矢量控制与电动伺服竞争

关键字 电机与运动控制 电动伺服系统 病媒控制 交流/直流电机驱动 转矩和位置控制 栏: 平等的表现?

本文(2的第1部分)比较了各种技术，并介绍了选择指南。9月份的第2部分将探讨应用程序。

很久很久以前。采用永磁同步电机的电动伺服系统代表了高动态位置和转矩控制的极限。在很长一段时间里，这是“镇上唯一的游戏”。过去十年的几项技术进步提高了基于流行的异步(交流感应)电机的闭环磁链矢量控制的能力。今天，矢量控制(VC)在许多情况下可以与传统的伺服系统竞争。

虽然人们普遍认为风险投资提供了一个可行的选择，但关于绩效水平的争论仍然存在。罗克韦尔自动化/信实电气(Cleveland, O)高性能交流和直流驱动器产品线经理Roy M. Anderson表示，这在很大程度上取决于特定应用的响应和周期时间要求。他指出，为了进行定位，更复杂的矢量控制系统将运动控制器嵌入到驱动器中。这种趋势在工业VC驱动器中才刚刚开始。

VC驱动器可以作为放大器运行，遵循外部运动控制器命令，并且可以配置为纯转矩调节器以获得最佳性能。安德森说:“只要循环次数在每分钟30次或更少，矢量控制就可以成为一种非常可行的解决方案，同时很容易达到1,500 rad/秒的响应时间，与低端伺服系统的响应速度相当。”

这张来自Yaksawa Electric的雷达图显示了伺服与伺服的传统观点。
病媒控制能力。有界图形区域的大小表示性能。
三菱电机也使用了非常相似的图形技术比较。

相似之处,但差异

这两种方法在电子方面趋于一致。两种驱动类型都有相同的动力部分。两者都依赖于带反馈的闭环操作。(这里不讨论无传感器矢量控制。)

罗克韦尔自动化/Allen-Bradley高性能交流驱动器产品线经理William Sinner说:“基本上，矢量驱动器和伺服驱动器都使用矢量控制。”主要的区别来自于适用的电机。在伺服解决方案中，来自驱动器的电流仅用于产生扭矩，将“矢量”控制简化为一个电流组件。他说:“磁铁产生的电机磁通立即可用，使低速运行更平稳，反应更快。”

在矢量解决方案中，在所有速度下，电机的驱动电流在产生磁通和产生转矩的组件之间分配。驱动器区分这些组件的好坏决定了VC系统的整体性能(参见侧栏)。在产生转矩之前，必须首先在感应电动机中建立磁链。“在需要高周期速率或极快响应的应用中，时间延迟可能会很明显，”辛纳补充说。

对于交流感应电机来说，指令速度和定位时间的超调通常比无刷直流(bldc)伺服电机要大。伺服电机的低惯性和永磁磁场导致更清晰，更灵敏的性能;不过，这种性能在大多数工业应用中并不需要。

有些公司既专注于伺服控制，也专注于矢量控制，两者之间几乎没有区别。曼内斯曼力士乐(Mannesmann Rexroth) Indramat部门的高级工程师埃里克森(William Erickson)说，在第一次测试中，一种类型的高性能驱动器和另一种是一样的。我几乎可以给你一个矢量系统，它将在大多数功率和扭矩范围内执行等同于PM无刷伺服系统(见侧栏)。细微的差别将决定最终的选择。

同样的算法可以用来控制任何一个系统。位置循环闭包不是矢量控制固有的，而是外部提供给算法的。有些人认为这是一个区别。然而，这与无刷电机的换相方案类似，在无刷电机中，必须知道转子相对于定子的方向，以控制转矩，埃里克森先生解释说。

西门子自动化与驱动公司(德国埃尔兰根)认为伺服和矢量驱动版本之间的界限从历史上开始变得模糊。研发经理Albert Wick博士表示，电力电子、微电子和现场总线技术的进步是主要原因之一。越来越多的供应商现在提供一种能够运行感应电机和同步电机的驱动器。此外，额外的功能，如闭环位置控制，正在以合理的成本集成到驱动包中。

威克博士说控制工程“今天，一些制造商提供具有高质量矢量控制的交流驱动转换器，其控制特性接近伺服驱动器。”

