第第頁交流伺服系統(tǒng)發(fā)展問題探討摘要：一般而言，伺服系統(tǒng)是指利用負(fù)反饋原理通過各種控制方法或策略，使輸出服從于輸入的運(yùn)動控制系統(tǒng)。它的主要任務(wù)是按控制命令的要求使輸出能夠自動地、連續(xù)地、精確地、快速地復(fù)現(xiàn)輸入信號地變化規(guī)律。通過機(jī)械位移、機(jī)械角度、轉(zhuǎn)矩、速度或加速度等輸出量達(dá)到各種各樣的控制目的。永磁交流伺服系統(tǒng)是一種用永磁交流伺服電動機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)，以伺服電機(jī)的速度、機(jī)械位置或角度作為控制對象的運(yùn)動控制系統(tǒng)，由此可知伺服系統(tǒng)主要由電機(jī)、傳感器與驅(qū)動控制器三大主要部分組成。現(xiàn)代高性能永磁交流伺服系統(tǒng)由永磁電機(jī)、傳感器及驅(qū)動控制器三大部分構(gòu)成。伺服系統(tǒng)發(fā)展趨勢包括高性能化、集成化、智能化。

關(guān)鍵詞：交流伺服系統(tǒng)，反饋裝置，控制器

一、概述

永磁交流伺服系統(tǒng)中使用的傳感器和傳感技術(shù)就是將與執(zhí)行電機(jī)或控制對象相關(guān)的電流、速度、位置、加速度、溫度等各種旋轉(zhuǎn)的或直線的機(jī)械、電氣等輸出量反饋給驅(qū)動控制器，使之與輸入的命令進(jìn)行比較，驅(qū)動控制器根據(jù)這些信息做出決定，發(fā)布指令，指示執(zhí)行電機(jī)完成相應(yīng)動作。永磁交流伺服系統(tǒng)中所使用的傳感器和傳感技術(shù)種類繁多，內(nèi)容十分豐富，根據(jù)伺服驅(qū)動控制的工作原理，伺服系統(tǒng)大致接收處理四類信息：第一部分A：是指能從電動機(jī)輸入端所能直接或間接得到的信息，如電機(jī)的電壓u、電流i、電壓變化率du/（dt）、電流變化率di/（dt）、電機(jī)的反電動勢e和電機(jī)磁鏈等一些重要的電氣參數(shù)。第二部分B：是從電機(jī)本體可獲得的有關(guān)參量，如電機(jī)的溫度或溫升、機(jī)械振動、噪聲等各種環(huán)境監(jiān)測物理量。第三部分C：主要輸出的是電機(jī)各種機(jī)械物理量，如機(jī)械角度、電氣角度、角速度、角加速度、直線位置和速度以及電機(jī)的磁場位置等。第四部分D：主要是反饋被控對象的各物理量，除了直接的機(jī)械量如位置、速度、角度等以外，還有許多根據(jù)被控對象的性質(zhì)而提供給上位控制器的各種監(jiān)測控制參數(shù)。

二、伺服電機(jī)

常用的交流伺服電機(jī)主要包括感應(yīng)式異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)兩種。感應(yīng)異步電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠、壽命長、成本低，保養(yǎng)維護(hù)簡便等特點(diǎn)。但是，與直流電動機(jī)相比，它調(diào)速性能差，起動轉(zhuǎn)矩小，過載能力和效率低。其旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生需從電網(wǎng)吸取無功功率，故功率因素低，大大增加了線路和電網(wǎng)的損耗。其在控制上采用轉(zhuǎn)子磁場定向控制，將轉(zhuǎn)子電流分為與轉(zhuǎn)子磁通方向一致的勵磁電流和相位超前其900轉(zhuǎn)矩電流，因?yàn)檗D(zhuǎn)差率的存在，其轉(zhuǎn)子磁通位置要在位置傳感器的基礎(chǔ)上進(jìn)一步處理，系統(tǒng)比較復(fù)雜。另外，轉(zhuǎn)子電阻隨溫度而變化，會影響磁場定向的準(zhǔn)確性。同時，低速運(yùn)行時電機(jī)發(fā)熱比較嚴(yán)重，而低速運(yùn)行又往往是伺服電機(jī)經(jīng)常所處的運(yùn)行狀態(tài)。因此，在交流伺服系統(tǒng)發(fā)展初期，感應(yīng)式異步電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)雖曾一度得到發(fā)展和應(yīng)用，但由于存在上述一些問題，異步電機(jī)伺服系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)向永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)。

