永磁交流伺服系統國內外發展概況
黃聲華，吳芳
(華中科技大學，湖北武漢430074)
摘要：永磁交流伺服系統發展日新月異，對近十年來國內外永磁交流伺服系統的研究成果作一綜述。在分析永磁交流伺服系統發展趨勢的基礎上，重點介紹了永磁交流伺服系統控制策略、位置檢測和辨識、主電路和驅動技術以及通訊網絡化技術等關鍵技術的研究現狀，指出了目前國內永磁交流伺服系統產品的研發方向及其與發達國家的差距。
關鍵詞：永磁交流伺服；發展概況；控制策略；位置檢測；驅動技術
中圖分類號：T~M359．4 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7018(2008)05—0052-115
0引 言
隨著電機理論、永磁材料、電力電子技術、控制理論和計算機技術的驚人發展，交流伺服系統的研究和應用，自20世紀70年代末以來，取得了舉世矚目的進展，已具備有寬調速范圍、高穩速精度、快動態響應及四象限運行等良好的技術性能，其動、靜態特性已完全可以與直流伺服系統相媲美。多年來，“交流取代直流伺服”這一愿望正逐漸變為現實，并不斷有新的研究成果和新產品出現。
近十年來，國內外日益完善的永磁交流伺服系統不斷涌現，性能指標不斷提高，應用范圍不斷擴大。縱觀目前國內市場現狀，國外知名品牌的永磁交流伺服系統仍占據了國內絕大多數中、高端應用領域，而國內成熟產品主要應用在中、低端設備領域中，如簡易數控機床、服裝加工機械、包裝機械等等，究其原因是國外知名品牌的產品具有較明顯的技術優勢。例如代表目前永磁交流伺服系統世界先進水平的三菱公司推出的MR系列交流伺服單元具有以下技術優勢：
(1)采用內含數字信號處理器的高性能cPu，其運算速度極快，永磁電機速度的頻率響應達到550 Hz以上，非常適合于高速定位的場合。
(2)采用17位(131 072 P／rev)的高分辨率編碼器和先進的控制策略，大大降低永磁電機的速度波動率，其技術指標達到負載力矩波動從0～100變化時，電機速度波動率≤百分之O．01，從而可以滿足精密數控機床等設備的需求。
(3)智能化的控制確保電機在各種工況(如加、減速轉矩較小或摩擦力較大時)均能自動調整到****運行狀態，并能實時檢測系統帶負載的機械振動頻率，進而消弱系統機械振動。
(4)先進的上位機支撐軟件，通過上位機與伺服系統的串行通訊接口，能自動對伺服電機加振，并能分析出機械系統的頻率，從而對包括機械系統在內的伺服單元調整到****工作狀態。
(5)完善的系列化產品，便于各類用戶選擇。高端產品離不開日益發展的高新技術的支撐。為此，本文將對交流伺服系統的發展趨勢和關鍵技術作一綜述。
1交流伺服系統發展趨勢
綜合國內外交流伺服系統發展與現狀，可以清楚地看出其發展趨勢，主要表現在以下幾個方面：(1)永磁化交流伺服系統主要有永磁同步電動機交流伺服系統和異步電動機交流伺服系統兩大類。異步電動機交流伺服系統具有電機結構堅固、制造容易、價格低廉、弱磁調速易于實現等優點，但與永磁同步電動機交流伺服系統相比存在著效率低、功率因數低、低
速力矩小、轉子發熱嚴重等問題。而隨著永磁材料性價比的不斷提高，永磁同步電動機結構的優化設計和新的控制策略的發展，其耐高溫、耐振動、可弱磁調速的性能不斷提高。最典型的應用就是電動汽車和高性能電梯曳引機已逐步引進永磁同步電動機交流伺服系統，其性能與異步交流伺服系統相比有明顯提高。
(2)全數字化和控制智能化
