电动机对运动控制的影响
电机设计和运动控制:最早的电机设计可以追溯到150年前。随着时间的推移，电机原理几乎没有变化，但电机的制造和包装方式却发生了很大变化。建筑材料的进步——尤其是磁铁材料——大幅缩小了物理尺寸，设计上也出现了创新。其中一些发展在2014年9月《控制工程》60周年特刊的主文章“电子运动控制，过去和现在”的在线扩展(1 / 4)中进行了探讨。
在开发的众多电动机类型中，有几种设计对运动控制的进步具有特别重要的意义。电刷式直流电动机由于其速度和转矩控制方法较简单而得到较早的应用。新版本的有刷直流电动机今天仍然可行，包括那些用于伺服运动系统。与此同时，由于成本较低，结构简单的交流(ac)感应电机获得了巨大的安装数量。它们最终被称为“工业的主力发动机”。速度(和转矩)控制方面的突破使交流感应电机更加通用(参考文献6,8,9;参考文献在一篇单独的文章中提供(链接如下)，在主要文章中提到过。这种电机类型也受益于通过制定最低能源性能标准(MEPS)要求推动的大幅效率提高。所有引用的参考文献出现在在线扩展4(参考文献4)。
对于伺服运动控制来说，一个重要的里程碑是20世纪80年代无刷直流电机的商业化。无刷直流电与当今的电子控制相结合，可提供卓越的动态性能。然而，无刷直流电动机遭受模糊的命名。它们实际上是交流同步电机，转子中有永磁体(pm)，但提供良好的直流电机特性。此外，无刷直流电动机定子绕组的不同会产生不同的反电动势波形——当连接到适当类型的控制器时，会导致梯形或正弦换相。换相类型表现出一种权衡:梯形换相的转矩密度更高(但转矩波动更大)，而正弦换相的转矩输出更平滑但更小(参考文献20,21,22)。具体的应用程序将决定选择。
无刷伺服电机的设计变化包括将磁体放入转子结构中，而不是传统的转子表面安装方式。内部永磁体(IPM)转子设计用于高要求伺服应用，其中每个电机尺寸的高扭矩输出是一个优势。由IPM设计创建的额外扭矩组件增加了扭矩产生(参考文献23)。
供应商观点:伺服电机进步
安川美国公司在无刷伺服电机制造技术方面取得了重大进展。安川美国驱动和运动事业部产品经理Scott Carlberg表示:“在过去15-20年推出的自动绕组和分段定子设计使电机制造商能够优化无刷伺服电机定子绕组设计的槽填充。”这直接导致了电机尺寸的急剧缩小(见图)。
母公司安川电机是20世纪90年代中期IPM伺服电机开发的先驱。
自动化解决方案团队负责人Bryan Knight也有类似的想法三菱电机自动化有限公司他指出，伺服电机技术在过去几年中取得了惊人的进步。“磁铁材料和缠绕技术的改进已经产生了更小、更高效的伺服电机，”奈特说。“包括IPM(内部永磁体)技术在内的新型转子设计使制造商能够减少稀土材料的使用量，同时降低转子惯性、转矩波动和成本。”
奈特解释说，减少电机中稀土材料的含量尤其重要，因为在无数其他商业应用中对这些矿物的需求非常大。奈特补充说:“由于全球最大生产国中国实施的出口限制，供应一直紧张。”
稀土材料的使用范围从数百万电子设备中的相当少量到少量生产的大型永磁发电机的大量使用。更多关于稀土材料的供需问题，以及是什么让它们变得“稀有”，请参阅参考文献24。
步进电机代表了与运动控制相关的另一类。基于步进的系统通常在开环中执行位置控制-这是该技术独有的功能。然而，步进电机有时在闭环中运行，以满足其他应用要求。面向场的控制是一种选择。步进运动系统在经济上满足特定的应用需求，并在适当的情况下与伺服系统竞争，通常在较低的功率和扭矩要求下。伺服运动系统提供更高的功率范围。
通用步进电机有2,3,4，或5相设计，也适合“无刷直流电”类别。更高的电机相数是可能的，但增加的电路和组件以及更多的成本降低了实用性。现代步进电机系统的控制包括一个微步进功能，通过电子方式将电机相对粗糙的机械步(或全步)-通常为200步/转或400步/转-划分为更精细的增量。采用微步进技术可以获得更平滑的运动和更好的转矩控制。步进电机也参与了与下面讨论的控制集成。参考文献25、26、27和28提供了基于步进电机的运动控制的进一步信息。
控制与电机集成
这个产品板块被贴上了各种各样的标签——电机-驱动组合;去中心化(或分布式)驱动;集成电机驱动;智能、集成电机驱动等。无论命名如何，这种产品方法试图将电机和电子控制(或尽可能多的电子设备)结合到驱动点的单个封装中。IMD是这里使用的术语。第一批商业产品出现在20世纪90年代中期，正如主要文章中提到的那样，但最初的发展可以追溯到20年前。“来自档案”，本系列文章中的另一个在线扩展，描述了一些早期的发展(参考文献3)。
imd为用户带来了一些好处，例如消除了单独的外壳，减少了由于电机和驱动器之间的长连接电缆而导致的反射电压尖峰和EMC问题，并为更多的电机打开了变速控制的潜力。许多制造商将电机驱动组合产品推向市场。参考文献29和30包括来自大约20家制造商的IMD产品表。然而，imd并没有实现其最初设想的全部潜力，包括市场份额和功率范围的扩大。如今的产品越来越少了。
以上讨论的三种电机类型参与了集成控制设计:1)感应电机和变速驱动器组合，2)PM同步(伺服)电机和伺服驱动器，以及3)各种步进电机和控制包。第2类和第3类的一些产品已经看到了特别广泛的集成，包括运动控制器，电源，处理智能，反馈设备，I/O点和通信总线，所有这些都在电机封装内(参考文献31)。未来的增长更有可能出现在产品类别2和3上。
目前第一类的产品示例包括SEW-Eurodrive的Movimot齿轮电机和西门子的Sinamics G110M(可选变速箱)。第二类产品包括贝加莱自动化的Acoposmulti65m、博世力士乐的indrdrive Mi、穆格动画的SmartMotor产品线、罗克韦尔自动化的Kinetix 6000M集成驱动电机和西门子的Sinamics S120M。基于步进电机的imd(第3类)包括施耐德电气运动美国公司和东方汽车美国公司的ASX系列和5相PKA系列产品的几种NEMA框架尺寸的MDrivePlus。
集成电机和驱动器
Craig Nelson，产品经理西门子工业公司，驱动技术，运动控制，评论了电机驱动一体化的起源。第一代产品被推广为缩短电机和驱动器之间的长引线长度，以及其他好处。在不太理想的条件下，由于加热效应和振动，电机上的电子设备遇到了困难，这影响了早期产品的预期寿命。尼尔森表示:“随着更耐用的第二代分散式产品的出现，‘各种各样的重生’已经出现，这些产品也受益于今天可用的更小的物理驱动器尺寸。”
- Frank J. Bartos，体育博士控制工程贡献内容专家。打电话给他。braunbart@sbcglobal.net
请参阅底部的四篇相关电机和运动控制文章，包括参考文献。
在线额外
www.boschrexroth-us.com
https://us.mitsubishielectric.com
www.motion.schneider-electricmotion.com
https://usa.siemens.com/motioncontrol
www.yaskawa.com
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