永磁交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢

　　自20世紀80年代以來，隨著現(xiàn)代電機技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)及計算機技術(shù)等支撐技術(shù)的快速發(fā)展，交流伺服控制技術(shù)的發(fā)展得以極大的邁進，使得先前困擾著交流伺服系統(tǒng)的電機控制復(fù)雜、調(diào)速性能差等問題取得了突破性的進展，交流伺服系統(tǒng)的性能日漸提高，價格趨于合理，使得交流伺服系統(tǒng)取代直流伺服系統(tǒng)尤其是在高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動領(lǐng)域成了現(xiàn)代電伺服驅(qū)動系統(tǒng)的一個發(fā)展趨勢。
　　
　　伺服控制技術(shù)是決定交流伺服系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵技術(shù)之一，是國外交流伺服技術(shù)封鎖的主要部分。隨著國內(nèi)交流伺服用電機等硬件技術(shù)逐步成熟，以軟形式存在于控制芯片中的伺服控制技術(shù)成為制約我國高性能交流伺服技術(shù)及產(chǎn)品發(fā)展的瓶頸。研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能交流伺服控制技術(shù)，尤其是應(yīng)用前景的永磁同步電動機伺服控制技術(shù)，是非常必要的。　　
　　圖1給出了交流永磁伺服控制系統(tǒng)簡化的基本結(jié)構(gòu)框圖。除電機外，系統(tǒng)主要包括功率驅(qū)動單元、位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器、位置反饋單元、電流反饋單元、通訊接口單元等。
　　
　　·稀土永磁同步電動機
　　
　　稀土永磁同步電動機是使用zui多的伺服電機品種。這種電機的特點是結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、易維護或免維護;體積小，質(zhì)量輕;損耗少，效率高，現(xiàn)今的永磁同步電動機定子多采用三相正弦交流電驅(qū)動，轉(zhuǎn)子一般由永磁體磁化為3-4對磁極，產(chǎn)生正弦磁動勢。高性能的永磁同步電動機由電壓源型逆變器驅(qū)動，采用高分辨率的式位置反饋裝置。高性能的交流伺服系統(tǒng)要求永磁同步電動機盡量具有線性的數(shù)學(xué)模型。這就需要通過對電機轉(zhuǎn)子磁場的優(yōu)化設(shè)計，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生正弦磁動勢，并改進定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，消除齒槽力矩，減小電磁轉(zhuǎn)矩波動。這樣通過對電機本體的設(shè)計來提高其控制特性。
　　
　　國外各大伺服驅(qū)動廠商和電機制造商均有性能優(yōu)良的永磁同步伺服電動機產(chǎn)品，功率一般在50W-20kW之間。國內(nèi)由于資金和技術(shù)的限制，研究和產(chǎn)品多集中在低價位、性能較差的直流無刷電動機上。一些院校和研究所的永磁同步電動機多為特殊設(shè)計，應(yīng)用于航天、國防等特殊場合的特種電動機。北京四通、上海開通、西安微電機研究所和華中數(shù)控等少數(shù)單位研制出部分產(chǎn)品，但都未形成規(guī)模，不具有與國外產(chǎn)品競爭的能力。
　　
　　·功率驅(qū)動單元
　　
　　功率驅(qū)動單元采用三相全橋不控整流，三相正弦PWM電壓型逆變器變頻的AC-DC-AC結(jié)構(gòu)。為避免上電時出現(xiàn)過大的瞬時電流以及電機制動時產(chǎn)生很高的泵升電壓，設(shè)有軟啟動電路和能耗泄放電路。逆變部分采用集驅(qū)動電路，保護電路和功率開關(guān)于一體的智能功率模塊(IPM)，開關(guān)頻率可達20kHz。
　　
　　·控制單元
　　
　　控制單元是整個交流伺服系統(tǒng)的核心,實現(xiàn)系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制器。數(shù)字信號處理器(DSP)被廣泛應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng),各大公司推出的面向電機控制的DSP芯片,除具有快速的數(shù)據(jù)處理能力外，還集成了豐富的用于電機控制的集成電路，如A/D轉(zhuǎn)換器、PWM發(fā)生器、定時計數(shù)器電路、異步通訊電路、CAN總線收發(fā)器以及高速的可編程靜態(tài)RAM和大容量的程序存儲器等。