交流伺服系統控制單元經歷了模擬式、混合式、全數字化逐步演變進步的過程，各類新型高速微處理器和電機專用DsP的出現，為伺服控制單元實現包括位置環、速度環、電流環的全數字化控制奠定了堅實的物資基礎，從而將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，不僅大大簡化了伺服系統的結構，提高了運行可靠性，而且在伺服系統中應用現代控
制理論的先進算法(如：****控制、人工智能、模糊控制、神經網絡等)成為可能，從而促使交流伺服系統的控制性能進一步提高。
(3)高度集成化
一方面永磁材料磁能積不斷提高，永磁同步電動機的體積重量明顯下降；另一方面電力電子技術的發展，一大批新型功率器件應用到交流伺服控制單元中，最典型的是IGBT智能模塊(IPM)的應用，不僅使主電路更加緊湊，而且大大簡化了伺服系統的驅動、保護環節。特別是內含電壓自舉電路的IPM模塊，可以將原來驅動單元所需的四路獨立電源減少為一路電源。新型電子器件的不斷涌現，也促進了伺服單元的高度集成化。例如，采用線性光耦實現電機電流采樣比Hall零磁通電流傳感器具有更小的體積和重量，現已成功應用于交流伺服系統產品中(如華科大生產的交流伺服單元)。
(4)通訊網絡化
在國外，以工業局域網技術為基礎的工廠自動化工程技術近十幾年來取得了長足的發展，并顯示出良好的發展勢頭。為適應這一發展趨勢，****的伺服系統都配置了標準的串行通訊接口(如RS-232G、RS—422接口等)和專用的局域網接口，這些接口的設置，顯著增強了伺服單元與其他設備間的互聯能力。以cNc系統為例，只需一根電纜或光纜，就可以將數臺甚至數十臺伺服單元與上位計算機連接成整個數控加工系統。近年來，現場總線通訊方式(如cAN、sERcOs總線等)已出現在交流伺服系統中，進一步加快了各設備之間的通訊速率與可靠性。值得注意的是，近年來進口交流伺服系統都匹配了完善的串行通訊接口和運行軟件，而國內交流伺服產品尚存在較大差距。
2不斷進步的控制策略
永磁交流伺服系統幾十年來的發展，最突出的是不斷進步的控制策略，其中有代表性的有：恒壓頻比控制、矢量控制、直接轉矩控制、非線性控制、自應控制、滑模變結構控制、智能化控制等等。
2.1恒壓頻比控制
采用位置檢測的永磁同步電動機調速系統屬于自控式變頻調速系統。即給定定子電流后，電機定子頻率隨轉子位置的變化而變化，但是要保證電機在不同速度下都能提供定子電流達到給定電流值，外加到永磁同步電動機的端電壓必須隨電機轉子速度的增加而提高，以補償永磁同步電動機反電動勢升高，所以永磁同步電動機自控式變頻調速本質滿足恒壓頻比條件，屬于恒壓頻比控制范疇。恒壓頻比控制依據的是穩態數學模型，不能控制電機動態過程中的轉矩，得不到理想的動態控制性能，目前永磁交流伺服系統基本上不采用這種早期的控制模式。
2.2矢量控制
1971年由德國學者Blaschke提出的矢量控制理論使交流電機控制由外部宏觀穩態控制深入到電機內部電磁過程的瞬態控制，永磁同步電機的控制性能由此發生了質的飛躍。矢量控制最本質的特征是通過坐標變換將交流電機內部復雜耦合的非線性變量變換為相對坐標系為靜止的直流變量(如電流、磁鏈、電壓等)，從中找到約束條件，獲得某一目標的****控制策略。
目前永磁同步電動機最典型的矢量控制約束條件是令id=0，控制定子電流的q軸分量iq即可控制電機轉矩的大小，該方法的優點是建模較簡單，實時控制計算量相對較少，易于實現。由于id=0，對永；磁體無去磁效應，并滿足電磁轉矩與控制電流iq的線性關系，達到了直流電動機的高性能動態控制水平，因此這一方法在永磁交流伺服系統中獲得了最
廣泛地應用。
