功率传递与能量调控现代复杂传动系统通常是包括机、电、液、磁等多物理过程的能量转换单元或装置。正由单物理过程、单能量流形式向多物理过程、多能量流方向发展，形成了新型换能原理、高功效低耗散多能量流汇集及分配原理等研究前沿。驱动与传动部件的可靠性设计、制造与实验方法仍然是研究薄弱的领域，尽管许多常规环境下驱动与传动设计体系已成熟，但特定环境下的设计方法仍需完善，研究驱动与传动在特殊环境与极端工况下服役行为和性能特性及寿命规律，把机、电、液、磁物理过程的能量流从汇集、分配、调制和变换层面进行协同组织，从而构筑的新型传动方式。建议重点开展如下研究：混合动力传动的复合模式与参数匹配直接驱动的高效部件的新原理新结构特殊环境下传动装置的动态服役行为规律及其适应性设计特殊环境下的寿命与可靠性评估及其试验方法（2）精密复合运动与力控制的新原理新方法（3）智能结构与新型功能材料作动器的驱动机理1980年控制精度年代1mm0.1mm1um0.1um10nm10um传动效率60%70%90%95%100%80%智能程度50608090100701990年2000年2010年2015年2020年模拟/开关逻辑控制故障识别、诊断Mechatronics健康管理、智能维护Adaptronics智能感知、环境适应智能化控制拟人、生物传感控制一体化1、电气伺服直驱2、压电驱动3、磁致伸缩驱动4、功能流体驱动5、化学物质驱动1、液气复合2、机液复合3、机电复合4、电液复合5、电气复合6、内燃机-电-液1、齿轮传动2、带传动3、链传动1、液压2、液力3、气压直接驱动（近零传动）复合/混合驱动与传动多介质多形式驱动与传动机械的驱动与传动科学发展路线图二、电磁伺服直接驱动技术的内涵及外延机电装备往往主要由本体与控制部分组成。而本体部分主要由动力装置、传动部件、工作机构三大部分组成：动力装置（电动机，内燃机等）传动部件（是一个中间环节，它把原动机的输出的能量和运动经过转换后提供给工作机构。例如：机械、电力、液体、气压等传动方式）二、电磁伺服直接驱动技术的内涵及外延工作机构（执行机器规定功能的装置。例如：直线运动缸、摆动缸、旋转轮、曲柄连杆滑块机构等）。控制部分：依据对工作机构的动作要求，对传动系统进行检测、显示、调节的装置。例如：开关、阀门、继电器、计算机、按钮等。二、电磁伺服直接驱动技术的内涵及外延在传统机械装备中，电机到工作部件要经过一整套复杂的转换机构,包括齿轮、蜗轮副、皮带、丝杠副、联轴器、离合器等中间机械传动环节。这些机械传动环节会带来一系列的问题，如造成较大的转动惯量、弹性变形、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及磨损。这些问题使得机械装备的加工精度、运行可靠性降低；增加维护、维修的时间和成本；造成机械装备的使用效率下降，使用费用增加。所以一直以来，对机械传动环节的传动性能在进行不断的改进，并且获得了很大的效果，但并没有从根本上解决问题。“直接驱动与零传动”的设计理念的内涵：就是取消从动力装置到工作机构之间一切中间机械传动环节,由电动机直接驱动工作部件（被控对象）动作,实现所谓“零传动”。直线电机驱动的冲床“直接驱动”的方式，其本质就是取消从电机到工作部件之间一切中间机械传动环节,由电机直接驱动工作部件动作,实现所谓“零传动”。飞轮齿轮负载负载电机力矩直驱电机a)b)二、电磁伺服直接驱动技术的内涵及外延直接驱动方式电机/泵一体化发动机直驱泵技术二、电磁伺服直接驱动技术的内涵及外延电—机械转换器作为机械装备的核心部件，是连接电气信号与机械动作之间的桥梁，是机电装备的动力源头。要提高现代机电设备的性能指标，很大程度上就是要提高电-机械转换器的驱动能力。因此，高性能的电-机械转换器的研究开发一直是一个重要的研究焦点。二、电磁伺服直接驱动技术的内涵及外延对电-机械转换器的要求：高频响带负载能力强输出线性好耐高压耐高温可靠性高低速拖动能力强二、电磁伺服直接驱动技术的内涵及外延直接驱动旋转电机DDR主要分为五类：直流力矩电动机、永磁同步电动机、变磁阻电动机、开关磁阻电机（SMR）、横向磁场电机（TFM）。直流力矩电动机、永磁同步电动机、变磁阻电动机在原理上都与普通控制电机类似，分别对应直流伺服电机、永磁同步电机、步进电机。