1前言

　　金屬板材成形設備廣泛應用于汽車、航空航天、電子、通信及家用電器領域板殼零件的生產，品種和數量繁多，其中以機械式壓力機應用最為普遍。隨著制造業朝著生產規模化、產品個性化的方向發展，產品型號變化加快，生產批量相對變小，多種型號共線生產、覆蓋件大型化，一體化的趨勢日益明顯，要求壓力機不僅能夠高速度、高精度、大負載的運轉，而且應具有更大的柔性，能迅速、方便地改變輸出運動規律。傳統的機械壓力機板料沖樂時由于工作模式固定、運動特性單一、工藝適用性差，無法滿足不同材料、不同沖壓工藝對壓力機滑塊工作曲線柔性可調的要求。特別是近年來，快速發展的粉末成形、難成形材料成形、復雜形狀零件成形、復合成形以及高精度成形對壓力機的工作性能提出了更嚴格的要求，迫切需要開發新一代柔性機械壓力。

　　自上世紀六、七十年代以來，電力電子技術、微電子技術、控制技術和計算機技術的飛速進步，各種電機調速與伺服控制技術獲得了突飛猛進的發展，

　　業技術水平的發展起到了重要的促進作用。但是，與金屬切削設備相比，壓力機械的伺服化、數字化的開發進程落后了數十年。10年前，在美、日、歐等工業發達國家興起了交流伺服電動機直接驅動壓力機的研究與開發，這種伺服壓力機與上述傳統機械壓力機相比具有結構簡單、產品質量高、滑塊運動柔性好、降噪節能顯著等優點，被譽為第三代壓力機。目前，這類壓力機已在日本進人了普及期，隨著其在汽車零件，電子零件等高精度、難成形零件加工領域中的應用和其優良的節能性，已經顯示出了其他壓力機所無法比擬的優越性，己成為世界沖壓技術及裝備發展的主要潮流。

2 伺服驅動技術與伺服壓力機的發展

　　2.1 伺服驅動技術

　　電氣伺服系統根據所驅動的電機類型可分為直流cnc)伺服系統和交流(AC)伺服系統。上世紀50年代，無刷電機和直流電機實現f產品化，并在計算機外圍設備和機械設備上獲得了廣泛應用，70年代更是直流伺服電機應用最為廣泛的時代。但是，直流伺服驅動技術受電機本身缺陷的影響，其發展受到了限制，直流伺服電機存在機械結構復雜、維護工作量大等缺點，在運行過程中轉子容易發熱，影響了與其連接的其他機械設備的精度，難以應用到高速及大容量的場合，機械換向器則成為直流伺服驅動技術發展的瓶頸。交流伺服電機克服了直流伺服電機存在的電刷、換向器等機械部件所帶來的各種缺點，特別是交流伺服電機的過負荷特性和低慣性更體現出交流伺服系統的優越性。所以，交流伺服系統在工業自動化領域得到了廣泛的應用從20世紀70年代后期到80年代初期，隨著微處理器技術、大功率高性能半導體功率器件技術和電機永磁材料制造工藝的發展及其性能價格比的日益提高，交流伺服電機和交流伺服控制系統逐漸成為主導產品。交流伺月陡驅動技術已成為工業領域實現自動化的基礎技術之一，并將逐漸取代直流伺服系統。

　　交流伺服系統按其所采用的驅動電動機的類型 來分主要有兩大類:永磁同步(SM型)電動機交流伺服系統和感應式異步(IM型)電動機交流伺服系統。其中，永磁同步電動機交流伺服系統在技術上已趨于成熟，具有優良的低速性能，并可實現弱磁高速控制，拓寬了系統調速的范圍，適應了高性能伺服驅動的要求。隨著永磁材料性能的大幅度提高和價格的降低，其在工業生產自動化領域中的應用將越來越廣泛，目前已成為交流伺服系統的主流。

　　感應式異步電動機交流伺服系統由于感應式異步電動機結構堅固、制造容易、價格低廉，因而具有‘很好的發展前景，代表了伺服技術電機的發展方向。但由于該系統采用矢量變換控制，相對永磁同步電動機伺服系統來說控制比較復雜，而且電機低速運行時還存在著效率低，發熱嚴重等有待克服的技術問題，目前并未得到普遍應用。
 