id=0的矢量控制策略的不足是氣隙合成磁鏈ψ0≠const，功率因數cosΦ≠l，變頻器容量未獲得最充分的利用。為此一些新的改造電機內部電磁關系的控制策略應運而生，如以cosΦ≠1為約束條件的矢量控制方法，以Ψ0≠const為約束條件的矢量控制方法，或通過改造電機結構使其Ld/Lq滿足****值，進而通過復雜的運算使電機內部Ψ0≠const且cosΦ=1的轉矩／電流線性控制方式等，近年來電機專用DsP功能日益成熟，已為實現這些復雜運算提供了保障。
2．3直接轉矩控制
1985年，Depenbrock教授提出異步電機直接轉矩控制方法。該方法在定子坐標系下分析交流電機的數學模型，在近似圓形旋轉磁場的條件下強調對轉矩進行直接控制，省掉了矢量坐標變換等復雜計算。直接轉矩控制磁場定向應用的是定子磁鏈，只需知道定子電阻就可以把它觀測出來，相對矢量控制更不易受電機參數變化的影響。近年來，直接轉矩控制方式被移植到永磁同步電動機的控制中，其控制規律和關鍵技術正逐漸被人們了解、掌握，直接轉矩控制在全數字化、大力矩、高速響應的交流伺服系統中將有廣闊應用前景。
2.4非線性控制
交流電機是一個強耦合、非線性、多變量系統。非線性控制通過非線性狀態反饋和非線性變換，實現系統的動態解耦和全局線性化，將非線性、多變量、強耦合的交流電動機系統分解為兩個獨立的線性單變量系統。其中，轉子磁鏈子系統由兩個慣性環節組成。轉速子系統由一個積分環節和一個慣性環節組成。兩個子系統的調節按線性控制理論分別設計，以使系統達到預期的性能指標。
但是，非線性系統反饋線性化的基礎是已知參數的電動機模型和系統的精確測量或觀測，而電機在運行中參數受各種因素的影響會發生變化，磁鏈觀測的準確性也很難論證，這些都會影響系統的魯棒性，甚至造成系統性能惡化，目前這種控制方法仍有待進一步完善。
2．5自適應控制
自適應控制能在系統運行過程中不斷提取有關模型的信息，模型得到逐漸完善，所以它是克服參數變化影響的有力手段。應用于永磁交流電動機控制的自適應方法有模型參考自適應、參數辨識自校正控制以及新發展的各種非線性自適應控制。但所有這些方法都存在的問題是：①數學模型和運算繁瑣，控制系統復雜化；②辨識和校正都需要一個過程，對一些參數變化較快的系統，因來不及校正而難以產生很好的效果。
2．6滑模變結構控制
滑模變結構控制是變結構控制的一種控制策略，它與常規控制的根本區別在于控制的不連續性，即一種使系統“結構”隨時變化的開關特性。其主要特點是，根據被調量的偏差及其導數，有目地的使系統沿設計好的“滑動模態”軌跡運動。這種滑動模態是可以設計的，且與系統的參數及擾動無關，因而系統具有很強的魯棒性。另外，滑模變結構控制不需要任何在線辨識，所以較容易實現。在過去十多年里，將滑模變結構控制應用于交流傳動一直是
國內外學者的研究熱點，并已取得了一些有效的結果。但滑模變結構控制本質上的不連續開關特性使系統存在“抖振”問題，主要原因是：④對于實際的滑模變結構系統，其控制力總是受到限制的，從而使系統的加速度有限；②系統的慣性、切換開關的時聞空間滯后及狀態檢測的誤差，特別對于計算機的采樣系統，當采樣時間較長時，形成“準滑模”等。所以，在實際系統中抖振必定存在且無法消除，這就限制了它的應用。
2．7智能控制
