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業生產中都占據了重要地位。據統計，世界發電總量的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構簡單、牢固耐用、經濟可靠以及易于組織工業生產等優點，但長期以來如何解決其調速性能和改善其功率因數，尤其是在高精度伺服控制領域，技術上一直未取得突破，使得交流異步電機的應用受到較大的限制。隨著微電子、計算機與功率半導體技術的飛躍發展，對交流異步電機實現伺服控制成為可能。傳統的交流異步電機在發揮其固有優勢的基礎上，可以大大擴展自身的應用領域，并展現出新的青春活力。特別是信息技術的發展，如網絡技術，迫使傳統工業控制單元也必須信息化、數字化。時光科技的“數字驅動技術”正是信息技術與傳統控制單元技術相結合的典型代表，它將在21世紀成為伺服驅動領域的主流之一，特別是大功率伺服領域更具優勢。該技術已經引起世界各國的關注與興趣。
本文僅介紹面向三相交流異步電機的全數字化高速高精度交流伺服驅動技術及其應用情況。
2 新型全數字化伺服驅動系統的特點及其主要技術指標
北京時光科技新型全數字化伺服驅動系統的技術特點如下:
(1) 系統級芯片soc(system on a chip)技術
soc技術是面向21世紀的新概念，即“系統級芯片”技術。隨著半導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展，面向某個專業技術領域結合數字和模擬技術，并將a/d，d/a，i/o，lsi logic網絡通信，以及對用戶開放的rom，ram甚至電源與電源驅動電路pwm等都可以集成在同一封裝芯片內，高效率地實現特定功能的asic已成為21世紀的最新技術之一。
本系統成功地實現了在32位risc體系微處理器上嵌入lsi logic以及模擬、數字i/o、rs-232、422串并行通訊、d/a、a/d轉換、快速運動控制語言及其優化編譯器、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(os)的面向三相交流異步電機等高精度伺服控制系統的系統級芯片，其性能高于目前的dsp。該芯片的研制成功，可實現高效運作，極大地縮短產品的上市時間，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的各項性能指標和降底了研制與生產成本。
(2) 軟件技術(software)
軟件技術具有很強的繼承性，版本升級是軟件產品更新的主要手段。支持本系統的software技術平臺是soc的操作系統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字節寄存器;
b) i/o指令;
c) 串行、并行數據通信;
d) 顯示指令;
e) 運算指令;
f) 邏輯指令;
g) 數據存儲指令;
h) 電機控制指令;
i) 跳轉等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)的銘牌參數以及控制要求，就可以在不改變硬件系統的條件下，任意開發硬件支持下的所希望的目標產品，其開發速度、成本、性能都是目前傳統技術所無法相比的。
(3) 系統級智能功率模塊技術(sipm)
功率模塊是電機控制系統的關鍵技術與部件之一，目前，ipm(智能功率模塊)，asipm(專用智能功率模塊)代表了今后的發展方向。sipm是我們提出來的新概念，新成果，新產品，是時光科技獨創的系統級智能功率模塊。
(4) 電機技術
電機，是控制的重要對象。在數控領域，我們追求的目標是:高效、高速(12000r/min以上)、高精度。
(5) 網絡與通訊技術
網絡與通訊加上自動化控制技術，將是21世界工業自動化的發展方向。該數字系統具備通過網絡與通訊技術的全球范圍內的遠程故障診斷，維修，技術開發與實時控制功能，真正實現了it與傳統技術的相結合，并形成一個全新概念的系統產品。
3 本技術的特點
(1) 電機容量范圍寬
目前國際上在高精度領域占據主導地位的dc無刷伺服電機(永磁交流同步電機)由于物理條件的限制，其功率一般在數十千瓦以下，因此限制了其應用領域，而本數字驅動系統，從數瓦到數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域;
(2) 低成本
從電機自身機構、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，故價格優勢極大;
(3) 轉速與轉矩的獨立控制
本數字驅動系統可以實現三相交流異步電機任意轉速與轉矩的“解耦”控制，可以實現“復雜系統”的控制;
(4) 超小型化
隨著微電子與功率半導體技術的迅速發展，新型控制系統的硬件結構可以不斷向小型化方向發展;
(5) 高性能
32位cpu+asic+專用ic的一體化(soc)設計，面向三相交流異步電機的全數字矢量控制，實現了模擬技術與數字技術的融合，極大地提高了系統的各項性能指標。以伺服系統的核心指標為例:速度控制比n=vmax/a可達1:30000以上，并可實現零速力矩控制;
(6) 高可靠性
由于采用了soc(系統級芯片)與(s)ipm(或igbt)和新型開關電源模塊，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。這也是全數字化技術的最大優點之一;
(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方式自由設定;
(8) 其它
遠程通信、故障診斷、維修與技術支持、控制等功能。
4 應用
(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，能夠對電機進行大范圍穩定、準確的高精度速度控制。在負載力矩變化時保持速度不變。已成功應用于機床高速主軸(最高轉速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，按ims伺服控制器標配的2500線pg計算，相當于電機轉動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。例如數控機床的進給、線材、管材的定尺切割、集裝箱放射性掃描、醫療器械的定位、需要高精度定位、大轉矩的注塑機等。
(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范圍內通過系統參數設定，還可以通過編程設定任意加、減速曲線。在要求平穩啟、停和頻繁加、減速的設備和裝置，如電梯、電動車等，時光伺服控制器得到廣泛的應用。
(4) 轉矩控制
時光伺服控制器在電機基頻以下的最大轉矩輸出為3倍額定轉矩，并能夠進行控制。轉矩控制精度為±2%，且保持速度穩定和位置準確。由于零轉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，發揮了其優良的特性。時光伺服控制器應用在油田抽油機上，將功率因數從0.458提高到0.795。大大節約了電能和維護費用。
(5) 同步控制
雙pg伺服控制器，能夠實現主、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，實現從機跟隨主機同步運轉，包括速度和位置，而且可以通過電子齒輪參數設定跟隨的比例。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，實現多機同步運轉。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備上，可以取代復雜的機械結構。
5 北京時光科技未來技術的發展方向
時光科技的技術的發展方向是面向直線電機與非晶材料電機的控制技術。
5.1直線電機及其控制技術的優點[2]
(1) 沒有機械接觸，除了導軌外沒有其它摩擦;
(2) 結構簡單，體積小，以最少的零部件數量實現高速往復直線驅動;
(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) 精度和重復精度高，因消除了影響精度的中間環節，系統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
非晶材料的學名是-非晶態合金，又稱金屬玻璃[3]，其特點是:高導磁率、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。美國非晶態合金專家盧博爾斯基通過計算指出:“用非晶態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 結束語
電機及其控制是工業自動化的最底層、最基本的單元之一，也是眾多學者認為是理論、技術成熟的領域。而恰恰是這些“基本控制單元”在國內大多是空白，故嚴重影響了我國工業的技術進步與發展。信息科學，特別是微電子與功率半導體技術的發展，為我們自動化學科帶來了新的生機與挑戰。時光科技愿意與國內外企業界密切合作，共同推動我國工業技術進步的進程。
參考文獻
[1] 正田 英介:リニァドラィブ技術とその應用，オ-ム社，日本(1999年)
[2] 增本 健:アモルファス金屬のおはなし，日本規格協會(2003年)
作者簡介
余達太(1946-) 男 教授/博士生導師 2002年出任時光科技有限公司(國家開發投資公司與北京科技大學共同投資)總經理、時光科技研發院院長。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
