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永磁交流伺服系统的发展现状及其趋势

摘 要：介绍了永磁交流伺服系统的基本结构，对相关的伺服技术特别是逆变器及调制、速度检测、PID参数自整定、无位置传感器控制技术的发展现状进行了总结，并对永磁交流伺服系统的美好前景进行了展望。

关键词：永磁交流伺服系统 速度检测 参数自整定

自20世纪80年代以来，随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、控制技术及计算机技术等支撑技术的快速发展，交流伺服控制技术的发展得以极大的迈进，使得先前困扰着交流伺服系统的电机控制复杂、调速性能差等问题取得了突破性的进展，交流伺服系统的性能日渐提高，价格趋于合理，使得交流伺服系统取代直流伺服系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。

伺服控制技术是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分。随着国内交流伺服用电机等硬件技术逐步成熟，以软形式存在于控制芯片中的伺服控制技术成为制约我国高性能交流伺服技术及产品发展的瓶颈。研究具有自主知识产权的高性能交流伺服控制技术，尤其是最具应用前景的永磁同步电动机伺服控制技术，是非常必要的。

交流永磁伺服系统的基本结构

图1给出了交流永磁伺服控制系统简化的基本结构框图。除电机外，系统主要包括功率驱动单元、位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器、位置反馈单元、电流反馈单元、通讯接口单元等。

图1：数字化交流伺服系统基本结构框图

·稀土永磁同步电动机

稀土永磁同步电动机是使用最多的伺服电机品种。这种电机的特点是结构简单、运行可靠、易维护或免维护;体积小，质量轻;损耗少，效率高，现今的永磁同步电动机定子多采用三相正弦交流电驱动，转子一般由永磁体磁化为对磁极，产生正弦磁动势。高性能的永磁同步电动机由电压源型逆变器驱动，采用高分辨率的绝对式位置反馈装置。高性能的交流伺服系统要求永磁同步电动机尽量具有线性的数学模型。这就需要通过对电机转子磁场的优化设计，使转子产生正弦磁动势，并改进定子、转子结构，消除齿槽力矩，减小电磁转矩波动。这样通过对电机本体的设计来提高其控制特性。

国外各大伺服驱动厂商和电机制造商均有性能优良的永磁同步伺服电动机产品，功率一般在50W-20kW之间。国内由于资金和技术的限制，研究和产品多集中在低价位、性能较差的直流无刷电动机上。一些院校和研究所的永磁同步电动机多为特殊设计，应用于航天、国防等特殊场合的特种电动机。北京四通、上海开通、西安微电机研究所和华中数控等少数单位研制出部分产品，但都未形成规模，不具有与国外产品竞争的能力。

·功率驱动单元

功率驱动单元采用三相全桥不控整流，三相正弦PWM电压型逆变器变频的AC-DC-AC结构。为避免上电时出现过大的瞬时电流以及电机制动时产生很高的泵升电压，设有软启动电路和能耗泄放电路。逆变部分采用集驱动电路，保护电路和功率开关于一体的智能功率模块(IPM)，开关频率可达20kHz。

·控制单元

控制单元是整个交流伺服系统的核心, 实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制器。 数字信号处理器(DSP)被广泛应用于交流伺服系统, 各大公司推出的面向电机控制的专用DSP芯片, 除具有快速的数据处理能力外，还集成了丰富的用于电机控制的专用集成电路，如A/D转换器、PWM发生器、定时计数器电路、异步通讯电路、CAN总线收发器以及高速的可编程静态RAM和大容量的程序存储器等。

·位置反馈单元

位置传感器一般采用高分辨率的旋转变压器、光电编码器、磁编码器等元件。旋转变压器输出两相正交波形，能输出转子的绝对位置，但其解码电路复杂，价格昂贵音响电缆。磁编码器依靠磁极变化检测位置，目前正处于研究阶段，其分辨率较低。

