永磁交流伺服的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

永磁交流伺服的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)自 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，隨著現(xiàn)代電機(jī)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(jì)算機(jī)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(jìn)，使得先前困擾著交流伺服系統(tǒng)的電機(jī)控制復(fù)雜、調(diào)速性能差等問(wèn)題取得了突破性的進(jìn)展，交流伺服系統(tǒng)的性能日漸提高，價(jià)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(dòng)領(lǐng)域成了現(xiàn)代電伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。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(guó)外交流伺服技術(shù)封鎖的主要部分。隨著國(guó)內(nèi)交流伺服用電機(jī)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(guó)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(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能交流伺服控制技術(shù)，尤其是最具應(yīng)用前景的永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服控制技術(shù)，是非常必要的。1 交流永磁伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖 1 給出了交流永磁伺服控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化的基本結(jié)構(gòu)框圖。除電機(jī)外，系統(tǒng)主要包括功率驅(qū)動(dòng)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。圖 1 數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖 稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)是使用最多的伺服電機(jī)品種。這種電機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、易維護(hù)或免維護(hù);體積小，質(zhì)量輕 ;損耗少，效率高，現(xiàn)今的永磁同步電動(dòng)機(jī)定子多采用三相正弦交流電驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)子一般由永磁體磁化為3-4對(duì)磁極，產(chǎn)生正弦磁動(dòng)勢(shì)。高性能的永磁同步電動(dòng)機(jī)由電壓源型逆變器驅(qū)動(dòng)，采用高分辨率的絕對(duì)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(dòng)機(jī)盡量具有線性的數(shù)學(xué)模型。這就需要通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生正弦磁動(dòng)勢(shì)，并改進(jìn)定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，消除齒槽力矩，減小電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。這樣通過(guò)對(duì)電機(jī)本體的設(shè)計(jì)來(lái)提高其控制特性。國(guó)外各大伺服驅(qū)動(dòng)廠商和電機(jī)制造商均有性能優(yōu)良的永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，功率一般在 50w-20kw 之間。國(guó)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(jià)位、性能較差的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)上。一些院校和研究所的永磁同步電動(dòng)機(jī)多為特殊設(shè)計(jì)，應(yīng)用于航天、國(guó)防等特殊場(chǎng)合的特種電動(dòng)機(jī)。北京四通、上海開(kāi)通、西安微電機(jī)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(guó)外產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的能力。 功率驅(qū)動(dòng)單元功率驅(qū)動(dòng)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(shí)出現(xiàn)過(guò)大的瞬時(shí)電流以及電機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生很高的泵升電壓，設(shè)有軟啟動(dòng)電路和能耗泄放電路。逆變部分采用集驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路和功率開(kāi)關(guān)于一體的智能功率模塊(ipm) ，開(kāi)關(guān)頻率可達(dá) 20khz 。 