一文解析交流永磁同步伺服系统的现状与发展

　　电气伺服技术应用最广，主要原因是控制方便，灵活，容易获得驱动能源，没有公害污染，维护也比较容易。特别是随着电子技术和计算机软件技术的发展，它为电气伺服技术的发展提供了广阔的前景。本文主要介绍的是交流永磁同步伺服系统的现状与发展，具体的跟随小编一起来了解一下。

　　20世纪80年代以后，电动机调速技术不断发展，高性能永磁同步调速系统的出现，引起了人们对永磁同步伺服系统研究的高度重视，其研究工作主要是针对由逆变器供电的永磁同步电动机性能的研究和对永磁同步伺服系统控制的研究。

　　在逆变器供电的情况下，永磁同步电动机原有的特性将受到一定的影响，其稳态特性及暂态特性与恒定频率供电情况下的永磁同步电动机相比有着不同的特点。对同步电动机的分析，传统上是采用同步旋转坐标d、q上的Park模型，在实际应用中，Park模型可以解决永磁同步电动机性能分析和控制中的主要问题，但是考虑到电动机的磁路饱和和交叉耦合问题，Park模型的分析存在误差。为了提高永磁同步电动机的分析精度，必须考虑磁路饱和及d、q坐标参量之间的交叉耦合问题。采用有限元分析法求解永磁同步电动机的参数，并用试验测量电动机参数的变化规律以修正电动机的数学模型，可以很好地描述永磁同步电动机的运行特性。永磁同步电动机由永磁体励磁，因而它无励磁损耗，铜耗较小，但其磁路结构复杂，铁耗难以计算。而铁耗直接影响电动机的温升，会影响永磁体的磁性能，并改变伺服系统的性能。人们运用等效磁路的方法及考虑饱和非线性情况下用有限元法求解永磁同步电动机的铁耗，结果令人满意。随着对永磁同步电动机伺服驱动性能要求的不断提高，需要设计出高效率、高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电动机，需要研究满足现代伺服驱动要求的永磁同步电动机设计方法。

　　要获得高性能的交流永磁同步伺服驱动，就需要有性能优良的控制系统。80年代以来，随着各种相关技术的飞速发展，有关永磁同步电动机矢量控制系统的研究成果不断涌现，为高性能永磁同步伺服系统的研究与应用奠定了基础。永磁同步电动机矢量控制系统的电流控制方法对系统的运行特性有很大影响，必须研究不同电流控制方法时系统所具有的动静态特性。其控制方法有：转矩电流比最大的电流控制方法、直轴电流等于零的控制方法、功率因数等于1的控制方法、气隙磁链恒定的控制方法，这些方法提供了不同的调速性能，可以适合于不同要求的应用场合。一般情况下，永磁同步伺服系统必须具有较宽的调速范围，很稳定的转矩输出特性。为了满足实际需要，在额定转速以下，电动机按恒转矩运行，在额定转速以上，电动机按恒功率运行。随着电动机转速的上升，定子绕组中感应电动势不断增加，当转速上升到一定程度时，逆变器输出电流将不能跟踪电流给定，电动机输出转矩下降，性能变差。为提高高速时电动机转矩输出能力，需对电动机实施弱磁控制。然而，永磁同步电动机的磁场是由永磁体产生的，不能像直流和异步电动机那样进行控制。为了实现弱磁，在电动机电枢绕组中加入直轴电流，利用电动机直轴电枢反应抵消永磁体产生的磁场，从而提高永磁同步电动机的高速运行性能。

　　随着微型计算机技术，特别是DSP技术的飞速发展，永磁同步伺服系统的数字化正在如火如荼地进行着。华中科技大学、沈阳工业大学、天津大学研究了单片机或DSP构成的全数字交流伺服系统，采用预测控制和空间矢量控制技术，改善电流控制性能和系统响应精度，研究了伺服系统的控制理论，并开发了数字伺服系统。数字控制技术的应用，不仅使系统获得高精度、高可靠性，还为新型控制理论和方法的应用提供了基础。DSP和单片机的应用，大大简化了系统结构，提高了系统性能，并出现了全数字化软件伺服系统，显著提高了永磁同步伺服系统的可靠性、柔性和动态性能。

　　80年代开始，国外一些著名的公司，如日本的FANUC、安川、富士通、松下，美国的AB公司、科尔摩根公司，德国的西门子公司，法国的BBC公司、韩国三星公司等不断推出交流伺服驱动产品，伺服驱动市场几乎是外国公司一统天下的局面。而后，我国的华中理工大学、北京机床研究所、西安微电动机研究所、中科院沈阳自动化研究所、兰州电动机厂等单位开始研究并推出交流伺服系统。其中，由广州数控生产的DA98全数字式交流伺服驱动装置，由高原数控烟台公司生产的GY-2000系列数字化交流伺服驱动器在我国的高精度数控伺服驱动行业已经打开局面，打破了外国公司垄断的格局，开创了民族品牌新纪元。

　　伺服驱动系统是由主电路和控制电路两部分组成的，目前主电路的拓扑结构没有多大变化，伺服驱动系统的发展重点在控制电路部分。随着新型电力电子器件的出现，DSP技术的发展，现代控制理论的运用，永磁同步伺服系统的研究出现了一些新的方向，主要包含以下几个方面。