图2：光电编码器

光电编码器分为增量式和绝对式，较其它检测元件有直接输出数字量信号，惯量低，低噪声，高精度，高分辨率，制作简便，成本低等优点。增量式编码器结构简单，制作容易，一般在码盘上刻A、B、Z三道均匀分布的刻线。由于其给出的位置信息是增量式的，当应用于伺服领域时需要初始定位。格雷码绝对式编码器一般都做成循环二进制代码，码道道数与二进制位数相同。格雷码绝对式编码器可直接输出转子的绝对位置，不需要测定初始位置。但其工艺复杂、成本高，实现高分辨率、高精度较为困难。通用的交流伺服系统上采用的绝对式编码器精度一般在12位至20位之间。当前世界上生产光电轴角编码器的主要厂家有：德国Heidenhain公司，OPTION公司，美国的Itek公司，B&L公司，三丰公司，日本的尼康公司和佳能公司。此外，英国、瑞士和俄罗斯的一些厂家也在光电轴角编码器的研制方面做出了很多贡献。其中Heidenhain公司生产的编码器系列以其优质的性能、多样的品种誉满全球，居国际领先水平。日本编码器工业在工业机器人及办公自动化迅速普及的影响下，偏重于小型化、智能化的发展方向。

我国对计量光栅的研究始于1960年前后，由中科院长春光机所率先进行光电轴角编码器的研制，现已有增量式和绝对式数十种型号的产品。在提高光电编码器的分辨率和精度方面，国内已采用电子学细分，多头读数及提高码盘刻划精度，提高轴系精度等多种措施。成都光电所研制的25位绝对式光电轴角编码器，分辨率已达0.04"，精度0.71"。长应留意接头漏油和缸塞漏油的差异春光机所在 80年代末生产的23位绝对式光电轴角编码器，分辨率为0.5"，测角精度达0.51"。国内其它数十家生产光电轴角编码器厂家，大多只生产低位数的编码器。

目前最新发展是将络功能集成到传感器中，使传感器能够作为一个相对独立并具有一定智能的单元通过络传送检测信息并接收上位机的控制信息，成为络化智能传感器。由于测试对象的复杂性和应用场合的实时性要求，伺服系统要求具有信息处理与传输能力的转换电路。

·接口通讯单元

接口包括键盘/显示、控制I/O接口、串行通信等。伺服单元内部及对外的I/O接口电路中，有许多数字信号需要隔离。这些数字信号代表的信息不同，更新速度也不同。RS-232主要用于和上位机通讯或与手持控制器相连，CAN主要用于连接工业控制总线，构成控制。RS-232和CAN也提供了与Internet相连进行远程实时有线/无线操控的可能性。

伺服相关技术的发展现状

·逆变器及调制技术发展现状

目前小功率高性能的交流伺服驱动器普遍采用电压源型逆变器，且调制频率较高(10kHz以上)。但这种方法在电机调速范围上受直流母线电压的影响，当转速提高到一定程度时，电机产生的反电势电压大于母线电压，这样就无法进行能量交换了。TI公司的Zhenyu Yu等人分析了各种PWM调制方式[1]。滞环调制实现简单，但波形谐波大，性能较差。正弦PWM调制的信号波为正弦波，其脉冲宽度是由正弦波和三角载波相交而成，为自然采样，数字实现中变化出多种规则采样方法。有的文献中根据电机特点，在正弦波中叠加高次谐波，以抑制某些次谐波，达到优化电流波形的目的。80年代Broeck博士提出了一种新的脉宽调制方法）—空间矢量PWM调制，将空间矢量引入到脉宽调制中[2]。它具有线性范围宽，高次谐波少，易于数字实现等优点，在新型的驱动器中得到了普遍应用。文献[3]分析了三相交流电机空间矢量脉宽调制的原理，探讨了采用空间矢量脉宽调制三相桥式电压型逆变器的电压输出能力。文献[4]将SVPWM和基于载波的SPWM进行了比较分析，指出了SVPWM和叠加了三次谐波的SPWM之间的联系。零序矢量放置的不同可以导致不同的SVPWM调制方式，每个PWM周期只插入一个零序矢量可减少1/3的开关次数，即可实现最小开关损耗SVPWM调制。