　　交流伺服系統的執行元件一般為電動機，功率變換器件通常采用智能功率模塊IPM為進一步提高系統的動態和靜態性能，司一采用位置和速度閉環控制。三相交流電流的跟隨控制能有效地提高逆變器的電流響應速度，并能限制暫態電流，從而有利于IPM的安全工作。速度環和位置環可使用單片機控制，以使控制策略獲得更高的控制性能。電流調節器若為比例形式，則三個交流電流環采用足夠大的比例調節器來進行控制，其比例系數應該在保證系統不產生振蕩的前提下盡量大些，使被控異步電動機三相交流電流的幅值、相位和頻率緊隨給定值快速變化，從而實現電壓型逆變器的快速電流控制。電流比例調節具有結構簡單、電流跟隨性能好以及限制電動機啟動電流快速可靠等諸多優點。從伺服驅動產品當前的應用來看，直流伺服產品正逐漸減少，交流伺服產品則日漸增加，市場占有率逐步擴大。在實際應用中，精度更高、速度更快、使用更方便的伺服產品已經成為主流產品。

2.2 伺服壓力機發展現狀及趨勢

　　隨著伺服驅動技術的發展，上世紀90年代世界工業發達國家興起了伺服壓力機的研究。美國的WIEDEMANN和W.A.WHITNEY公司、西德的TRUMPF和NIXOORF DARADORN公司、日本的AIDA和NISSHINBO公司以及瑞士的RASKIN公司等都對交流伺服壓力機進行了研究。Tokuz建立了交流伺服電機驅動四桿機構的系統模型;R.F.Fung和K.W.Chen通過對壓力機的運動學和動力學分析，研究了交流伺服電機一曲柄滑塊機構的動態模型汀an和Chen提出一種由交流伺服電機驅動的變轉速曲柄滑塊沖床，對十不同的沖壓加工，沖床可提供不同的輸人轉速;日本會田(AIDA)和小松(KO-MATSU)公司先后推出的新型數控壓力機，在傳動結構上采用伺服電機經一級齒輪傳動直接驅動曲柄連桿機構工作。這些交流伺服壓力機類型有:機械連桿伺服壓力機、曲柄多連桿伺服壓力機、直動式伺服壓力機、液壓式精密伺服壓力機和液壓式伺服壓力機等等，壓力機規格從40kN到25000kN。其中，世界上最大的交流伺服壓力機為日本網野公司((AMINO)研制的 25000kN機械連桿伺服壓力機。在2005年3月獲得了日本17屆中小企業優秀新技術獎、新制品獎、優秀獎、技術經營特別獎等大獎.

　　目前，國內對于伺服壓力機的研究也日趨廣泛和深人二)一東工業大學孫友松教授等對直流伺服電動機直接驅動的機械壓力機進行了深人的研究。采用超大容量的電容構成的“電子飛輪”來替代傳統機械壓力機的飛輪。天津大學孟彩芳教授也研究了交流伺服混合輸人式機械壓力機}s}

　　在第十四屆全國機構學學術研討會上，香港中文大學博士生何凱提出了一項新發明:一種可控機械式金屬壓力機。機床山一個恒速電機與一個伺服電機聯合驅動，具有可控、節能、高效及精密等特點。杜如虛、金振林、郭為忠等對一種新型二自山度機械式可控壓力機申請了中國發明專利，機構由異步電機驅動齒輪和曲柄連桿傳動，由交流伺服電機控制，但慣性力平衡問題未得到解決。

　　臺灣地區的鍛壓機床行業雖然起步于上世紀50年代，但由于島內五金、電子行業發展需求，鍛壓機床行業發展迅速，以價廉物美在國際市場上贏得了良好聲譽，每年有80%的鍛壓設備出口。金豐、協易(SEYI)兩公司先后躋身世界鍛壓企業前十名。其中協易(SEYI)公司已成為亞洲第一大沖壓機床供應商，市場占有率超過30%。但臺灣壓力機企業在伺服機械壓力機研究生產上未見報道。

由于國外技術封鎖的原因，國外產品資料中對這種交流伺服壓力機機構特性及控制力‘式的介紹很少，特別是不轉讓大功率交流伺服電動機的技術，加之其大功率的交流伺服電動機或者不銷售、或者價格高得驚人。因此，國內在短時間內還無法推廣使用交流伺服驅動技術

3 開關磁阻伺服驅動技術及其在壓力機中的應用

　　開關磁阻電機(Switched  Reluctance  MotorDrive，簡稱SRD)是上世紀80年代初發展起來的一種新型調速驅動系統，具有結構簡單可靠，調速性能優良，在寬廣的調速范圍內具有較高效率，可以在較小的電流下實現啟動和頻繁正反轉，實現高精度、快響應、高效率和高輸出的性能指標。其轉矩電流明顯高于大多數電機.它不用永磁材料，優勢明顯，已成為直流電機調速、無刷直流電機調速和交流電機調速等系統強有力的竟爭者，引起各國學者和企業界的廣泛關注。經過20多年的研究與發展，目前SRD已開始應用于制造業、航令和家用電器等各個領域，處于全面商品階段