任何其他名称的伺服器。

根据伺服的经典定义——“任何带有反馈装置的原动机”——Baldor Electric Co.的观点是，矢量驱动器在定位应用中占有一席之地。对于定位，VC驱动器使用可编程的位置控制器和标准

他列举了VC驱动器的一些优点，包括可靠性，额定扭矩到零速度的能力，精确的速度控制(在低端和高达几倍的基本速度)，高于额定速度的恒定功率输出，以及各种可编程功能。

然而，Mazurkiewicz先生评价直流有刷和无刷型伺服系统的加速性能-定位速度更快，单元尺寸更小，电机惯量更低-领先于矢量控制。(见技术对比表)Baldor的VC系统在460伏交流时输出60马力(45千瓦)(或230伏交流时输出30马力)，使用专门为定位设计的感应电机。它们直径更小，惯性更低，比标准感应电机长。

安川电气美国公司产品工程总监Ron Koehler指出，早期的矢量控制服务于高精度的速度调节，而不是精确的位置控制。但是伺服应用包含不止一个性能级别。克勒认为，VC驱动器将大量涌入“低性能”伺服市场，而不是“高性能”伺服市场。

一个单独的控制器(可以是外部的)提供位置回路。它的扭矩参考扫描率必须与驱动器的输入相匹配，Yaskawa说。新一代矢量控制的扫描时间为2毫秒，有些低于1毫秒。另一方面，伺服系统的模拟输入扫描时间为250毫秒。

然而，矢量控制驱动器的位置精度能力仍然落后于伺服控制。矢量控制可以达到约0.1毫米的精度，而伺服控制器只能达到0.001毫米的精度。

三菱电机自动化公司(Mitsubishi Electric Automation, Vernon Hills, Ill.)指出了这些驱动方法之间的差异，其中包括启动或低速短时间扭矩，伺服系统通常为300-400%，而矢量控制为150%;速度控制范围(5000:1 vs 1500:1);速度带宽(250hz vs. 32hz)。这反映了来自PM伺服系统的更高动态性能的传统观点。变频器高级产品经理Stephen Racine称VC是一种低成本、低需求的伺服控制方法。在许多情况下，任何一种方法都可以完成工作，但是当电机和驱动器单独购买并且易于维护时，矢量控制是首选。伺服产品工程师布鲁斯•赫尔曼(Bruce Herman)补充道:“永磁伺服系统提供自适应调谐，这是一种优势，可以在系统发生变化时保持更高的性能，比如修改生产或输出需求。”

华纳电机与控制事业部电子产品总工程师Ray W. Rosati评论说:“矢量控制可以在更高功率的应用中取代伺服。”矢量控制提供了类似于无刷伺服的性能，后者的可用额定功率和产量更有限(因此成本更高)。考虑VC的扭矩要求从4 Nm到100 Nm，速度到1800 rpm，功率范围从0.75 kW到100 kW。

然而，VC带有诸如“要求较低的应用”和“较低的带宽”之类的警告。在华纳看来，伺服系统仍然主导着高加速、低功率和高速度(6000转以上)的市场。罗萨蒂补充说:“无刷版本通常是非常快速、精确运动的首选系统。”

“实际上，这是一个病媒控制系统是闭环伺服系统。弗吉尼亚州科尔摩根(kollmorgan)的营销总监汤姆•英格伦(Tom England)说，唯一的差异在于它们之间的业绩比较。

由于前面提到的电机的技术差异，VC“感应伺服”通常用于更高功率的应用。与PM解决方案相比，感应电机系统的成本通常较低，特别是在更高功率范围内，这为具有可比性能的实用替代方案提供了选择。

在kollmorgan, VC应用于额定功率为12kw及以上的系统，不需要高动态响应，通常速度带宽小于50hz。England先生说:“矢量伺服在不需要高带宽响应的过程控制应用中特别有效。他以连续流量控制和一些网络处理应用程序为例。

ABB工业系统公司(新柏林，威斯康星州)提出了一个特殊的案例，因为它的伺服替代交流控制方法- dtc(直接扭矩控制)-是一种无传感器的解决方案。ABB驱动与电力产品工业销售总监Chuck Hollis解释说，芬兰开发的DTC的主要优势是其功率范围为1.5-4,500 kW，而PM无刷舵机的典型功率范围为15 kW。