IGBT等器件的死区是逆变器的非线性原因之一，会导致电流波形畸变，使控制性能变差。针对死区的各种补偿技术的研究很多。文献[5]分析了通常的电流反馈补偿和电压反馈补偿，提出了一种基于d-q旋转坐标轴的前馈补偿方案，其校正不被逆变器输出的电压幅值和电流畸变影响，很好的补偿了逆变器输出电压的畸变。文献[6]分析了死区的作用，只在电流过零时给出一段死区，可以减小死区产生的畸变。

·速度检测技术发展现状

交流伺服系统一般由位置检测器件完成位置和速度的检测，速度从位置信息中计算出。打扣机基本的速度计算方法是后向微分，由固定时间内检测到的脉冲数除以时间得到速度，即为最常使用的M法测速;还有常用于低速检测的T法，测量固定脉冲间的时间;以及两者结合的M/T法。

由于速度环计算的周期固定，因此在伺服控制系统中常用M法测速。由于低速时得到的脉冲数较少，计算得到的速度不连续，其波动较大，会引起速度环控制的波动，影响低速时的控制效果。因此由位置微分得出的速度信息一般要经过滤波，各国学者提出了许多方法计算速度。

模拟电路的滤波实现主要采用锁相环方法，利用锁相电路对位置编码器发出的脉冲进行稳相，得到频率较为稳定的脉冲串。该方法增加了硬件设计，由于数字滤波技术的发展，使它在实际伺服系统中的应用很少。

最普通的计算速度的数字方法是使用低通数字滤波器。低阶低通数字滤波器设计简单，易于实现，在速度稳定时使用能得到较好的测量效果。但滤波器带宽受限，会导致时间延迟，当系统速度暂态变化时，滤波器的延时会引起速度检测误差。

现代控制理论中的观测器技术也被应用于实时速度的计算。Lorenz提出了将线性观测器用于瞬时速度估计的方法。观测器技术一般需要建立系统模型，根据检测到的电流，位置等实际信息，通过系统数学模型仿真来估算实际速度。这种方法需要较为准确的模型及模型参数。采用Kalman滤波器来实时估计转速和力矩波动，并通过参数辨识去调节控制器参数，以实现用低精度的编码器达到高性能的速度控制方法目前也有研究。

·PID参数自整定发展现状

PID控制是迄今为止最通用的控制方法。大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。尽管自1940年以来, 许多先进控制方法不断推出，但PID控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。

但是，参数单一不变的PID控制器，在负载、环境变化的条件下控制效果明显变差。这时需要经验丰富的工程师重新设定PID参数以适应变化。这样费时费力，不能满足现代化工业生产的需求。因此，PID参数自整定技术受到越来越广泛的关注。特别是在高品质的运动控制专用DSP出现后，使得实现PID参数自整定技术日益成熟。

PID自整定方法大致可以分为两类：基于模型法和基于规则法。在基于模型的自整定方法中，可以通过暂态响应实验、参数估计及频率响应实验来获得过程模型。

Astrom和Hagglund提出一种继电反馈方法，该方法是获得过程临界信息的最简便的方法之一。该方法可保障稳定过程的稳定闭环振荡响应，因此已广泛应用于工业PID控制器参数自整定中。

在基于规则的自整定方法中，不用获得过程实验模型， 整定基于类似有经验的操作者手动整定的规则。基于规则法整定又分为两种方法：

·连续整定

每次的采样时刻便可获得整定信息，信息包括误差、误差微分和前次误差累加和等;

·周期整定

在每次阶越响应后才可获得整定信息，通常包括超调量、上升时间和整定时间等。

总的来说，基于模型法需要对象精确的数学模型，计算量大，控制效果好。但由于实际系统中的不确定的非线性因素和噪声干扰等影响，建立模型需要大量的假设条件，当众多的假设不成立时，控制效果明显变差。而基于规则法只需根据系统的输入输出信号来改变控制参数以获得满意的控制效果，不需要系统的模型，整定过程类似有经验的操作者手动整定。因此整定规则和控制参数预置范围的确定显得尤为重要，也十分的困难。基于规则法整定过程慢且时间不确定，甚至高精度放大器等丈量元气件引起系统振荡或者整定过程无法结束。