　　3.1 開關磁阻電機工作原理

　　開關磁阻電機運行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，必使自己的主軸線和磁場的軸線重合。

　電機的定子和轉子呈雙凸極形式，極數互不相等，轉子由硅鋼片沖片疊壓而成，無繞組，定子凸極上嵌有集中繞組，定子繞組可根據需要采用串聯、并聯或串并聯結合的形式在相應的極上得到徑向磁場，轉子上裝有位置傳感器來檢測轉子位置信號，使定子繞組按一定的順序通斷，保持電機的連續運行。電機磁阻隨著轉子磁極與定子磁極的中心線對準或錯開而變化，當轉子磁極在定子磁極中心線位置時，相繞組電感最大，當轉子極間中心線對準定子磁極中心線時，相繞組電感最小。

　　以圖中四相8/6極定、轉子的相劉位置作為起始位置，即A相定、轉子極正好相對，切向磁拉力消失，轉子處于平衡狀態。此時斷開A相開關SLS2,合上B相開關，電動機內迅速建立起以Bb為軸線的徑向磁場，磁通通過定子扼、定子極、氣隙、轉子極、轉子扼等處閉合。通過氣隙的磁力線是彎曲的，此時磁路的磁導小于定、轉子磁極軸線重合時的磁導，轉子將受到氣隙中彎曲磁力線的切向磁拉力產生的轉矩的作用，使轉子逆時針力一向轉動150，當定子和轉子極軸線重合時，轉子己達到新的平衡位置。依此類推，定子繞組A-B-C-D相輪流通電一次，轉子逆時針轉動了一個轉子極距。因此，連續不斷地按A-B-C-D的順序分別給定子各相繞組通電，電動機內磁場軸線沿A-B-C-D的方向不斷移動，轉子沿逆時針方向不斷旋轉。如按D-C-B-A的順序給定子各相繞組輪流通電，則磁場沿著D-C-B-A的方向轉動，轉子則沿著與之相反的方向順時針旋轉。

3.2 開關磁阻調速的特點及其與其他幾種調速系統的比較

　　3.2.1調速系統的特點

　　歸納起來，開關磁阻調速電動機具有以下幾方面特點陰:①電機結構簡單、結實、價格低，可用干超速運行及適應惡劣的環境;②轉矩力一向與繞組內電流方向無關，功率變換電路可得以簡化且不會出現直通故障，可靠性大為提高;③啟動轉矩大、啟動電流小，在額定電流之下即可使啟動轉矩比額定轉矩大2-3倍，特別適合于頻繁啟停、頻繁正反轉的場所;④調速范圍寬、調速性能好，易于實現各種特殊要求的轉矩一速度特性;(5)效率高，特別是在寬廣的調速范圍內及負載大幅度變化時，依然保持高效率;⑥能實現四相限運行，具有較強的再生制動能力;⑦轉子上既無繞組又無永磁體，能承受高溫，轉動慣量小。

　　3.2.2與直流調速系統的比較

　　20世紀70年代直流電動機已經具備了調速性能好、調速控制電路簡單、可靠的優勢，并且占據了調速傳動領域的主導地位。然而隨著生產技術的不斷發展，直流調速系統的薄弱環節也就逐漸成為發展提高的障礙。主要問題在于直流電動機所固有的電刷、換向器結構上，電刷與換向器的接觸不良問題，特別容易產生電火花，電刷的磨損需經常維護保養;直流電動機的體積笨重，價格昂貴也都制約了它在高速、大容量、高精度系統及多塵、潮濕、易燃易爆環境下的使用。SRD調速系統屬無刷無級、調速性能優異的調速系統，可在惡劣環境卜免維護運行。

　　3.2.3與交流變頻調速系統的比較

　　20世紀80年代交流感應電動機變頻調速系統由丁結構簡單、體積小與調速方便受到了人們的追捧。在現實使用中，人們對它們的表現依然感到不滿意。主要因為交流感應電動機變頻調速系統在額定轉速、額定負載下運行時效率和功率因素較高，而一旦低速運行或負載變化時，其效率和功率因素將急劇下降，電機與變頻器發熱嚴重。當外部環境溫度、濕度較高時，往往造成過熱保護動作，只有等待溫度降下來之后，才能重新啟動該機使其正常運行另外，變頻器不可能根本解決感應電動機啟動電流大的毛病，變頻調速系統工作時還不可避免地存在電磁諧波對電路系統的+擾。開關磁阻電機調速系統由于在全調速范圍內均具有高效率，不存在低速運行及負載變化時電機、控制器嚴重發熱問題。SRD啟動電流小、啟動轉矩大的優點更能適應頻繁啟停、頻繁正反轉的壓力機械的需求。SRD的電磁諧波干擾也比變頻調速系統小得多