控制單元控制單元是整個(gè)交流伺服系統(tǒng)的核心, 實(shí)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(hào)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(jī)控制的專用dsp 芯片, 除具有快速的數(shù)據(jù)處理能力外， 還集成了精品資料豐富的用于電機(jī)控制的專用集成電路，如a/d 轉(zhuǎn)換器、pwm 發(fā)生器、定時(shí)計(jì)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(chǔ)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)子的絕對(duì)位置，但其解碼電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴。磁編碼器依靠磁極變化檢測(cè)位置，目前正處于研究階段，其分辨率較低。圖 2 光電編碼器光電編碼器分為增量式和絕對(duì)式，較其它檢測(cè)元件有直接輸出數(shù)字量信號(hào)，慣量低，低噪聲，高精度，高分辨率，制作簡(jiǎn)便，成本低等優(yōu)點(diǎn)。增量式編碼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dāng)應(yīng)用于伺服領(lǐng)域時(shí)需要初始定位。格雷碼絕對(duì)式編碼器一般都做成循環(huán)二進(jìn)制代碼，碼道道數(shù)與二進(jìn)制位數(shù)相同。格雷碼絕對(duì)式編碼器可直接輸出轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置，不需要測(cè)定初始位置。但其工藝復(fù)雜、成本高，實(shí)現(xiàn)高分辨率、高精度較為困難。通用的交流伺服系統(tǒng)上采用的絕對(duì)式編碼器精度一般在 12 位至 20 位之間。當(dāng)前世界上生產(chǎn)光電軸角編碼器的主要廠家有：德國(guó) heidenhain 公司， option 公司，美國(guó)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(guó)、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(xiàn)。其中 heidenhain 公司生產(chǎn)的編碼器系列以其優(yōu)質(zhì)的性能、多樣的品種譽(yù)滿全球，居國(guó)際領(lǐng)先水平。日本編碼器工業(yè)在工業(yè)機(jī)器人及辦公自動(dòng)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(guó)對(duì)計(jì)量光柵的研究始于 1960 年前后， 由中科院長(zhǎng)春光機(jī)所率先進(jìn)行光電軸角編碼器的研制， 現(xiàn)已有增量式和絕對(duì)式數(shù)十種型號(hào)的產(chǎn)品。在提高光電編碼器的分辨率和精度方面，國(guó)內(nèi)已采用電子學(xué)細(xì)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 位絕對(duì)式光電軸角編碼器，分辨率已達(dá)0.04 ，精度 0.71 。長(zhǎng)春光機(jī)所在80 年代末生產(chǎn)的 23 位絕對(duì)式光電軸角編碼器，分辨率為0.5 ，測(cè)角精度達(dá) 0.51 。國(guó)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。目前最新發(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(gè)相對(duì)獨(dú)立并具有一定智能的單元通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送檢測(cè)信息并接收上位機(jī)的控制信息，成為網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器。由于測(cè)試對(duì)象的復(fù)雜性和應(yīng)用場(chǎng)合的實(shí)時(shí)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(duì)外的i/o 接口電路中，有許多數(shù)字信號(hào)需要隔離。這些數(shù)字信號(hào)代表的信息不同，更新速度也不同。rs-232 主要用于和上位機(jī)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(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)有線 /無(wú)線操控的可能性。2 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(dòng)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(jī)調(diào)速范圍上受直流母線電壓的影響，當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到一定程度時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的反電勢(shì)電壓大于母線電壓，這樣就無(wú)法進(jìn)行能量交換了。 ti 公司的 zhenyu yu 等人分析了各種 pwm 調(diào)制方式 1。滯環(huán)調(diào)制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但波形諧波大，性能較差。正弦 pwm 調(diào)制的信號(hào)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(shí)現(xiàn)中變化出多種規(guī)則采樣方法。有的文獻(xiàn)中根據(jù)電機(jī)特點(diǎn)，在正弦波中疊加高次諧波，以抑制某些次諧波，達(dá)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(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在新型的驅(qū)動(dòng)器中得到了普遍應(yīng)用。文獻(xiàn)3 分析了三相交流電機(jī)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(xiàn)4將 svpwm 和基于載波的 spwm 進(jìn)行了比較分析，指出了svpwm 和疊加了三次諧波的spwm 之間的聯(lián)系。