一文解析交流永磁同步伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展

　　電氣伺服技術(shù)應(yīng)用最廣，主要原因是控制方便，靈活，容易獲得驅(qū)動(dòng)能源，沒(méi)有公害污染，維護(hù)也比較容易。特別是隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，它為電氣伺服技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的前景。本文主要介紹的是交流永磁同步伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展，具體的跟隨小編一起來(lái)了解一下。

　　20世紀(jì)80年代以后，電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，高性能永磁同步調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)，引起了人們對(duì)永磁同步伺服系統(tǒng)研究的高度重視，其研究工作主要是針對(duì)由逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)性能的研究和對(duì)永磁同步伺服系統(tǒng)控制的研究。

　　在逆變器供電的情況下，永磁同步電動(dòng)機(jī)原有的特性將受到一定的影響，其穩(wěn)態(tài)特性及暫態(tài)特性與恒定頻率供電情況下的永磁同步電動(dòng)機(jī)相比有著不同的特點(diǎn)。對(duì)同步電動(dòng)機(jī)的分析，傳統(tǒng)上是采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d、q上的Park模型，在實(shí)際應(yīng)用中，Park模型可以解決永磁同步電動(dòng)機(jī)性能分析和控制中的主要問(wèn)題，但是考慮到電動(dòng)機(jī)的磁路飽和和交叉耦合問(wèn)題，Park模型的分析存在誤差。為了提高永磁同步電動(dòng)機(jī)的分析精度，必須考慮磁路飽和及d、q坐標(biāo)參量之間的交叉耦合問(wèn)題。采用有限元分析法求解永磁同步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，并用試驗(yàn)測(cè)量電動(dòng)機(jī)參數(shù)的變化規(guī)律以修正電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，可以很好地描述永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性。永磁同步電動(dòng)機(jī)由永磁體勵(lì)磁，因而它無(wú)勵(lì)磁損耗，銅耗較小，但其磁路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鐵耗難以計(jì)算。而鐵耗直接影響電動(dòng)機(jī)的溫升，會(huì)影響永磁體的磁性能，并改變伺服系統(tǒng)的性能。人們運(yùn)用等效磁路的方法及考慮飽和非線性情況下用有限元法求解永磁同步電動(dòng)機(jī)的鐵耗，結(jié)果令人滿意。隨著對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)性能要求的不斷提高，需要設(shè)計(jì)出高效率、高力矩慣量比、高能量密度的永磁同步電動(dòng)機(jī)，需要研究滿足現(xiàn)代伺服驅(qū)動(dòng)要求的永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方法。

　　要獲得高性能的交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)，就需要有性能優(yōu)良的控制系統(tǒng)。80年代以來(lái)，隨著各種相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，有關(guān)永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研究成果不斷涌現(xiàn)，為高性能永磁同步伺服系統(tǒng)的研究與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的電流控制方法對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行特性有很大影響，必須研究不同電流控制方法時(shí)系統(tǒng)所具有的動(dòng)靜態(tài)特性。其控制方法有：轉(zhuǎn)矩電流比最大的電流控制方法、直軸電流等于零的控制方法、功率因數(shù)等于1的控制方法、氣隙磁鏈恒定的控制方法，這些方法提供了不同的調(diào)速性能，可以適合于不同要求的應(yīng)用場(chǎng)合。一般情況下，永磁同步伺服系統(tǒng)必須具有較寬的調(diào)速范圍，很穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩輸出特性。為了滿足實(shí)際需要，在額定轉(zhuǎn)速以下，電動(dòng)機(jī)按恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，在額定轉(zhuǎn)速以上，電動(dòng)機(jī)按恒功率運(yùn)行。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不斷增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到一定程度時(shí)，逆變器輸出電流將不能跟蹤電流給定，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降，性能變差。為提高高速時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力，需對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)施弱磁控制。然而，永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生的，不能像直流和異步電動(dòng)機(jī)那樣進(jìn)行控制。為了實(shí)現(xiàn)弱磁，在電動(dòng)機(jī)電樞繞組中加入直軸電流，利用電動(dòng)機(jī)直軸電樞反應(yīng)抵消永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而提高永磁同步電動(dòng)機(jī)的高速運(yùn)行性能。

　　隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是DSP技術(shù)的飛速發(fā)展，永磁同步伺服系統(tǒng)的數(shù)字化正在如火如荼地進(jìn)行著。華中科技大學(xué)、沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)研究了單片機(jī)或DSP構(gòu)成的全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)，采用預(yù)測(cè)控制和空間矢量控制技術(shù)，改善電流控制性能和系統(tǒng)響應(yīng)精度，研究了伺服系統(tǒng)的控制理論，并開(kāi)發(fā)了數(shù)字伺服系統(tǒng)。數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用，不僅使系統(tǒng)獲得高精度、高可靠性，還為新型控制理論和方法的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。DSP和單片機(jī)的應(yīng)用，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)性能，并出現(xiàn)了全數(shù)字化軟件伺服系統(tǒng)，顯著提高了永磁同步伺服系統(tǒng)的可靠性、柔性和動(dòng)態(tài)性能。