针对电机驱动控制器实时性要求强、非线性度高等特点，众多学者研究利用辨识、模糊逻辑控制和递归渐进的方法进行控制器的自整定过程。

·无位置传感器控制技术发展现状

无位置传感器控制技术是近些年来在永磁交流电机伺服技术中最为活跃的一个领域。同步电机传动系统需要对其速度和位置进行控制。高精度的电机系统对速度控制和位置控制提出了很高的要求，相应地对传感器的要求提高。目前，传感器向小型化、低成本和高分辨率、多功能两个方向发展。电机系统中传感器的存在阻碍了电机向高速化、小型化发展。因此，无传感器技术的研究在高速电机、微型电机的控制和一些特殊场合具有重要的意义。

最早出现的无传感器方法可统称为波主程序的主要任务是进行初始化、中断扫描、通讯和恢复系统等工作形检测法，通过检测物理量，如电流、电压汽车音响磁链和反电动势等信号，估计辨识转子位置，实现电机自同步运行。这种设想对直流无刷电机尤为适用，因为它只需要每60°电角度提供一个换相信号。这一要求完全可以通过检测三项绕组中未通电相的反电势信号给出换相信号。

同步电机位置传感器技术是在数字信号处理器(DSP)出现后得以发展的。DSP的高速信息处理能力使无位置传感器控制技术的复杂算法能得以实现。在无位置传感器技术发面，很多学者作出了研究，提出了切实可行的方法。

磁链位置估计法：该方法的基本思想是基于场旋转理论，在电机稳态运行时，定子磁链和转子磁链同步旋转，且两磁链之间的夹角相差一个功角δ。

模型参考位置估计法：先假设转子所在位置，利用电机模型计算出在该假设位置电机的电压或电流值，并通过与实测的电压或电流比较得出两者的差值，该差值正比于假设位置与实际位置之间的角度差。如果该差值减少为0时则可认为此时假设位置为真实位置。该方法位置精度和模型的选取有关，电流模型比电压模型低速估计性能更好。

卡尔曼滤波器估计法：卡尔曼滤波器可以从随机噪声信号中得到最优观测。改算法计算量很大，滤波器很难确定实际系统的噪声级别和算法中的卡尔曼增益，且受电机参数的影响较大。

检测电机相电感变化的位置估计法：利用作为位置函数的电感变化获得位置信息。凸极的永磁同步电机比隐极的永磁同步电机在利用该方法上更有优势。

随着微电子、计算机、电力半导体和电机制造技术取得巨大技术进步，永磁交流伺服系统将具有美好的发展前景。

参考文献

[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， pp.

[2] Jung-Soo Choi et al， "A Novel Dead Time Minimization Algorithm of the PWM Inverter"， IEEE 34th IAS Annual Meeting. 1999， pp2188 -2193 vol.4

[3] Hyun-Soo Kim at al，"A New On-line Dead-Time Compensation Method Based on Time Delay Control"， IECON'01， pp，vol.2

[4] 王 江等，基于逆变器死区特性的永磁同步电动机系统的自适应变结构控制，中国电机工程学报，2001.8：.

[5] Ronald H. Brown，Susan C. Schneider， and Michael G. Mulligan "Analysis of Algorithms for Velocity Estimation from Discrete Position Versus Time Data，" IEEE Trans. Ind. Electron.，vol.39，No.1，Feb. 1992， pp.

[6] Kei工业锅炉ji Saito， Kenzo Kamiyama et al. "A Microprocessor-Controlled Speed Regulator with Instantaneous Speed Estimation for Motor Drives，" IEEE Trans. Ind. Electron.， vol. 35， No. 1， February 1988， pp.(end)