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(gè) pwm 周期只插入一個(gè)零序矢量可減少1/3 的開(kāi)關(guān)次數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)最小開(kāi)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(huì)導(dǎo)致電流波形畸變，使控制性能變差。針對(duì)死區(qū)的各種補(bǔ)償技術(shù)的研究很多。文獻(xiàn)5分析了通常的電流反饋補(bǔ)償和電壓反饋補(bǔ)償，提出了一種基于 d-q 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的前饋補(bǔ)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(bǔ)償了逆變器輸出電壓的畸變。文獻(xiàn)6 分析了死區(qū)的作用， 只在電流過(guò)零時(shí)給出一段死區(qū)，可以減小死區(qū)產(chǎn)生的畸變。 速度檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀交流伺服系統(tǒng)一般由位置檢測(cè)器件完成位置和速度的檢測(cè)，速度從位置信息中計(jì)算出?；镜乃俣扔?jì)算方法是后向微分，由固定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的脈沖數(shù)除以時(shí)間得到速度，即為最常使用的m 法測(cè)速 ;還有常用于低速檢測(cè)的t 法， 測(cè)量固定脈沖間的時(shí)間 ;以及兩者結(jié)合的 m/t 法。由于速度環(huán)計(jì)算的周期固定，因此在伺服控制系統(tǒng)中常用m 法測(cè)速。由于低速時(shí)得到的脈沖數(shù)較少，計(jì)算得到的速度不連續(xù)，其波動(dòng)較大，會(huì)引起速度環(huán)控制的波動(dòng)，影響低速時(shí)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(guò)濾波，各國(guó)學(xué)者提出了許多方法計(jì)算速度。模擬電路的濾波實(shí)現(xiàn)主要采用鎖相環(huán)方法，利用鎖相電路對(duì)位置編碼器發(fā)出的脈沖進(jìn)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(jì)，由于數(shù)字濾波技術(shù)的發(fā)展，使它在實(shí)際伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用很少。最普通的計(jì)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(jì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，在速度穩(wěn)定時(shí)使用能得到較好的測(cè)量效果。但濾波器帶寬受限，會(huì)導(dǎo)致時(shí)間延遲，當(dāng)系統(tǒng)速度暫態(tài)變化時(shí)，濾波器的延時(shí)會(huì)引起速度檢測(cè)誤差?，F(xiàn)代控制理論中的觀測(cè)器技術(shù)也被應(yīng)用于實(shí)時(shí)速度的計(jì)算。lorenz 提出了將線性觀測(cè)器用于瞬時(shí)速度估計(jì)的方法。觀測(cè)器技術(shù)一般需要建立系統(tǒng)模型，根據(jù)檢測(cè)到的電流， 位置等實(shí)際信息， 通過(guò)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型仿真來(lái)估算實(shí)際速度。這種方法需要較為準(zhǔn)確的模型及模型參數(shù)。采用kalman 濾波器來(lái)實(shí)時(shí)估計(jì)轉(zhuǎn)速和力矩波動(dòng)，并通過(guò)參數(shù)辨識(shí)去調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)用低精度的編碼器達(dá)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 控制是迄今為止最通用的控制方法。大多數(shù)反饋回路用該方法或其較小的變形來(lái)控制。盡管自 1940 年以來(lái),許多先進(jìn)控制方法不斷推出，但pid 控制器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)模型誤差具有魯棒性及易于操作等優(yōu)點(diǎn)，仍被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機(jī)械等工業(yè)過(guò)程控制中。但是，參數(shù)單一不變的pid 控制器，在負(fù)載、環(huán)境變化的條件下控制效果明顯變差。這時(shí)需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師重新設(shè)定 pid 參數(shù)以適應(yīng)變化。這樣費(fèi)時(shí)費(fèi)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(lái)越廣泛的關(guān)注。特別是在高品質(zhì)的運(yùn)動(dòng)控制專用dsp 出現(xiàn)后，使得在線實(shí)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(guò)暫態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)、參數(shù)估計(jì)及頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得過(guò)程模型。astrom 和 hagglund 提出一種繼電反饋方法，該方法是獲得過(guò)程臨界信息的最簡(jiǎn)便的方法之一。該方法可保障穩(wěn)定過(guò)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(guò)程實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，整定基于類似有?jīng)驗(yàn)的操作者手動(dòng)整定的規(guī)則?