1前言
金属板材成形设备广泛应用于汽车、航空航天、电子、通信及家用电器领域板壳零件的生产，品种和数量繁多，其中以机械式压力机应用最为普遍。随着制造业朝着生产规模化、产品个性化的方向发展，产品型号变化加快，生产批量相对变小，多种型号共线生产、覆盖件大型化，一体化的趋势日益明显，要求压力机不仅能够高速度、高精度、大负载的运转，而且应具有更大的柔性，能迅速、方便地改变输出运动规律。传统的机械压力机板料冲乐时由于工作模式固定、运动特性单一、工艺适用性差，无法满足不同材料、不同冲压工艺对压力机滑块工作曲线柔性可调的要求。特别是近年来，快速发展的粉末成形、难成形材料成形、复杂形状零件成形、复合成形以及高精度成形对压力机的工作性能提出了更严格的要求，迫切需要开发新一代柔性机械压力。
自上世纪六、七十年代以来，电力电子技术、微电子技术、控制技术和计算机技术的飞速进步，各种电机调速与伺服控制技术获得了突飞猛进的发展，
业技术水平的发展起到了重要的促进作用。但是，与金属切削设备相比，压力机械的伺服化、数字化的开发进程落后了数十年。10年前，在美、日、欧等工业发达国家兴起了交流伺服电动机直接驱动压力机的研究与开发，这种伺服压力机与上述传统机械压力机相比具有结构简单、产品质量高、滑块运动柔性好、降噪节能显著等优点，被誉为第三代压力机。目前，这类压力机已在日本进人了普及期，随着其在汽车零件，电子零件等高精度、难成形零件加工领域中的应用和其优良的节能性，已经显示出了其他压力机所无法比拟的优越性，己成为世界冲压技术及装备发展的主要潮流。
2 伺服驱动技术与伺服压力机的发展
2.1 伺服驱动技术
电气伺服系统根据所驱动的电机类型可分为直流cnc)伺服系统和交流(AC)伺服系统。上世纪50年代，无刷电机和直流电机实现f产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛应用，70年代更是直流伺服电机应用最为广泛的时代。但是，直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制，直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。所以，交流伺服系统在工业自动化领域得到了广泛的应用从20世纪70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺月陡驱动技术已成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。
交流伺服系统按其所采用的驱动电动机的类型 来分主要有两大类:永磁同步(SM型)电动机交流伺服系统和感应式异步(IM型)电动机交流伺服系统。其中，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于成熟，具有优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统调速的范围，适应了高性能伺服驱动的要求。随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。
感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固、制造容易、价格低廉，因而具有‘很好的发展前景，代表了伺服技术电机的发展方向。但由于该系统采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行时还存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前并未得到普遍应用。
交流伺服系统的执行元件一般为电动机，功率变换器件通常采用智能功率模块IPM为进一步提高系统的动态和静态性能，司一采用位置和速度闭环控制。三相交流电流的跟随控制能有效地提高逆变器的电流响应速度，并能限制暂态电流，从而有利于IPM的安全工作。速度环和位置环可使用单片机控制，以使控制策略获得更高的控制性能。电流调节器若为比例形式，则三个交流电流环采用足够大的比例调节器来进行控制，其比例系数应该在保证系统不产生振荡的前提下尽量大些，使被控异步电动机三相交流电流的幅值、相位和频率紧随给定值快速变化，从而实现电压型逆变器的快速电流控制。电流比例调节具有结构简单、电流跟随性能好以及限制电动机启动电流快速可靠等诸多优点。从伺服驱动产品当前的应用来看，直流伺服产品正逐渐减少，交流伺服产品则日渐增加，市场占有率逐步扩大。在实际应用中，精度更高、速度更快、使用更方便的伺服产品已经成为主流产品。
2.2 伺服压力机发展现状及趋势
随着伺服驱动技术的发展，上世纪90年代世界工业发达国家兴起了伺服压力机的研究。美国的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公司等都对交流伺服压力机进行了研究。Tokuz建立了交流伺服电机驱动四杆机构的系统模型;R.F.Fung和K.W.Chen通过对压力机的运动学和动力学分析，研究了交流伺服电机一曲柄滑块机构的动态模型汀an和Chen提出一种由交流伺服电机驱动的变转速曲柄滑块冲床，对十不同的冲压加工，冲床可提供不同的输人转速;日本会田(AIDA)和小松(KO-MATSU)公司先后推出的新型数控压力机，在传动结构上采用伺服电机经一级齿轮传动直接驱动曲柄连杆机构工作。这些交流伺服压力机类型有:机械连杆伺服压力机、曲柄多连杆伺服压力机、直动式伺服压力机、液压式精密伺服压力机和液压式伺服压力机等等，压力机规格从40kN到25000kN。其中，世界上最大的交流伺服压力机为日本网野公司((AMINO)研制的 25000kN机械连杆伺服压力机。在2005年3月获得了日本17届中小企业优秀新技术奖、新制品奖、优秀奖、技术经营特别奖等大奖.