　　（1）电动机数学模型分析方法的发展

　　永磁同步电动机是一个多输入、强耦合、非线性系统，为了提高控制精度，非线性系统状态反馈线性化理论逐步被引入到电动机的控制中来，但由于该方法理论的复杂性，限制了它的推广应用。逆系统方法是分析非线性系统的另一种方

　　法，其思想是对于给定系统，让对象的模型生成可用反馈方法实现的原系统的“α阶积分拟系统”，将控制对象补偿成为具有线性传递关系的且已经解耦的规范化系统（伪线性系统），再用线性系统的各种设计理论完成系统的综合。该方法在理论上形式统一，物理概念清晰直观，容易被人们接受。（2）现代控制理论的引入

　　交流电动机矢量控制技术的提出，明显改善了它的调速性能。然而，传统的矢量控制技术依赖于电动机的模型和参数，而模型和参数在电动机运行过程中是变化的，这就使得电动机的矢量控制无法达到理论上的性能指标，满足不了现代伺服驱动系统的应用要求。现代控制理论的各种技术能够使系统在模型或者参数变化时保持良好的控制性能。

　　自适应控制技术是指在一定的数学模型确定的算法下，可以在系统运行情况变更时辨识系统有关参数，修改系统运行程序，以期改善系统在控制对象和运行条件发生变化时的控制性能。仿真和试验结果表明，自适应控制技术能够在系统参数发生变化的情况下保持良好的控制性能。但是，该控制算法的计算量较大，需要高速数据处理器。

　　滑模变结构控制是调整反馈控制系统的结构，使它的状态向量通过开关超平面时发生变化，系统的状态向量被约束在开关面的领域内滑动。系统的动态品质由开关面的参数决定，与系统的参数、扰动无关，具有很好的鲁棒控制性，在永磁同步电动机调速系统有成功的应用。但是它本质上是一种开关控制，在系统中不可避免会带来抖动，因而影响了它的应用。

　　电动机在运行过程中其参数是变化的，通过自适应观测器、卡尔曼滤波、龙贝格观测器等辨识技术对系统进行控制，也能提高电动机系统控制的性能与可靠性。

　　（3）人工智能技术的应用

　　经典的或者现代控制理论基础上的控制策略都依赖于电动机的数学模型，当模型参数变化时，想获得优良的控制性能是研究人员面临的重要课题。而近年来备受关注的智能控制，由于它摆脱了对被控对象模型的依赖，成为研究与开发的热点。随着人工智能技术的发展，智能控制已经成为现代控制的重要分支，智能化电气传动控制也成为目前电气传动的重要发展方向，开辟了电气传动技术新纪元。人工智能的专家系统、模糊控制、神经网络等在电动机传动系统中的应用与研究已经取得了可喜成果。

　　（4）无速度传感矢量控制技术

　　高性能的交流伺服系统都需要实现转速的闭环控制，所需的转速反馈信号来自和电动机转轴同轴相连的速度传感器。系统不断对电动机速度和转子位置进行测量，以便完成矢量变换，实现对电动机力矩的动态控制。为获得准确可靠的转速位置信号，速度传感器必须精确安装、妥善维护。高精度速度传感器的安装，增加了对系统的维护要求，系统对环境的适应能力也变差，成本增加，这在可靠性要求高的应用场合（如军用设备）会受到限制。因此，取消速度传感器而使系统具有良好的控制性能便成为电动机调速领域的重要课题。

　　无速度传感技术的关键是转速信息的获得，转速估计的精度直接决定了调速系统的性能，如何借助于所测量的电动机电压电流信号，准确估计电动机的转速和位置，成为无速度传感技术的关键。在无速度传感技术中，获得电动机速度的方法主要有：

　　1）利用数学模型或者电磁特性构造电动机转子位置的估计方法。

　　2）利用其他辨识和估计方法估计电动机转速。

　　3）利用自适应控制理论，选择合适的参考与可调模型，借助于自适应算法辨识电动机转速。

　　4）利用电动机的谐波电势求得转速等。

　　然而，不论何种方法，在速度较低时，要获得准确的电动机速度、位置都是很困难的，因此，拓宽低速应用范围是无速度传感技术急待解决的问题。

　　（5）现代逆变器技术的发展

　　电力电子技术是实现信息流与物质/能量流之间联系的重要纽带，逆变器器件的发展是电力电子技术发展的标志。从以晶闸管为代表的相控器件，到以GTR、GTO为代表的全控型器件，再到以MOSFET、IGBT和IPM为代表的门控器件，电力电子器件经历了三个发展历程。以PWM技术为核心的电流控制逆变器是矢量控制系统的重要组成部分，其性能对整个控制系统影响很大。在矢量控制系统中广泛使用的PWM控制技术有：

　　a.正弦波对三角波调制的SPWM控制。

　　b.消除指定谐波的PWM控制，a和b均以输出正弦波电压为控制目标。

　　c.滞环电流控制PWM，该法以正弦波电流输出为控制目标。

　　d.空间矢量控制SVPWM，该法以被控电动机的算法简单为目标。

　　同时，提出了各种可以优化PWM控制的电流控制，如：预测电流控制、跟踪轨迹电流控制等，为更好地实现矢量控制奠定了基础。

　　随着高性能微处理器的诞生，数字控制的交流永磁同步伺服系统正在向小型化、数字化、智能化、高性能方向发展，并随着人们对高性能伺服驱动器的需求日益增多，永磁同步伺服系统也因其自身的优点而得到越来越广泛的应用。