有很多快速反转、速度变化和非常精确定位的应用应该留给电动伺服系统。霍利斯说，有了DTC(矢量)驱动，感应电机可以实现过去从未想过的性能，而且应该被考虑用于现在由伺服电机提供的许多用途。

例如，ACS600 DTC驱动器(2.2 ~ 315kw)具有定位专用的工作模式。集成的定位软件(周期时间和刷新率为1毫秒)消除了外部运动控制器的成本。一个模拟

1 hp (0.75 kW)时的驱动技术比较

	病媒控制	刷式伺服	无刷伺服
速度转	1800 *	~ 2000	更高的速度
Accel率	1000 rad /秒	快	最快
响应时间	0.188秒	快	最快
典型的大小	7.6 -。外径(193mm)	4。外径(102mm)	3.5 -。平方(89毫米平方)
惯性,lb-in.-sec	0.052 (58.7)	0.024 (27.1)	0.0025 (2.8)
* -基本速度:电机可以在更高的速度下运行 来源:Baldor电气与控制工程

电机比较

选择标准	交流伺服电动机	感应电动机
重量	轻50%
大小	小60%
功率效率	减少30%的损失	0.8功率因数
温度	效率高，热损耗主要发生在定子	转子发生热损失
不得使用鼓风机	风机可选配，不带风机	40%降额
短路制动	可能的
动力学	70%低惯性
转矩精度		到
准确的定位	好	好
扭矩>60 Nm可选		高达1,000 Nm
价格		最高降低30%
1-quadrant操作		低成本的齿轮电机组合可用
紧急备份操作		可以直接由三相电源供电吗
来源:Atlas Copco Controls

如何选择

一般指导方针因制造商而异。在罗克韦尔/信实，伺服驱动器优先用于高周期速率(>30/min);低惯性负载(&10倍电机转子惯性);额定功率为10马力(7.5千瓦)或更小。相反的属性适用于矢量驱动器:低周期率，高惯性负载，额定功率超过2马力。Rockwell/ a - b的Mr. Sinner提出了一份清单，将应用程序性能需求与解决方案的功能集相匹配;例如:

• 考虑速度带宽、工艺周期时间和低速运行需求;

• 查看信号吞吐量时间(参考是网络还是模拟信号?);和

• 需要位置控制吗?是否需要在速度和扭矩模式之间切换?

Indramat的埃里克森采取了一种务实的选择方法。如果PM伺服系统提供足够的扭矩和速度，他就走这条路，如果没有，选择矢量伺服。这涵盖了90%的病例;他说，在剩下的10%中，我关注的是惯性效应。如果系统负载惯性占主导地位，则会出现可控性问题(振荡、不稳定)，而如果电机惯性占主导地位，则会影响效率。一个重要的重叠退出和其他细节进入最终选择。

使用高分辨率反馈是Indramat增强矢量伺服系统背后的一个因素。埃里克森解释说，对于伺服性能，你需要不同的反馈。他的基准是>100,000计数/转速，这样分辨率就不会成为系统的限制因素。他将伺服范围的低端置于20-25k计数/转速，这满足了大多数低功率/扭矩应用，其中成本至关重要。典型的工业VC系统使用较粗的反馈。

高精度反馈的成本是多少?根据Indramat的说法，对于5-10 kW范围内的电机或整个系统来说，这并不重要(每轴约有2%的差异)。然而，它可能是禁止使用一个小电机。

Baldor(和其他制造商)建议，负载惯性，更重要的是，“反射”回电机的惯性是需要进一步考虑的问题。在实际情况下，较小的负载-电机惯性比是最好的，但对于如何接近匹配惯性的意见不同(参见CE， 1997年9月，第103页)。要了解更多关于惯性指南的信息，请参阅本文的“在线额外”www.globalelove.com．

尽管有相似之处，但产品实现往往是不同的。西门子的威克博士为每种方法提供了一些独特的特点。矢量控制通常用于单轴驱动器，可在宽输出范围(远高于200千瓦)，操作简单。电机和驱动器通常从不同的制造商购买，总成本明显较低(40-70%的伺服驱动器)。

对于他们来说，伺服控制有单轴和多轴两种版本，具有精确的高动态性能(闭环扭矩控制)，并且通常可提供高达160千瓦的输出。而且，闭环定位控制往往将驱动和数控功能集成为一个单元。