；谝?guī)則法整定又分為兩種方法：(1) 連續(xù)整定 : 每次的采樣時(shí)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;(2) 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(shí)間和整定時(shí)間等?？偟膩?lái)說(shuō)，基于模型法需要對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算量大，控制效果好。但由于實(shí)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(dāng)眾多的假設(shè)不成立時(shí)，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(hào)來(lái)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(guò)程類似有經(jīng)驗(yàn)的操作者手動(dòng)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?；谝?guī)則法整定過(guò)程慢且時(shí)間不確定，甚至引起系統(tǒng)振蕩或者整定過(guò)程無(wú)法結(jié)束。針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)、非線性度高等特點(diǎn)，眾多學(xué)者研究利用在線辨識(shí)、模糊邏輯控制和遞歸漸進(jìn)的方法進(jìn)行控制器的自整定過(guò)程。 無(wú)位置傳感器控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀無(wú)位置傳感器控制技術(shù)是近些年來(lái)在永磁交流電機(jī)伺服技術(shù)中最為活躍的一個(gè)領(lǐng)域。同步電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)需要對(duì)其速度和位置進(jìn)行控制。高精度的電機(jī)系統(tǒng)對(duì)速度控制和位置控制提出了很高的要求，相應(yīng)地對(duì)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(gè)方向發(fā)展。電機(jī)系統(tǒng)中傳感器的存在阻礙了電機(jī)向高速化、小型化發(fā)展。因此，無(wú)傳感器技術(shù)的研究在高速電機(jī)、微型電機(jī)的控制和一些特殊場(chǎng)合具有重要的意義。最早出現(xiàn)的無(wú)傳感器方法可統(tǒng)稱為波形檢測(cè)法，通過(guò)檢測(cè)物理量，如電流、電壓磁鏈和反電動(dòng)勢(shì)等信號(hào)，估計(jì)辨識(shí)轉(zhuǎn)子位置， 實(shí)現(xiàn)電機(jī)自同步運(yùn)行。 這種設(shè)想對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)尤為適用，因?yàn)樗恍枰?60 電角度提供一個(gè)換相信號(hào)。這一要求完全可以通過(guò)檢測(cè)三項(xiàng)繞組中未通電相的反電勢(shì)信號(hào)給出換相信號(hào)。同步電機(jī)位置傳感器技術(shù)是在數(shù)字信號(hào)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(wú)位置傳感器控制技術(shù)的復(fù)雜算法能得以實(shí)現(xiàn)。在無(wú)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(shí)可行的方法。(1) 磁鏈位置估計(jì)法：該方法的基本思想是基于場(chǎng)旋轉(zhuǎn)理論， 在電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)， 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(gè)功角。(2) 模型參考位置估計(jì)法：先假設(shè)轉(zhuǎn)子所在位置，利用電機(jī)模型計(jì)算出在該假設(shè)位置電機(jī)的電壓或電流值，并通過(guò)與實(shí)測(cè)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(shí)際位置之間的角度差。如果該差值減少為0 時(shí)則可認(rèn)為此時(shí)假設(shè)位置為真實(shí)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(jì)性能更好。(3) 卡爾曼濾波器估計(jì)法：卡爾曼濾波器可以從隨機(jī)噪聲信號(hào)中得到最優(yōu)觀測(cè)。改算法計(jì)算量很大，濾波器很難確定實(shí)際系統(tǒng)的噪聲級(jí)別和算法中的卡爾曼增益，且受電機(jī)參數(shù)的影響較大。(4) 檢測(cè)電機(jī)相電感變化的位置估計(jì)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(jī)比隱極的永磁同步電機(jī)在利用該方法上更有優(yōu)勢(shì)。隨著微電子、計(jì)算機(jī)、電力半導(dǎo)體和電機(jī)制造技術(shù)取得巨大技術(shù)進(jìn)步，永磁交流伺服系統(tǒng)將具有美好的發(fā)展前景。參考文獻(xiàn)1 takashi sukegawa et al，fully digital ， vector-controlled pem vsi-fed ac drives with an inverter dead-time compensation strategy ， ieee trans. ind. app. ，vol. 27 ，no.3 ，may./june. 1991 ， pp552-559.2 jung-soo choi et al ， a novel dead time minimization algorithm of the pwm inverter， ieee 34th ias annua