　　3.2.4與直流無刷電機調速系統的比較

　　直流無刷電機調速系統也是現代交流調速系統的杰出代表之一。它的最大特點是用恒磁體做電機的轉子，定子繞組則山一組電子開關有選擇地通電。其轉矩產生的原理類似于直流電動機，但省掉了電刷、換向器，實現了“無刷”。隨著國內電力電子控制技術水平、恒磁材料加工水平的提高及電機制造手段、工_藝的進步，直流無刷電動機調速系統的研究開發、產業化進展迅速，產品逐步得到r用戶的一認可。但遺憾的是直流無刷電機運行時，轉子中的}h磁體會長期處于交變磁場之中，磁性逐漸出現衰退是不可避免的。這樣，最終將會導致這種電機的有效出力和效率不斷下降。在這方面卻又恰恰是開關磁阻電機調速系統強項，由于其轉子并沒有使用恒磁材料，因此，也就從根本上杜絕了上述現象。

　　3.3 開關磁阻電機在壓力機中的應用

　　近年來，國內一些高校和企業開始就開關磁阻電機在壓力機行業的應用展開研究與推廣工作，利用開關磁阻調速系統取代現有的壓力機驅動系統，針對不同的機型，對一設備的結構進行了改進，開發出了一系列開關磁阻數控壓力機，主要包括螺旋壓力機、伺服壓力機、調速壓力機、熱模鍛壓力機等。開關磁阻數控壓力機已在國內多家單位投人試適行，取得了如下喜人的研究成果:

　　(1)滑塊運動實現數貪化控制。滑塊運動曲線可根據工藝要求進行數字設置，可以設計特殊的工作特性曲線，進行高難度、高精度加工，能夠實現低速鍛沖急回的變速功能。

　　(2)生產率提高。可以根據工況和自動化連線的需要，在較大范圍內數字沒定滑塊行程次數，其寬范圍調速功能，可以提高生產率。

　　(3)設備柔性、通用性提高。現有壓力機根據工藝不同而種類繁多，開關磁阻數控壓力機可依工藝調節，而滿足不同工藝的需求，使同一臺壓力機工作在不同工況，如同一臺螺旋壓力機可以工作在制坯、預鍛、終鍛等不同工藝狀態，也可實現多膛模鍛。

　　(4)制件精度高、模具壽命長。因工作能量和速度可準確數控，使制件精度和模具壽命顯著提高

　　(5)結構簡化。摩擦壓力機可去掉雙摩擦盤，離合器式螺旋壓力機可去掉離合器及其提升機構，伺服壓力機沒有了大皮帶輪、離合器等。

　　(6)節能。壓力機多在額定狀態點以下工作，開關磁阻電機比其他電機耗能低，在低速運行時，節能更加明顯。31 SOkN開關磁阻數控調速壓力機驅動電機30kW，一般沖片每小時耗電S度左右。數控螺旋壓力機、數控伺服壓力機沒有離合器結合能耗，滑塊停止后，電機停轉，也沒有了電機、皮帶輪空轉，能耗顯著降低。目前應用中的開關磁阻數控螺旋壓力機比摩擦螺旋壓力機節能50%以上。

　　(7)工作可靠性高。與其他電機系統相比，開關磁阻電機轉子即無繞組也無永磁體，機械強度高。電機在三相輸入電源缺相或者欠功率運行或者悶車的情況下，不會燒毀電機和控制器。功率器件不會發生因控制錯誤導致短路而燒毀的現象，并且溫升低。

4 結論

　　伺服壓力機可大大提高設備的自動化、智能化水平，改善壓力機的工作特險，是新一代成形設備的發展方向。目前，國內受高容量、大扭矩、低轉速交流伺服驅動技術的制約，限制了該技術在壓力機.上的推廣應用。鑒于開關磁阻電動機的明顯優點一將汗關磁阻電機應用于機械壓力機領域，研制開發開關磁阻電機直接驅動伺服壓力機，對現階段我國壓力機行業技術水平的提升是極其必要的。