　　
　　·位置反饋單元
　　
　　位置傳感器一般采用高分辨率的旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器、磁編碼器等元件。旋轉(zhuǎn)變壓器輸出兩相正交波形，能輸出轉(zhuǎn)子的位置，但其解碼電路復(fù)雜，價格昂貴。磁編碼器依靠磁極變化檢測位置，目前正處于研究階段，其分辨率較低。
　　
　　光電編碼器分為增量式和式，較其它檢測元件有直接輸出數(shù)字量信號，慣量低，低噪聲，高精度，高分辨率，制作簡便，成本低等優(yōu)點。增量式編碼器結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，一般在碼盤上刻A、B、Z三道均勻分布的刻線。由于其給出的位置信息是增量式的，當應(yīng)用于伺服領(lǐng)域時需要初始定位。格雷碼式編碼器一般都做成循環(huán)二進制代碼，碼道道數(shù)與二進制位數(shù)相同。格雷碼式編碼器可直接輸出轉(zhuǎn)子的位置，不需要測定初始位置。但其工藝復(fù)雜、成本高，實現(xiàn)高分辨率、高精度較為困難。通用的交流伺服系統(tǒng)上采用的式編碼器精度一般在12位至20位之間。當前世界上生產(chǎn)光電軸角編碼器的主要廠家有:德國Heidenhain公司，OPTION公司，美國的Itek公司，B&L公司，三豐公司，日本的尼康公司和佳能公司。此外，英國、瑞士和俄羅斯的一些廠家也在光電軸角編碼器的研制方面做出了很多貢獻。其中Heidenhain公司生產(chǎn)的編碼器系列以其的性能、多樣的品種譽滿，居水平。日本編碼器工業(yè)在工業(yè)機器人及辦公自動化迅速普及的影響下，偏重于小型化、智能化的發(fā)展方向。
　　
　　我國對計量光柵的研究始于1960年前后，由中科院長春光機所進行光電軸角編碼器的研制，現(xiàn)已有增量式和式數(shù)十種型號的產(chǎn)品。在提高光電編碼器的分辨率和精度方面，國內(nèi)已采用電子學(xué)細分，多頭讀數(shù)及提高碼盤刻劃精度，提高軸系精度等多種措施。成都光電所研制的25位式光電軸角編碼器，分辨率已達0.04"，精度0.71"。長春光機所在80年代末生產(chǎn)的23位式光電軸角編碼器，分辨率為0.5"，測角精度達0.51"。國內(nèi)其它數(shù)十家生產(chǎn)光電軸角編碼器廠家，大多只生產(chǎn)低位數(shù)的編碼器。
　　
　　目前發(fā)展是將網(wǎng)絡(luò)功能集成到傳感器中，使傳感器能夠作為一個相對獨立并具有一定智能的單元通過網(wǎng)絡(luò)傳送檢測信息并接收上位機的控制信息，成為網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器。由于測試對象的復(fù)雜性和應(yīng)用場合的實時性要求，伺服系統(tǒng)要求具有信息處理與傳輸能力的轉(zhuǎn)換電路。
　　
　　·接口通訊單元
　　
　　接口包括鍵盤/顯示、控制I/O接口、串行通信等。伺服單元內(nèi)部及對外的I/O接口電路中，有許多數(shù)字信號需要隔離。這些數(shù)字信號代表的信息不同，更新速度也不同。RS-232主要用于和上位機通訊或與手持控制器相連，CAN主要用于連接工業(yè)控制總線，構(gòu)成控制網(wǎng)。RS-232和CAN也提供了與Internet相連進行遠程實時有線/無線操控的可能性。
　　
　　伺服相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
　　
　　·逆變器及調(diào)制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
　　
　　目前小功率高性能的交流伺服驅(qū)動器普遍采用電壓源型逆變器，且調(diào)制頻率較高(10kHz以上)。但這種方法在電機調(diào)速范圍上受直流母線電壓的影響，當轉(zhuǎn)速提高到一定程度時，電機產(chǎn)生的反電勢電壓大于母線電壓，這樣就無法進行能量交換了。TI公司的ZhenyuYu等人分析了各種PWM調(diào)制方式[1]。滯環(huán)調(diào)制實現(xiàn)簡單，但波形諧波大，性能較差。正弦PWM調(diào)制的信號波為正弦波，其脈沖寬度是由正弦波和三角載波相交而成，為自然采樣，數(shù)字實現(xiàn)中變化出多種規(guī)則采樣方法。有的文獻中根據(jù)電機特點，在正弦波中疊加高次諧波，以抑制某些次諧波，達到優(yōu)化電流波形的目的。80年代Broeck博士提出了一種新的脈寬調(diào)制方法)—空間矢量PWM調(diào)制，將空間矢量引入到脈寬調(diào)制中[2]。它具有線性范圍寬，高次諧波少，易于數(shù)字實現(xiàn)等優(yōu)點，在新型的驅(qū)動器中得到了普遍應(yīng)用。文獻[3]分析了三相交流電機空間矢量脈寬調(diào)制的原理，探討了采用空間矢量脈寬調(diào)制三相橋式電壓型逆變器的電壓輸出能力。文獻[4]將SVPWM和基于載波的SPWM進行了比較分析，指出了SVPWM和疊加了三次諧波的SPWM之間的。零序矢量放置的不同可以導(dǎo)致不同的SVPWM調(diào)制方式，每個PWM周期只插入一個零序矢量可減少1/3的開關(guān)次數(shù)，即可實現(xiàn)zui小開關(guān)損耗SVPWM調(diào)制。