安川电机的科勒建议计算所需的加速扭矩，以此作为决定矢量控制是否适合定位任务的起点。加速速率越快，加速扭矩要求越高。安川西格玛系列伺服处理300-400%的扭矩;与VC驱动器相比，这是150-200%。

其他基本选择因素包括速度范围、系统惯性、速度和转矩控制带宽、模拟输入扫描时间和编码器分辨率。Yaskawa引用的矢量控制的典型分辨率值为1,024 ppr，编码器频率响应为300 kHz;类似的机床(伺服)应用程序将有8,192 ppr/500 kHz。

同样，华纳电气建议检查是否有足够的峰值扭矩可以在规定的时间内加速/减速系统惯性(电机加负载)。罗萨蒂补充说:“一个不错的起点是使用惯性与负载相似的感应电机。”

布鲁斯巴特勒，区域销售经理控制技术(美国总部，Chanhassen，明尼苏达州)同意模糊的VC和伺服技术。然而，他总结道，为了找到最佳解决方案，必须逐个审查申请细节。

他选择伺服解决方案的标准包括高加速/减速时间，周期率超过450/min，负载/电机惯性比为10:1或更高，以及是否需要多轴线性或圆插值。

巴特勒先生进一步解释说，电机速度往往有利于伺服方法。感应电动机可以在基本转速以上工作，但在较高转速下，其扭矩输出迅速下降。伺服电机的标准基本速度可达6,000 rpm。

成本，尺寸角度

现成的可用性和低成本的感应电机有利于VC系统。在较大的尺寸，20-150千瓦，他们主导所有其他电机类型的一般应用。此外，越来越多的生产商提供的VC驱动器的尺寸低至0.37 kW，但这不是他们的竞争范围。很少有50千瓦以上的永磁伺服电机。一个新的公告是可用的三菱的PM无刷电机高达55千瓦，在460伏交流。

当两种技术竞争同一种应用时，不同公司之间存在一个不同的经济断点。有关进一步的成本观点和例子，请参阅我们的“在线额外”。

尽管如此，PM伺服系统在今天享有更广泛的接受，并且在较小的单位尺寸中数量最多。然而，展望未来，伺服和矢量技术似乎都注定要扩大未来。也可能从此过上幸福的生活。

平等的表现?

比较大小截然不同的伺服电机和感应电机是显示其真实性能的一种方式。Indramat公司的工程师威廉•埃里克森(William Erickson)对一台11千瓦的永磁无刷伺服电机和一台225千瓦的感应电机进行了“速度小信号阶进响应”比较。这些测试是衡量系统动态的一种方法。

对比结果显示，伺服电机和感应电机在达到指令速度时的动态响应几乎相等——分别为10毫秒和12毫秒——(见图1和2点)。在这个演示中，稳定时间不被认为是重要的，也没有特别的努力来优化它。

埃里克森说，要获得这样的表现，有几个关键因素是需要的。为了使其发挥作用，他将高速数字信号处理器和高分辨率反馈集成到解决方案中(经正交检测后，最高可达400万ppr)。他补充说:“技术影响不大，两种方法的性能都有可能在2%到5%之间。”

阿特拉斯·科普柯控制公司(瑞士Penthaz;匹兹堡，宾夕法尼亚州)密切参与矢量控制和伺服方法。SAM驱动器产品经理Bernard Schneider通过实验比较了PM伺服电机和感应电机对8 Nm转矩步长的响应。电动机具有相同的惯性、惯性负载、解析器反馈和其他规定。研究结果表明，两个电机在转矩步骤后4毫秒具有“完全补偿”，即“没有更明显的误差”。施耐德总结道:“我们有可能像控制交流伺服电机那样精确地控制感应电机。只要驱动器能控制产生磁通的电流元件，而不受产生转矩的电流的干扰。

还可以看到阿特拉斯·科普柯比较这些电机类型的选择标准的表。

罗克韦尔自动化/信实公司(Cleveland, O.)在没有连接负载的情况下，对bldc伺服电机和感应电机(3.3 Nm和4.07 Nm失速扭矩)的性能进行了比较，为定位应用提供了进一步的见解。对于100 msec速度指令，伺服电机表现出优越的速度和位置响应。在300毫秒的指令下，罗克韦尔认为对于许多工业用途来说是合理的，感应电机具有非常线性的加速/减速曲线，最小的超调，0.1转速跟随误差。

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