智能控制理論是永磁交流伺服控制發展中的一個嶄新階段，與傳統的經典、現代控制方法相比，具有一系列獨到之處。首先，它突破了傳統控制理論中必須基于數學模型的框架，不依賴或不完全依賴于控制對象的數學模型，只按實際效果進行控制。其次，繼承了人腦思維的非線性，智能控制器也具有非線性特征；同時，利用計算機控制的便利，可以根據當前狀態切換控制器的結構，用變結構方法改善系統性能。在復雜系統中，智能控制還具有分層信息處理和決策的功能。利用智能控制的非線性、變結構、自尋優等各種功能來克服交流伺服系統變參與非線性等不利因素，可以提高系統的魯棒性。目前智能控制在交流伺服系統應用中較為成熟的，是模糊控制和神經網絡控制。其中模糊控制是利用模糊集合來刻劃人們日常所使用的概念中的模糊性，使控制器能更逼真地模仿熟練操作人員和專家的控制經驗與方法，它包括精確量的模糊化、模糊推理、模糊判決三部分。一些文獻表明，模糊控制系統
只有與其他控制方法相結合，才能獲得優良的性能。神經網絡控制在永磁交流伺服系統中的應用主要有下面幾個方面：①代替傳統的PID控制；②由于實際的矢量控制效果對傳動系統參數很敏感，將神經網絡用于電機參數的在線辨識、跟蹤，并對磁通及轉速控制器進行白適應調整；③電機矢量控制需要知道轉子磁通的瞬時幅值與位置，無速度傳感器矢量控制還需要知道轉速，神經網絡被用來精確估計轉子磁通幅值、位置及轉速；④結合模型參考自適應控制，將神經網絡控制器用于自適應速度控制器中。
3位置編碼器與無傳感器位置檢測技術
高性能永磁交流伺服系統離不開精密的位置、速度反饋信息，采用合適的位置編碼器或無傳感器位置檢測技術是生產高性價比交流伺服系統的前提。永磁伺服電機位置編碼器包括磁開關式、光柵式和旋轉變壓器等多種方式。
(1)磁開關式編碼器 將開關型霍爾元件安裝在永磁電機定子槽口或端部構成的簡易磁開關式編碼器，具有成本低、安裝方便、可獲得電機****位置等優點，目前在永磁無刷直流電動機中獲得較廣泛的應用。在正弦波驅動的永磁伺服系統中，這種編碼器的分辨率顯得太粗糙，但這種粗分辨率的編碼器可以支持無傳感器位置控制技術。即通過簡易磁開關式編碼器的粗定位可以簡化無傳感器位置辨識的難度，并能校正無傳感器位置辨識的誤差。這種方案在永磁伺服系統中應該有一定的發展前途。
(2)光柵編碼器
目前永磁伺服系統中主要采用混合式光柵編碼器和****值式光柵編碼器。
混合式編碼器的優點是引線較少、接口簡單、響應速度快、成本較低廉，缺點是系統初上電時無準確定位角，需要采用掉電位置角記憶功能或電機失電轉子自鎖功能才能確保系統重上電后的準確定位。目前國內許多永磁伺服系統采用混合式編碼器。
****值編碼器分辨率高，能在任何工況下檢測出電機轉子準確位置，但****值編碼器引線多、成本較昂貴。為了解決****值編碼器引線多的缺陷，一種并轉串口輸出的****值編碼器應運而生，但受到串口傳輸速率的限制。這種****值編碼器不能應用在轉速較高的伺服系統中：
(3)旋轉變壓器 旋轉變壓器解決了混合式光柵編碼器不能獲得高精度****位置和****值編碼器引線太多的矛盾，旋轉變壓器輸出的模擬正弦信號通過鑒幅或鑒相處理獲得數字量的轉子****值信息。目前在許多交流伺服系統中得到了應用。
位置編碼器提供了電機所需的轉子信號，但也給伺服系統帶來了一些問題：①增加了轉子軸的轉動慣量；②系統易受干擾；③限制了應用場合；⑧增加了系統成本；⑤加大了電機空間尺寸和體積。為了克服上述缺點，近年來無機械位置編碼器的永磁同步電動機伺服系統研究十分活躍。其基本思路是根據電機的特點，建立電機數學模型，估算永磁同步電動機轉子的位置和速度，即用電氣特性來反映其機械運動特性。無編碼器永磁同步電動機控制系統
中轉速和轉子位置的估計方法大致可以歸結為以下幾種。