　　
　　IGBT等器件的死區(qū)是逆變器的非線性原因之一，會導(dǎo)致電流波形畸變，使控制性能變差。針對死區(qū)的各種補償技術(shù)的研究很多。文獻[5]分析了通常的電流反饋補償和電壓反饋補償，提出了一種基于d-q旋轉(zhuǎn)坐標軸的前饋補償方案，其校正不被逆變器輸出的電壓幅值和電流畸變影響，很好的補償了逆變器輸出電壓的畸變。文獻[6]分析了死區(qū)的作用，只在電流過零時給出一段死區(qū)，可以減小死區(qū)產(chǎn)生的畸變。
　　
　　·速度檢測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
　　
　　交流伺服系統(tǒng)一般由位置檢測器件完成位置和速度的檢測，速度從位置信息中計算出。基本的速度計算方法是后向微分，由固定時間內(nèi)檢測到的脈沖數(shù)除以時間得到速度，即為zui常使用的M法測速;還有常用于低速檢測的T法，測量固定脈沖間的時間;以及兩者結(jié)合的M/T法。
　　
　　由于速度環(huán)計算的周期固定，因此在伺服控制系統(tǒng)中常用M法測速。由于低速時得到的脈沖數(shù)較少，計算得到的速度不連續(xù)，其波動較大，會引起速度環(huán)控制的波動，影響低速時的控制效果。因此由位置微分得出的速度信息一般要經(jīng)過濾波，各國學(xué)者提出了許多方法計算速度。
　　
　　模擬電路的濾波實現(xiàn)主要采用鎖相環(huán)方法，利用鎖相電路對位置編碼器發(fā)出的脈沖進行穩(wěn)相，得到頻率較為穩(wěn)定的脈沖串。該方法增加了硬件設(shè)計，由于數(shù)字濾波技術(shù)的發(fā)展，使它在實際伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用很少。
　　
　　zui普通的計算速度的數(shù)字方法是使用低通數(shù)字濾波器。低階低通數(shù)字濾波器設(shè)計簡單，易于實現(xiàn)，在速度穩(wěn)定時使用能得到較好的測量效果。但濾波器帶寬受限，會導(dǎo)致時間延遲，當系統(tǒng)速度暫態(tài)變化時，濾波器的延時會引起速度檢測誤差。
　　
　　現(xiàn)代控制理論中的觀測器技術(shù)也被應(yīng)用于實時速度的計算。Lorenz提出了將線性觀測器用于瞬時速度估計的方法。觀測器技術(shù)一般需要建立系統(tǒng)模型，根據(jù)檢測到的電流，位置等實際信息，通過系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型仿真來估算實際速度。這種方法需要較為準確的模型及模型參數(shù)。采用Kalman濾波器來實時估計轉(zhuǎn)速和力矩波動，并通過參數(shù)辨識去調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，以實現(xiàn)用低精度的編碼器達到高性能的速度控制方法目前也有研究。
　　
　　·PID參數(shù)自整定發(fā)展現(xiàn)狀
　　
　　PID控制是迄今為止zui通用的控制方法。大多數(shù)反饋回路用該方法或其較小的變形來控制。盡管自1940年以來,許多*控制方法不斷推出，但PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡單，對模型誤差具有魯棒性及易于操作等優(yōu)點，仍被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機械等工業(yè)過程控制中。
　　
　　但是，參數(shù)單一不變的PID控制器，在負載、環(huán)境變化的條件下控制效果明顯變差。這時需要經(jīng)驗豐富的工程師重新設(shè)定PID參數(shù)以適應(yīng)變化。這樣費時費力，不能滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的需求。因此，PID參數(shù)自整定技術(shù)受到越來越廣泛的關(guān)注。特別是在高品質(zhì)的運動控制DSP出現(xiàn)后，使得在線實現(xiàn)PID參數(shù)自整定技術(shù)日益成熟。
