永磁交流伺服的發展現狀及趨勢自 20 世紀 80 年代以來，隨著現代電機技術、現代電力電子技術、微電子技術、控制技術及計算機技術等支撐技術的快速發展，交流伺服控制技術的發展得以極大的邁進，使得先前困擾著交流伺服系統的電機控制復雜、調速性能差等問題取得了突破性的進展，交流伺服系統的性能日漸提高，價格趨于合理，使得交流伺服系統取代直流伺服系統尤其是在高精度、高性能要求的伺服驅動領域成了現代電伺服驅動系統的一個發展趨勢。伺服控制技術是決定交流伺服系統性能好壞的關鍵技術之一，是國外交流伺服技術封鎖的主要部分。隨著國內交流伺服用電機等硬件技術逐步成熟，以軟形式存在于控制芯片中的伺服控制技術成為制約我國高性能交流伺服技術及產品發展的瓶頸。研究具有自主知識產權的高性能交流伺服控制技術，尤其是最具應用前景的永磁同步電動機伺服控制技術，是非常必要的。1 交流永磁伺服系統的基本結構圖 1 給出了交流永磁伺服控制系統簡化的基本結構框圖。除電機外，系統主要包括功率驅動單元、 位置控制器、速度控制器、轉矩和電流控制器、位置反饋單元、電流反饋單元、通訊接口單元等。圖 1 數字化交流伺服系統基本結構框圖 稀土永磁同步電動機稀土永磁同步電動機是使用最多的伺服電機品種。這種電機的特點是結構簡單、運行可靠、易維護或免維護;體積小，質量輕 ;損耗少，效率高，現今的永磁同步電動機定子多采用三相正弦交流電驅動，轉子一般由永磁體磁化為3-4對磁極，產生正弦磁動勢。高性能的永磁同步電動機由電壓源型逆變器驅動，采用高分辨率的絕對式位置反饋裝置。高性能的交流伺服系統要求永磁同步電動機盡量具有線性的數學模型。這就需要通過對電機轉子磁場的優化設計，使轉子產生正弦磁動勢，并改進定子、轉子結構，消除齒槽力矩，減小電磁轉矩波動。這樣通過對電機本體的設計來提高其控制特性。國外各大伺服驅動廠商和電機制造商均有性能優良的永磁同步伺服電動機產品，功率一般在 50w-20kw 之間。國內由于資金和技術的限制，研究和產品多集中在低價位、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計，應用于航天、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控等少數單位研制出部分產品，但都未形成規模，不具有與國外產品競爭的能力。 功率驅動單元功率驅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 結構。為避免上電時出現過大的瞬時電流以及電機制動時產生很高的泵升電壓，設有軟啟動電路和能耗泄放電路。逆變部分采用集驅動電路，保護電路和功率開關于一體的智能功率模塊(ipm) ，開關頻率可達 20khz 。 控制單元控制單元是整個交流伺服系統的核心, 實現系統位置控制、 速度控制、轉矩和電流控制器。 數字信號處理器 (dsp)被廣泛應用于交流伺服系統, 各大公司推出的面向電機控制的專用dsp 芯片, 除具有快速的數據處理能力外， 還集成了精品資料豐富的用于電機控制的專用集成電路，如a/d 轉換器、pwm 發生器、定時計數器電路、異步通訊電路、can 總線收發器以及高速的可編程靜態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變壓器、光電編碼器、磁編碼器等元件。旋轉變壓器輸出兩相正交波形， 能輸出轉子的絕對位置，但其解碼電路復雜，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。圖 2 光電編碼器光電編碼器分為增量式和絕對式，較其它檢測元件有直接輸出數字量信號，慣量低，低噪聲，高精度，高分辨率，制作簡便，成本低等優點。增量式編碼器結構簡單，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，當應用于伺服領域時需要初始定位。格雷碼絕對式編碼器一般都做成循環二進制代碼，碼道道數與二進制位數相同。格雷碼絕對式編碼器可直接輸出轉子的絕對位置，不需要測定初始位置。但其工藝復雜、成本高，實現高分辨率、高精度較為困難。通用的交流伺服系統上采用的絕對式編碼器精度一般在 12 位至 20 位之間。當前世界上生產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 公司生產的編碼器系列以其優質的性能、多樣的品種譽滿全球，居國際領先水平。日本編碼器工業在工業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率先進行光電軸角編碼器的研制， 現已有增量式和絕對式數十種型號的產品。