　　80年代開(kāi)始，國(guó)外一些著名的公司，如日本的FANUC、安川、富士通、松下，美國(guó)的AB公司、科爾摩根公司，德國(guó)的西門子公司，法國(guó)的BBC公司、韓國(guó)三星公司等不斷推出交流伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，伺服驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)幾乎是外國(guó)公司一統(tǒng)天下的局面。而后，我國(guó)的華中理工大學(xué)、北京機(jī)床研究所、西安微電動(dòng)機(jī)研究所、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、蘭州電動(dòng)機(jī)廠等單位開(kāi)始研究并推出交流伺服系統(tǒng)。其中，由廣州數(shù)控生產(chǎn)的DA98全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置，由高原數(shù)控?zé)熍_(tái)公司生產(chǎn)的GY-2000系列數(shù)字化交流伺服驅(qū)動(dòng)器在我國(guó)的高精度數(shù)控伺服驅(qū)動(dòng)行業(yè)已經(jīng)打開(kāi)局面，打破了外國(guó)公司壟斷的格局，開(kāi)創(chuàng)了民族品牌新紀(jì)元。

　　伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由主電路和控制電路兩部分組成的，目前主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒(méi)有多大變化，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展重點(diǎn)在控制電路部分。隨著新型電力電子器件的出現(xiàn)，DSP技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論的運(yùn)用，永磁同步伺服系統(tǒng)的研究出現(xiàn)了一些新的方向，主要包含以下幾個(gè)方面。

　　（1）電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型分析方法的發(fā)展

　　永磁同步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多輸入、強(qiáng)耦合、非線性系統(tǒng)，為了提高控制精度，非線性系統(tǒng)狀態(tài)反饋線性化理論逐步被引入到電動(dòng)機(jī)的控制中來(lái)，但由于該方法理論的復(fù)雜性，限制了它的推廣應(yīng)用。逆系統(tǒng)方法是分析非線性系統(tǒng)的另一種方

　　法，其思想是對(duì)于給定系統(tǒng)，讓對(duì)象的模型生成可用反饋方法實(shí)現(xiàn)的原系統(tǒng)的“α階積分?jǐn)M系統(tǒng)”，將控制對(duì)象補(bǔ)償成為具有線性傳遞關(guān)系的且已經(jīng)解耦的規(guī)范化系統(tǒng)（偽線性系統(tǒng)），再用線性系統(tǒng)的各種設(shè)計(jì)理論完成系統(tǒng)的綜合。該方法在理論上形式統(tǒng)一，物理概念清晰直觀，容易被人們接受。（2）現(xiàn)代控制理論的引入

　　交流電動(dòng)機(jī)矢量控制技術(shù)的提出，明顯改善了它的調(diào)速性能。然而，傳統(tǒng)的矢量控制技術(shù)依賴于電動(dòng)機(jī)的模型和參數(shù)，而模型和參數(shù)在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中是變化的，這就使得電動(dòng)機(jī)的矢量控制無(wú)法達(dá)到理論上的性能指標(biāo)，滿足不了現(xiàn)代伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用要求?，F(xiàn)代控制理論的各種技術(shù)能夠使系統(tǒng)在模型或者參數(shù)變化時(shí)保持良好的控制性能。

　　自適應(yīng)控制技術(shù)是指在一定的數(shù)學(xué)模型確定的算法下，可以在系統(tǒng)運(yùn)行情況變更時(shí)辨識(shí)系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)，修改系統(tǒng)運(yùn)行程序，以期改善系統(tǒng)在控制對(duì)象和運(yùn)行條件發(fā)生變化時(shí)的控制性能。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，自適應(yīng)控制技術(shù)能夠在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化的情況下保持良好的控制性能。但是，該控制算法的計(jì)算量較大，需要高速數(shù)據(jù)處理器。

　　滑模變結(jié)構(gòu)控制是調(diào)整反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使它的狀態(tài)向量通過(guò)開(kāi)關(guān)超平面時(shí)發(fā)生變化，系統(tǒng)的狀態(tài)向量被約束在開(kāi)關(guān)面的領(lǐng)域內(nèi)滑動(dòng)。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)由開(kāi)關(guān)面的參數(shù)決定，與系統(tǒng)的參數(shù)、擾動(dòng)無(wú)關(guān)，具有很好的魯棒控制性，在永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)有成功的應(yīng)用。但是它本質(zhì)上是一種開(kāi)關(guān)控制，在系統(tǒng)中不可避免會(huì)帶來(lái)抖動(dòng)，因而影響了它的應(yīng)用。