目前，国内对于伺服压力机的研究也日趋广泛和深人二)一东工业大学孙友松教授等对直流伺服电动机直接驱动的机械压力机进行了深人的研究。采用超大容量的电容构成的“电子飞轮”来替代传统机械压力机的飞轮。天津大学孟彩芳教授也研究了交流伺服混合输人式机械压力机}s}
在第十四届全国机构学学术研讨会上，香港中文大学博士生何凯提出了一项新发明:一种可控机械式金属压力机。机床山一个恒速电机与一个伺服电机联合驱动，具有可控、节能、高效及精密等特点。杜如虚、金振林、郭为忠等对一种新型二自山度机械式可控压力机申请了中国发明专利，机构由异步电机驱动齿轮和曲柄连杆传动，由交流伺服电机控制，但惯性力平衡问题未得到解决。
台湾地区的锻压机床行业虽然起步于上世纪50年代，但由于岛内五金、电子行业发展需求，锻压机床行业发展迅速，以价廉物美在国际市场上赢得了良好声誉，每年有80%的锻压设备出口。金丰、协易(SEYI)两公司先后跻身世界锻压企业前十名。其中协易(SEYI)公司已成为亚洲第一大冲压机床供应商，市场占有率超过30%。但台湾压力机企业在伺服机械压力机研究生产上未见报道。
由于国外技术封锁的原因，国外产品资料中对这种交流伺服压力机机构特性及控制力‘式的介绍很少，特别是不转让大功率交流伺服电动机的技术，加之其大功率的交流伺服电动机或者不销售、或者价格高得惊人。因此，国内在短时间内还无法推广使用交流伺服驱动技术
3 开关磁阻伺服驱动技术及其在压力机中的应用
开关磁阻电机(Switched Reluctance MotorDrive，简称SRD)是上世纪80年代初发展起来的一种新型调速驱动系统，具有结构简单可靠，调速性能优良，在宽广的调速范围内具有较高效率，可以在较小的电流下实现启动和频繁正反转，实现高精度、快响应、高效率和高输出的性能指标。其转矩电流明显高于大多数电机.它不用永磁材料，优势明显，已成为直流电机调速、无刷直流电机调速和交流电机调速等系统强有力的竟争者，引起各国学者和企业界的广泛关注。经过20多年的研究与发展，目前SRD已开始应用于制造业、航令和家用电器等各个领域，处于全面商品阶段
3.1 开关磁阻电机工作原理
开关磁阻电机运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线和磁场的轴线重合。
电机的定子和转子呈双凸极形式，极数互不相等，转子由硅钢片冲片叠压而成，无绕组，定子凸极上嵌有集中绕组，定子绕组可根据需要采用串联、并联或串并联结合的形式在相应的极上得到径向磁场，转子上装有位置传感器来检测转子位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断，保持电机的连续运行。电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大，当转子极间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。
以图中四相8/6极定、转子的相刘位置作为起始位置，即A相定、转子极正好相对，切向磁拉力消失，转子处于平衡状态。此时断开A相开关SLS2,合上B相开关，电动机内迅速建立起以Bb为轴线的径向磁场，磁通通过定子扼、定子极、气隙、转子极、转子扼等处闭合。通过气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁导，转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用，使转子逆时针力一向转动150，当定子和转子极轴线重合时，转子己达到新的平衡位置。依此类推，定子绕组A-B-C-D相轮流通电一次，转子逆时针转动了一个转子极距。因此，连续不断地按A-B-C-D的顺序分别给定子各相绕组通电，电动机内磁场轴线沿A-B-C-D的方向不断移动，转子沿逆时针方向不断旋转。如按D-C-B-A的顺序给定子各相绕组轮流通电，则磁场沿着D-C-B-A的方向转动，转子则沿着与之相反的方向顺时针旋转。
3.2 开关磁阻调速的特点及其与其他几种调速系统的比较
3.2.1调速系统的特点
归纳起来，开关磁阻调速电动机具有以下几方面特点阴:①电机结构简单、结实、价格低，可用干超速运行及适应恶劣的环境;②转矩力一向与绕组内电流方向无关，功率变换电路可得以简化且不会出现直通故障，可靠性大为提高;③启动转矩大、启动电流小，在额定电流之下即可使启动转矩比额定转矩大2-3倍，特别适合于频繁启停、频繁正反转的场所;④调速范围宽、调速性能好，易于实现各种特殊要求的转矩一速度特性;(5)效率高，特别是在宽广的调速范围内及负载大幅度变化时，依然保持高效率;⑥能实现四相限运行，具有较强的再生制动能力;⑦转子上既无绕组又无永磁体，能承受高温，转动惯量小。