交流永磁同步電機(jī)可分為兩大類：一類稱為梯形波永磁電機(jī)，即通常所說的直流無刷電機(jī)（BLDC），其反向電動勢為梯形波信號；另一類稱為正弦波永磁電機(jī)，通常稱為永磁同步電機(jī)（PMSM），其反向電動勢為正弦波信號。直流無刷電機(jī)具有控制簡單、成本低廉、檢測裝置簡單等優(yōu)點(diǎn)。但是由于直流無刷電機(jī)原理上存在固有缺陷，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，電樞電流和電樞磁勢的不連續(xù)性而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動較大，這種轉(zhuǎn)矩脈動使得電機(jī)速度控制性能很難得到提升，并且其鐵心附加損耗大，從而限制了由其構(gòu)成的伺服系統(tǒng)在高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動場合下的應(yīng)用。而永磁同步電機(jī)其性能好于直流無刷電機(jī)，雖然控制較為復(fù)雜，但隨著控制器與控制策略的迅速發(fā)展，控制系統(tǒng)的實(shí)時性與精確性有了較大程度的改善。永磁體的形狀可分為扇形和矩形兩種：扇形磁體轉(zhuǎn)子具有電樞電感小，齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩小的特點(diǎn)，適合低速大扭矩工作；矩形磁體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)凸極效應(yīng)，電樞電感大，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)牢固，適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)。高性能永磁材料發(fā)展迅速，大幅提升了永磁同步電機(jī)的性能。

三、反饋裝置

傳感器的分類方法很多，根據(jù)伺服系統(tǒng)的工作狀態(tài)可以分為位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、電流傳感器等；按信號轉(zhuǎn)換的原理可分為電磁感應(yīng)原理、光電效應(yīng)、光柵效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、壓阻效應(yīng)、壓電效應(yīng)等；按輸出電信號的形式可分為模擬式和數(shù)字式。伺服系統(tǒng)中主要使用的傳感器有旋轉(zhuǎn)變壓器、自整角機(jī)、測速發(fā)電機(jī)、光電編碼器、磁性編碼器、霍爾元件以及過壓、過流、過熱等非機(jī)械量測量傳感器等。

霍爾電流/電壓傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器，在信號采集過程中實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，具有安裝方便，功耗小，精度高、線性度好等特點(diǎn)，在電機(jī)伺服控制系統(tǒng)中得要廣泛應(yīng)用。交流伺服中電流檢測精度直接影響到解禍控制效果，使用高精度的電流傳感器，有助于提高系統(tǒng)的性能。旋轉(zhuǎn)變壓器、自整角機(jī)和光電編碼器用于電機(jī)伺服控制系統(tǒng)中的速度和位置檢測。旋轉(zhuǎn)變壓器、自整角機(jī)在環(huán)境適應(yīng)性，如耐高低溫和振動沖擊上要好于光電旋轉(zhuǎn)編碼器。

四、控制器

集成電路和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展對永磁同步電動機(jī)控制技術(shù)起到了重要的推動作用，它們的飛速發(fā)展促進(jìn)了電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新。隨著對交流驅(qū)動系統(tǒng)研究的深入和對性能要求的不斷提高，涌現(xiàn)出了許多復(fù)雜而先進(jìn)的算法，單片機(jī)MC51、96及多片MCS96系統(tǒng)的運(yùn)算速度已不能滿足要求，數(shù)字信號處理器（DSP）已經(jīng)成為電機(jī)控制系統(tǒng)中的首選器件，在伺服系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。DSP器件具有較高的集成度，運(yùn)算速度快，存儲器容量大，它采用哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間，程序總線和數(shù)據(jù)總線分離，同時可以對程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，其內(nèi)置高速硬件乘法器，取指、譯碼、操作采取多級流水線。通過程序來實(shí)現(xiàn)控制算法，可大大地簡化硬件，降低成本，提高系統(tǒng)的控制精度和可靠性，實(shí)現(xiàn)軟件伺服。在電機(jī)控制中，應(yīng)用最廣泛的DSP主要為TI的C2000系列。近年來DSP發(fā)展速度很快，性能不斷改善，TI公司在DSP28x定點(diǎn)系列以后又推出了28xPiccolo系列與28xDelfino浮點(diǎn)系列。這三個系列的核心區(qū)別在于其CPU對于浮點(diǎn)數(shù)的處理方式上。28X定點(diǎn)系列與Piccolo系列均需要軟件的幫助來進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，但是在硬件處理方式上Piccolo更加優(yōu)化，通過使用獨(dú)立控制律加速器（CLA）處理浮點(diǎn)控制環(huán)路，使CPU得到釋放，以便完成其它任務(wù)。

五、功率驅(qū)動單元

電力電子技術(shù)是信息產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)間重要的接口，是弱電與被控強(qiáng)電之間的橋梁。電力電子技術(shù)的發(fā)展對電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展影響極大。自58年世界上第一個功率半導(dǎo)體開關(guān)晶閘管發(fā)明以來，電力電子元件已經(jīng)歷了第一代半控式晶閘管，第二代有自關(guān)斷能力的半導(dǎo)體器件（大功率晶體管GTR、可關(guān)斷晶閘管GTO、功率場效應(yīng)管MOSFET）的三代復(fù)合場控器件（絕緣門極雙極性晶體管IGBT、靜電感應(yīng)式晶體管SIT、MOS控制的晶體管MCT等）。到了90年代，電子注入增強(qiáng)柵晶體管IEGT，集成門極換流晶閘管IGCT相繼問世。在中小型伺服系統(tǒng)方面，仍以二極管和IGBT為主要器件的功率