　　電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中其參數(shù)是變化的，通過(guò)自適應(yīng)觀測(cè)器、卡爾曼濾波、龍貝格觀測(cè)器等辨識(shí)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，也能提高電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)控制的性能與可靠性。

　?。?）人工智能技術(shù)的應(yīng)用

　　經(jīng)典的或者現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)上的控制策略都依賴于電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)模型參數(shù)變化時(shí)，想獲得優(yōu)良的控制性能是研究人員面臨的重要課題。而近年來(lái)備受關(guān)注的智能控制，由于它擺脫了對(duì)被控對(duì)象模型的依賴，成為研究與開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能控制已經(jīng)成為現(xiàn)代控制的重要分支，智能化電氣傳動(dòng)控制也成為目前電氣傳動(dòng)的重要發(fā)展方向，開(kāi)辟了電氣傳動(dòng)技術(shù)新紀(jì)元。人工智能的專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等在電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究已經(jīng)取得了可喜成果。

　　（4）無(wú)速度傳感矢量控制技術(shù)

　　高性能的交流伺服系統(tǒng)都需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，所需的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)來(lái)自和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸同軸相連的速度傳感器。系統(tǒng)不斷對(duì)電動(dòng)機(jī)速度和轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行測(cè)量，以便完成矢量變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)力矩的動(dòng)態(tài)控制。為獲得準(zhǔn)確可靠的轉(zhuǎn)速位置信號(hào)，速度傳感器必須精確安裝、妥善維護(hù)。高精度速度傳感器的安裝，增加了對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)要求，系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力也變差，成本增加，這在可靠性要求高的應(yīng)用場(chǎng)合（如軍用設(shè)備）會(huì)受到限制。因此，取消速度傳感器而使系統(tǒng)具有良好的控制性能便成為電動(dòng)機(jī)調(diào)速領(lǐng)域的重要課題。

　　無(wú)速度傳感技術(shù)的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)速信息的獲得，轉(zhuǎn)速估計(jì)的精度直接決定了調(diào)速系統(tǒng)的性能，如何借助于所測(cè)量的電動(dòng)機(jī)電壓電流信號(hào)，準(zhǔn)確估計(jì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置，成為無(wú)速度傳感技術(shù)的關(guān)鍵。在無(wú)速度傳感技術(shù)中，獲得電動(dòng)機(jī)速度的方法主要有：

　　1）利用數(shù)學(xué)模型或者電磁特性構(gòu)造電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)方法。

　　2）利用其他辨識(shí)和估計(jì)方法估計(jì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

　　3）利用自適應(yīng)控制理論，選擇合適的參考與可調(diào)模型，借助于自適應(yīng)算法辨識(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

　　4）利用電動(dòng)機(jī)的諧波電勢(shì)求得轉(zhuǎn)速等。

　　然而，不論何種方法，在速度較低時(shí)，要獲得準(zhǔn)確的電動(dòng)機(jī)速度、位置都是很困難的，因此，拓寬低速應(yīng)用范圍是無(wú)速度傳感技術(shù)急待解決的問(wèn)題。

　?。?）現(xiàn)代逆變器技術(shù)的發(fā)展

　　電力電子技術(shù)是實(shí)現(xiàn)信息流與物質(zhì)/能量流之間聯(lián)系的重要紐帶，逆變器器件的發(fā)展是電力電子技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志。從以晶閘管為代表的相控器件，到以GTR、GTO為代表的全控型器件，再到以MOSFET、IGBT和IPM為代表的門控器件，電力電子器件經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展歷程。以PWM技術(shù)為核心的電流控制逆變器是矢量控制系統(tǒng)的重要組成部分，其性能對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)影響很大。在矢量控制系統(tǒng)中廣泛使用的PWM控制技術(shù)有：

　　a.正弦波對(duì)三角波調(diào)制的SPWM控制。

　　b.消除指定諧波的PWM控制，a和b均以輸出正弦波電壓為控制目標(biāo)。

　　c.滯環(huán)電流控制PWM，該法以正弦波電流輸出為控制目標(biāo)。

　　d.空間矢量控制SVPWM，該法以被控電動(dòng)機(jī)的算法簡(jiǎn)單為目標(biāo)。

　　同時(shí)，提出了各種可以優(yōu)化PWM控制的電流控制，如：預(yù)測(cè)電流控制、跟蹤軌跡電流控制等，為更好地實(shí)現(xiàn)矢量控制奠定了基礎(chǔ)。

　　隨著高性能微處理器的誕生，數(shù)字控制的交流永磁同步伺服系統(tǒng)正在向小型化、數(shù)字化、智能化、高性能方向發(fā)展，并隨著人們對(duì)高性能伺服驅(qū)動(dòng)器的需求日益增多，永磁同步伺服系統(tǒng)也因其自身的優(yōu)點(diǎn)而得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。