3.2.2与直流调速系统的比较
20世纪70年代直流电动机已经具备了调速性能好、调速控制电路简单、可靠的优势，并且占据了调速传动领域的主导地位。然而随着生产技术的不断发展，直流调速系统的薄弱环节也就逐渐成为发展提高的障碍。主要问题在于直流电动机所固有的电刷、换向器结构上，电刷与换向器的接触不良问题，特别容易产生电火花，电刷的磨损需经常维护保养;直流电动机的体积笨重，价格昂贵也都制约了它在高速、大容量、高精度系统及多尘、潮湿、易燃易爆环境下的使用。SRD调速系统属无刷无级、调速性能优异的调速系统，可在恶劣环境卜免维护运行。
3.2.3与交流变频调速系统的比较
20世纪80年代交流感应电动机变频调速系统由丁结构简单、体积小与调速方便受到了人们的追捧。在现实使用中，人们对它们的表现依然感到不满意。主要因为交流感应电动机变频调速系统在额定转速、额定负载下运行时效率和功率因素较高，而一旦低速运行或负载变化时，其效率和功率因素将急剧下降，电机与变频器发热严重。当外部环境温度、湿度较高时，往往造成过热保护动作，只有等待温度降下来之后，才能重新启动该机使其正常运行另外，变频器不可能根本解决感应电动机启动电流大的毛病，变频调速系统工作时还不可避免地存在电磁谐波对电路系统的+扰。开关磁阻电机调速系统由于在全调速范围内均具有高效率，不存在低速运行及负载变化时电机、控制器严重发热问题。SRD启动电流小、启动转矩大的优点更能适应频繁启停、频繁正反转的压力机械的需求。SRD的电磁谐波干扰也比变频调速系统小得多
3.2.4与直流无刷电机调速系统的比较
直流无刷电机调速系统也是现代交流调速系统的杰出代表之一。它的最大特点是用恒磁体做电机的转子，定子绕组则山一组电子开关有选择地通电。其转矩产生的原理类似于直流电动机，但省掉了电刷、换向器，实现了“无刷”。随着国内电力电子控制技术水平、恒磁材料加工水平的提高及电机制造手段、工_艺的进步，直流无刷电动机调速系统的研究开发、产业化进展迅速，产品逐步得到r用户的一认可。但遗憾的是直流无刷电机运行时，转子中的}h磁体会长期处于交变磁场之中，磁性逐渐出现衰退是不可避免的。这样，最终将会导致这种电机的有效出力和效率不断下降。在这方面却又恰恰是开关磁阻电机调速系统强项，由于其转子并没有使用恒磁材料，因此，也就从根本上杜绝了上述现象。
3.3 开关磁阻电机在压力机中的应用
近年来，国内一些高校和企业开始就开关磁阻电机在压力机行业的应用展开研究与推广工作，利用开关磁阻调速系统取代现有的压力机驱动系统，针对不同的机型，对一设备的结构进行了改进，开发出了一系列开关磁阻数控压力机，主要包括螺旋压力机、伺服压力机、调速压力机、热模锻压力机等。开关磁阻数控压力机已在国内多家单位投人试适行，取得了如下喜人的研究成果:
(1)滑块运动实现数贪化控制。滑块运动曲线可根据工艺要求进行数字设置，可以设计特殊的工作特性曲线，进行高难度、高精度加工，能够实现低速锻冲急回的变速功能。
(2)生产率提高。可以根据工况和自动化连线的需要，在较大范围内数字没定滑块行程次数，其宽范围调速功能，可以提高生产率。
(3)设备柔性、通用性提高。现有压力机根据工艺不同而种类繁多，开关磁阻数控压力机可依工艺调节，而满足不同工艺的需求，使同一台压力机工作在不同工况，如同一台螺旋压力机可以工作在制坯、预锻、终锻等不同工艺状态，也可实现多膛模锻。
(4)制件精度高、模具寿命长。因工作能量和速度可准确数控，使制件精度和模具寿命显著提高
(5)结构简化。摩擦压力机可去掉双摩擦盘，离合器式螺旋压力机可去掉离合器及其提升机构，伺服压力机没有了大皮带轮、离合器等。
(6)节能。压力机多在额定状态点以下工作，开关磁阻电机比其他电机耗能低，在低速运行时，节能更加明显。31 SOkN开关磁阻数控调速压力机驱动电机30kW，一般冲片每小时耗电S度左右。数控螺旋压力机、数控伺服压力机没有离合器结合能耗，滑块停止后，电机停转，也没有了电机、皮带轮空转，能耗显著降低。目前应用中的开关磁阻数控螺旋压力机比摩擦螺旋压力机节能50%以上。
(7)工作可靠性高。与其他电机系统相比，开关磁阻电机转子即无绕组也无永磁体，机械强度高。电机在三相输入电源缺相或者欠功率运行或者闷车的情况下，不会烧毁电机和控制器。功率器件不会发生因控制错误导致短路而烧毁的现象，并且温升低。
4 结论
伺服压力机可大大提高设备的自动化、智能化水平，改善压力机的工作特险，是新一代成形设备的发展方向。目前，国内受高容量、大扭矩、低转速交流伺服驱动技术的制约，限制了该技术在压力机.上的推广应用。鉴于开关磁阻电动机的明显优点一将汗关磁阻电机应用于机械压力机领域，研制开发开关磁阻电机直接驱动伺服压力机，对现阶段我国压力机行业技术水平的提升是极其必要的。
(审核编辑: 智汇张瑜)