在提高光電編碼器的分辨率和精度方面，國內已采用電子學細分，多頭讀數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 年代末生產的 23 位絕對式光電軸角編碼器，分辨率為0.5 ，測角精度達 0.51 。國內其它數十家生產光電軸角編碼器廠家，大多只生產低位數的編碼器。目前最新發展是將網絡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絡傳送檢測信息并接收上位機的控制信息，成為網絡化智能傳感器。由于測試對象的復雜性和應用場合的實時性要求，伺服系統要求具有信息處理與傳輸能力的轉換電路。 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。伺服單元內部及對外的i/o 接口電路中，有許多數字信號需要隔離。這些數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 主要用于連接工業控制總線，構成控制網。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。2 伺服相關技術的發展現狀 逆變器及調制技術發展現狀目前小功率高性能的交流伺服驅動器普遍采用電壓源型逆變器，且調制頻率較高 (10khz 以上)。但這種方法在電機調速范圍上受直流母線電壓的影響，當轉速提高到一定程度時，電機產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 zhenyu yu 等人分析了各種 pwm 調制方式 1。滯環調制實現簡單，但波形諧波大，性能較差。正弦 pwm 調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，數字實現中變化出多種規則采樣方法。有的文獻中根據電機特點，在正弦波中疊加高次諧波，以抑制某些次諧波，達到優化電流波形的目的。80 年代 broeck 博士提出了一種新的脈寬調制方法）空間矢量 pwm 調制，將空間矢量引入到脈寬調制中2。它具有線性范圍寬，高次諧波少，易于數字實現等優點，在新型的驅動器中得到了普遍應用。文獻3 分析了三相交流電機空間矢量脈寬調制的原理， 探討了采用空間矢量脈寬調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 之間的聯系。零序矢量放置的不同可以導致不同的 svpwm 調制方式，每個 pwm 周期只插入一個零序矢量可減少1/3 的開關次數，即可實現最小開關損耗 svpwm 調制。igbt 等器件的死區是逆變器的非線性原因之一，會導致電流波形畸變，使控制性能變差。針對死區的各種補償技術的研究很多。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 分析了死區的作用， 只在電流過零時給出一段死區，可以減小死區產生的畸變。 速度檢測技術發展現狀交流伺服系統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，由固定時間內檢測到的脈沖數除以時間得到速度，即為最常使用的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 ;以及兩者結合的 m/t 法。由于速度環計算的周期固定，因此在伺服控制系統中常用m 法測速。由于低速時得到的脈沖數較少，計算得到的速度不連續，其波動較大，會引起速度環控制的波動，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過濾波，各國學者提出了許多方法計算速度。模擬電路的濾波實現主要采用鎖相環方法，利用鎖相電路對位置編碼器發出的脈沖進行穩相，得到頻率較為穩定的脈沖串。該方法增加了硬件設計，由于數字濾波技術的發展，使它在實際伺服系統中的應用很少。最普通的計算速度的數字方法是使用低通數字濾波器。低階低通數字濾波器設計簡單，易于實現，在速度穩定時使用能得到較好的測量效果。但濾波器帶寬受限，會導致時間延遲，當系統速度暫態變化時，濾波器的延時會引起速度檢測誤差。現代控制理論中的觀測器技術也被應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。觀測器技術一般需要建立系統模型，根據檢測到的電流， 位置等實際信息， 通過系統數學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。采用kalman 濾波器來實時估計轉速和力矩波動，并通過參數辨識去調節控制器參數，以實現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 參數自整定發展現狀pid 控制是迄今為止最通用的控制方法。