(a)基于電機電磁關系的轉速／位置估算方法。該方法是利用永磁同步電動機的電壓方程和磁鏈方程，經過推導得到轉子位置角和轉速表達式；或者通位置)，再估計轉速和轉子位置。其優點是計算量小、簡單、易于實現，但在低速情況下估計精度下降，而且此法對電動機的參數依賴較大。當由于溫度變、磁飽和效應等導致電動機參數發生變化時調速精度也隨之下降，魯棒性差，例如反電勢在低速情況下很小,難于檢測,轉子磁鏈對定子陰抗變化很敏感.因此,應用這兩種方法時****結合電機參數在線辨識.為了解決低速時估算不準的問題,一些學者提出了各種改進方法。如：Shin Nakashima等人提出了一種基于定子鐵心受轉子磁極影響的非線性磁化特性估計轉子位置的方法，Toshihiko Noguchi等人采用了諧波功率的相位信息檢測轉子位置的方法，Alfio Consoli等人提出了高頻注入法等。
(b)基于各種觀測器的估算方法。觀測器的實質是狀態重構，其原理是重新構造一個系統，利用原桑締中可盲捧測量的蠻量．如輸出量和輸入量作為它的輸入信號，并使其輸出信號在一定的條件下等價于原系統的狀態，我們稱這個用以實現狀態重構的系統為觀測器。這種方法具有穩定性好、魯棒性強、適用面廣的特點，但是由于它的算法比較復雜，計算量較大，受到計算機或微處理器計算速度的限制。近年來，隨著微型計算機技術的發展，出現了高性能的微處理芯片和DSP，大大地推動了這一方法在無傳感器控制系統中的的應用。常用的有自適應觀測器、變結構觀測器、卡爾曼濾波器等。1989年，C.schauder發表了采用自適應觀測器方法來估計異步電機的速度和位置的研究成果，奠定了自適應觀方法在異步電動機的無速度傳感器矢量控制系統中應用的基礎。Y00n seokHan等人提出了一種模觀測器，估計定子阻抗并實現無速度／位置傳感輔的永磁同步電動機控制。滑模運動與控制對象的參
數變化以及擾動無關，因此具有很好的魯棒性，但是滑模變結構控制在本質上是不連續的開關控制，因此會引起系統發生抖動，這對于矢量控制在低速下運行是有害的，將會引起比較大的轉矩脈動。去抖的同時仍然保證系統的魯棒性將是這種控制迫切要解決的問題。卡爾曼濾波器是由美國學者（R.E.Kalman)在20世紀60年代初提出的一種****線性估計算法，其算法采用遞推形式，適合在數字計算胡上實現。Bolognis等人提出了擴展卡爾曼濾波器，他采用直接選擇協方差矩陣來改進了傳統的試錯法，主要特征是將歸一化的受控系統模型和EKF算法結合起來，這樣做的好處是得到了一個歸一化的協方差矩陣，避免了傳統試錯法的缺點。推廣卡爾曼濾波器的算法復雜，需要矩陣求逆運算，計算量相當大，為滿足實時控制的要求，需要用高速、高精度的數字信號處理器，這使無機械傳感器調速系統的硬件成本提高；另一方面，推廣卡爾曼濾波器要用到許多隨機誤差的統計參數，由于模型復雜，涉及因較多，使得分析這些參數的工作比較困難，需要通過大量調試才能確定合適的隨機參數。
(c)人工智能理論基礎上的估算方法。進入20世紀90年代，電機傳動上的控制方案逐步走向多元化。智能控制思想開始在傳動領域顯露端倪，專家系統、模糊控制、自適應控制、人工神經元網絡紛紛應用于電機的位置、速度辨識和控制方案。相信在不遠的將來，隨著智能控制理論與應用的日益成熟，會給交流傳動領域帶來革命性的變化。
4主電路與驅動技術
先進的控制策略需要通過功率變換器才能實現對永磁同步電動機的****控制。電力電子技術的飛速發展促進了永磁同步電動機功率變換器的更新換代，在經歷了GTR、P0wer MOsFET、IGBT構成的主電路之后，目前大多數永磁交流伺服系統采用了智能化IGBT模塊IPM構成的主電路拓撲。IPM將主電路、驅動電路、保護電路、故障報警電路等集成在