　　
　　PID自整定方法大致可以分為兩類:基于模型法和基于規(guī)則法。在基于模型的自整定方法中，可以通過暫態(tài)響應(yīng)實驗、參數(shù)估計及頻率響應(yīng)實驗來獲得過程模型。
　　
　　Astrom和Hagglund提出一種繼電反饋方法，該方法是獲得過程臨界信息的zui簡便的方法之一。該方法可保障穩(wěn)定過程的穩(wěn)定閉環(huán)振蕩響應(yīng)，因此已廣泛應(yīng)用于工業(yè)PID控制器參數(shù)自整定中。
　　
　　在基于規(guī)則的自整定方法中，不用獲得過程實驗?zāi)Ｐ停ɑ陬愃朴薪?jīng)驗的操作者手動整定的規(guī)則。基于規(guī)則法整定又分為兩種方法:
　　
　　·連續(xù)整定
　　
　　每次的采樣時刻便可獲得整定信息，信息包括誤差、誤差微分和前次誤差累加和等;
　　
　　·周期整定
　　
　　在每次階越響應(yīng)后才可獲得整定信息，通常包括超調(diào)量、上升時間和整定時間等。
　　
　　總的來說，基于模型法需要對象的數(shù)學(xué)模型，計算量大，控制效果好。但由于實際系統(tǒng)中的不確定的非線性因素和噪聲干擾等影響，建立模型需要大量的假設(shè)條件，當眾多的假設(shè)不成立時，控制效果明顯變差。而基于規(guī)則法只需根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出信號來改變控制參數(shù)以獲得滿意的控制效果，不需要系統(tǒng)的模型，整定過程類似有經(jīng)驗的操作者手動整定。因此整定規(guī)則和控制參數(shù)預(yù)置范圍的確定顯得尤為重要，也十分的困難。基于規(guī)則法整定過程慢且時間不確定，甚至引起系統(tǒng)振蕩或者整定過程無法結(jié)束。
　　
　　針對電機驅(qū)動控制器實時性要求強、非線性度高等特點，眾多學(xué)者研究利用在線辨識、模糊邏輯控制和遞歸漸進的方法進行控制器的自整定過程。
　　
　　·無位置傳感器控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
　　
　　無位置傳感器控制技術(shù)是近些年來在永磁交流電機伺服技術(shù)中zui為活躍的一個領(lǐng)域。同步電機傳動系統(tǒng)需要對其速度和位置進行控制。高精度的電機系統(tǒng)對速度控制和位置控制提出了很高的要求，相應(yīng)地對傳感器的要求提高。目前，傳感器向小型化、低成本和高分辨率、多功能兩個方向發(fā)展。電機系統(tǒng)中傳感器的存在阻礙了電機向高速化、小型化發(fā)展。因此，無傳感器技術(shù)的研究在高速電機、微型電機的控制和一些特殊場合具有重要的意義。
　　
　　zui早出現(xiàn)的無傳感器方法可統(tǒng)稱為波形檢測法，通過檢測物理量，如電流、電壓磁鏈和反電動勢等信號，估計辨識轉(zhuǎn)子位置，實現(xiàn)電機自同步運行。這種設(shè)想對直流無刷電機尤為適用，因為它只需要每60°電角度提供一個換相信號。這一要求*可以通過檢測三項繞組中未通電相的反電勢信號給出換相信號。
　　
　　同步電機位置傳感器技術(shù)是在數(shù)字信號處理器(DSP)出現(xiàn)后得以發(fā)展的。DSP的高速信息處理能力使無位置傳感器控制技術(shù)的復(fù)雜算法能得以實現(xiàn)。在無位置傳感器技術(shù)發(fā)面，很多學(xué)者作出了研究，提出了切實可行的方法。
　　
　　磁鏈位置估計法:該方法的基本思想是基于場旋轉(zhuǎn)理論，在電機穩(wěn)態(tài)運行時，定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈同步旋轉(zhuǎn)，且兩磁鏈之間的夾角相差一個功角δ。
　　
　　模型參考位置估計法:先假設(shè)轉(zhuǎn)子所在位置，利用電機模型計算出在該假設(shè)位置電機的電壓或電流值，并通過與實測的電壓或電流比較得出兩者的差值，該差值正比于假設(shè)位置與實際位置之間的角度差。如果該差值減少為0時則可認為此時假設(shè)位置為真實位置。該方法位置精度和模型的選取有關(guān)，電流模型比電壓模型低速估計性能更好。
　　
　　卡爾曼濾波器估計法:卡爾曼濾波器可以從隨機噪聲信號中得到*觀測。改算法計算量很大，濾波器很難確定實際系統(tǒng)的噪聲級別和算法中的卡爾曼增益，且受電機參數(shù)的影響較大。
　　
　　檢測電機相電感變化的位置估計法:利用作為位置函數(shù)的電感變化獲得位置信息。凸極的永磁同步電機比隱極的永磁同步電機在利用該方法上更有優(yōu)勢。
　　
　　隨著微電子、計算機、電力半導(dǎo)體和電機制造技術(shù)取得巨大技術(shù)進步，永磁交流伺服系統(tǒng)將具有美好的發(fā)展前景。