因此随着钕铁硼(Nd、Fe、B)永磁材料的出现和发展，永磁同步电机已成为主流。区别在于为了得到高转矩和低转速，通常设计为长径比较小的圆盘状结构，但同时由于低转速，会带来转矩波动、速度波动、发热量大等问题。三相异步电机转矩特性左图所示为三相异步电机转速与转矩关系曲线其中：Tn为额定转矩Tmax为最大转矩Tq为启动转矩伺服电机转矩特性左图所示为安川SGMVH-2BAEB(22kW,1500rpm,140Nm)伺服电机扭矩转速特性图图中A为连续使用区域，B为过载运行区域。当伺服电机小于额定转速运转时，其输出为恒扭矩。当电机大于额定转速运转时，其输出为恒功率特性，即输出转矩反比于转速。电磁伺服直驱技术1）开关磁通永磁电机（FluxSwitchingPermanentMagnetMotor,FSPMM）是一种永磁体安装在定子上的电机，转子上只存在导磁铁心，结构上具有很好的鲁棒性。FSPMM的永磁体和电枢绕组均放置在定子上，其磁场相互作用产生足够大的永磁力矩，具有较高的扭矩和功率密度。FSPMM结构示意图二、电磁伺服直接驱动技术的内涵及外延电磁伺服直驱技术2）伺服直驱取代“旋转电机+滚珠丝杠”方式，利用圆筒型永磁直线电机(TubularPermanentMagnetLinearMotor，TPMLM)直接驱动主轴进给。TPMLM结构示意图TPMLM定子结构TPMLM动子结构直线电机主轴直接进给结构二、电磁伺服直接驱动技术的内涵及外延“直接驱动与零传动”的理念的外延指通过新型的电动机伺服直驱机电装备中的执行元件（如流体泵、流体阀、滑块、主轴、旋轮、工具、轧辊、车轮等），并通过对新型伺服电动机的运转状态的自动调节控制，代替传统的机械传动中的变速、变量、变向方式，实现机电装备的高效、节能、精密、柔性、可靠的运行！MG900(750)/2210(1910)-WD型交流电牵引采煤机MG900(750)/2210(1910)-WDACELECTRIC-HAULAGESHEARER多电飞机的典范——波音787采用多电飞机系统设计可替代循环高温引气的气动系统和循环可燃液体的液压系统，提高飞机的最大起飞重量、减少到达巡航高度的时间以及减少油耗1%~2%。先进的电动系统还将提高航空公司的趋势监控和系统安全管理能力。多电飞机的其他特性还包括，环控系统中具有电动发动机启动、压缩和冷却功能，采用电热或电脉冲进行机翼和吊舱防冰保护。波音787，又称为“梦想客机”（英语：Dreamliner），中型双发(动机)宽体中远程运输机，是波音公司1990年启动波音777计划后14年来推出的首款全新机型，由波音民用飞机集团（BCA）负责开发，在2004年4月正式启动。经多次延期后，于美国时间2009年12月15日成功试飞。波音787飞机在研发过程中应用了多电飞机系统，从而在各个方面提高了飞机性能，使其成为大飞机领域的标志性产品！全电飞机所谓全电飞机(All—ElectricAircraft，AEA)是一种用电力供电系统取代原来的液压、气压和主要机械系统的飞机，即所有的次级功率均用电的形式分配。简单地说，全电飞机就是除发动机外的所有设备(应急设备除外)都由电能驱动工作的飞机。其主要优点(1)飞机和发动机的设备简化；(2)飞机和发动机的性能提高；(3)可靠性和生命力提高，使用维护简化；(4)减少了地面支援设备，提高了飞机自足能方。电影绝密飞行中出现的科幻战机也许不久就会出现。并成为真正的全电飞机代表多电飞机多电飞机(More—ElectricAircraft，MEA)是一种试图用供电系统取代液压、气压和机械系统的飞机。在多电飞机上将用电力作动器来取代液压作动器，用电动泵来取代齿轮箱驱动的滑油泵和燃油泵，用电动压气机来取代气压动力驱动的空调压气机等。与以往传统飞机相比，多电飞机的优点可归纳为：(1)结构简单，重量轻；(2)可靠性高、维修性好、生存能力强；(3)省燃油，使用费用较低，性能价格比高；(4)电传操纵和电力操纵容易协调；(5)地面支援设备少，机上接口简单。目前多电飞机的研究主要集中在发电、配电和电力作动三方面。多电飞机的关键技术是大容量的电源系统和广泛采用的电力作动技术。伺服直驱及近“零”传动的特点（1）定位精度高直接驱动实现了电机与负载间的刚性耦合，因此消除了原