一個模塊中，大大簡化了交流伺服系統功率變換設計與制造的難度，并提高了系統工作的可靠性。一種內含電壓自舉電路的IPM模塊(如美國仙童公司的FsAM系列IPM)將傳統三相驅動電路所需的4路隔離電源簡化為只需要一組電源，進一步簡化了系統電路設計，減小了系統體積，并可省略控制電路與主電路之間的光電耦合器件，從而可以減少光耦存在造成的三相驅動電路上下橋臂死區誤差，進一提高驅動性能。PwM技術是開關型功率變換器的重要技術支撐，目前伺服系統中主要采用正弦PwM(sPwM)、優化PwM以及空間狀態矢量PwM
技術等。正弦PwM技術成熟，使用****泛，但其電壓利用率不高；而狀態空間矢量PwM電壓利用率高，開關損耗小，已逐步推廣應用到交流伺服系統中；優化PwM可根據需要消除任何高次諧波，輸出波形****化，并可減少功率變換器開關損耗，但計算工作量大，需要高速cPu的支持才能實現，是今后的一個重要發展方向。PwM逆變器的開關死區是造成交流伺服系統性能下降(低頻力矩減少、轉矩脈動和噪聲增加、發熱加重等)的一個關鍵因素，補償開關死區效應是目前和今后的研究熱點之一。
小功率超精密交流伺服系統(如航天衛星上的某些隨動系統)重新激發了人們對線性功率放大器的應用與研究熱情。目前線性功率放大器可以集成在運算放大器內并有優良的性能(如美國APEx公司的線性功率放大器等)，三相永磁交流伺服系統線性功率放大器有正負雙電源供電方式和單電源供電方式兩大類。前一種供電方式的優點是各相驅動信號獨立、控制簡單，可通過連接到公共點的三相取樣電阻直接獲得三相電流取樣值，但電機引線多(三相需6根引線)、電源復雜；后一種供電方案僅需一組電源，電機引線少，但控制信號相互關聯，控制較復雜，各相電流取樣無公共點，需通過線性隔離電路將三相電流反饋信息傳遞給控制電路。線性功率放大器輸出的電流波形失真率可減少到百分之O．1以內，為低脈動轉矩的永磁伺服驅動系統奠定了基礎。
5串行通訊與網絡化技術
傳統的交流伺服系統單元與上位控制單元的接口主要采用模擬信息接口(如0～+／一10 V，4～20mA標準等)和脈沖串信息接口(包含位置、速度及方向信息)，其缺陷是傳遞信息量少，無法滿足日益發展的工廠自動化控制需求。串行通訊與總線控制方式是解決上述不足的有效平臺。
1987年德國機床協會和電力電子協會聯合提出了串行通訊國際標準，即sERcOs(seri al Re -time commun ation system)接口作為高性能運動控制系統閉環數據串行實時通訊接口，1994年sER—cOs已成為控制器與數字伺服系統接口的國際標準并作為IEc61491標準獲得通過。因此具有開放性，迄今成員已增加到70多個公司，其有效數據傳輸率已達到1 Mbit/s，目前已能滿足2 ms內實現一臺控制器與多達32個伺服單元的數據通訊，為伺服網絡化鋪就了一條寬闊大道。
國內生產的交流伺服系統尚未含標準化串行通訊軟件，制約了國產化交流伺服系統的推廣應用。
6結語
永磁交流伺服系統發展日新月異，但目前尚缺乏國產化高端產品。新材料、新器件、新技術不斷涌現，高、精、尖伺服系統的需求日益擴大，為我國高端永磁交流伺服系統產品化提供了發展空間，只要我們抓住機遇，不懈努力，可以預見在不久的將來，國產化高端永磁交流伺服系統產品必將在高性能要求的伺服驅動領域(精密數控機床、特殊加工機械、航天航空設備等)和中、大功率伺服驅動領域中占有重要的一席之地。 |