大多數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,許多先進控制方法不斷推出，但pid 控制器以其結構簡單，對模型誤差具有魯棒性及易于操作等優點，仍被廣泛應用于冶金、化工、電力、輕工和機械等工業過程控制中。但是，參數單一不變的pid 控制器，在負載、環境變化的條件下控制效果明顯變差。這時需要經驗豐富的工程師重新設定 pid 參數以適應變化。這樣費時費力，不能滿足現代化工業生產的需求。因此，pid 參數自整定技術受到越來越廣泛的關注。特別是在高品質的運動控制專用dsp 出現后，使得在線實現pid 參數自整定技術日益成熟。pid 自整定方法大致可以分為兩類：基于模型法和基于規則法。在基于模型的自整定方法中，可以通過暫態響應實驗、參數估計及頻率響應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最簡便的方法之一。該方法可保障穩定過程的穩定閉環振蕩響應，因此已廣泛應用于工業pid 控制器參數自整定中。在基于規則的自整定方法中，不用獲得過程實驗模型，整定基于類似有經驗的操作者手動整定的規則。基于規則法整定又分為兩種方法：(1) 連續整定 : 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;(2) 周期整定 : 在每次階越響應后才可獲得整定信息，通常包括超調量、上升時間和整定時間等。總的來說，基于模型法需要對象精確的數學模型，計算量大，控制效果好。但由于實際系統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條件，當眾多的假設不成立時，控制效果明顯變差。而基于規則法只需根據系統的輸入輸出信號來改變控制參數以獲得滿意的控制效果，不需要系統的模型，整定過程類似有經驗的操作者手動整定。因此整定規則和控制參數預置范圍的確定顯得尤為重要，也十分的困難。基于規則法整定過程慢且時間不確定，甚至引起系統振蕩或者整定過程無法結束。針對電機驅動控制器實時性要求強、非線性度高等特點，眾多學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發展現狀無位置傳感器控制技術是近些年來在永磁交流電機伺服技術中最為活躍的一個領域。同步電機傳動系統需要對其速度和位置進行控制。高精度的電機系統對速度控制和位置控制提出了很高的要求，相應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、多功能兩個方向發展。電機系統中傳感器的存在阻礙了電機向高速化、小型化發展。因此，無傳感器技術的研究在高速電機、微型電機的控制和一些特殊場合具有重要的意義。最早出現的無傳感器方法可統稱為波形檢測法，通過檢測物理量，如電流、電壓磁鏈和反電動勢等信號，估計辨識轉子位置， 實現電機自同步運行。 這種設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。這一要求完全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是在數字信號處理器(dsp) 出現后得以發展的。 dsp 的高速信息處理能力使無位置傳感器控制技術的復雜算法能得以實現。在無位置傳感器技術發面，很多學者作出了研究，提出了切實可行的方法。(1) 磁鏈位置估計法：該方法的基本思想是基于場旋轉理論， 在電機穩態運行時， 定子磁鏈和轉子磁鏈同步旋轉， 且兩磁鏈之間的夾角相差一個功角。(2) 模型參考位置估計法：先假設轉子所在位置，利用電機模型計算出在該假設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位置為真實位置。該方法位置精度和模型的選取有關，電流模型比電壓模型低速估計性能更好。(3) 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最優觀測。改算法計算量很大，濾波器很難確定實際系統的噪聲級別和算法中的卡爾曼增益，且受電機參數的影響較大。(4) 檢測電機相電感變化的位置估計法：利用作為位置函數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勢。隨著微電子、計算機、電力半導體和電機制造技術取得巨大技術進步，永磁交流伺服系統將具有美好的發展前景。參考文獻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