交流伺服驅動技術及其發展趨勢
陳陽生1，楊浩東1，陶志鵬2
(1．浙江大學，浙江杭州310027；2.杭州英邁克電子有限公司，浙江杭州310027)
0引言
近年來隨著永磁材料、功率半導體、微處理器以及計算機技術的進步，永磁交流伺服電機和交流伺服驅動器得到了飛速的發展，從最初的實驗室研究到現在已經廣泛的應用到社會生活的各個領域。由于伺服驅動系統比其它驅動系統具有一系列獨特的優點，如功率密度高、動態響應快、低速力矩大、調速范圍寬、精度高、可靠性好、效率高等，在高精度數控加工設備、紡織機械等領域得到了廣泛應用，基本取代了傳統的直流伺服和步進驅動等傳統驅動設備。在現代數控裝備中，交流伺服驅動系統是裝備中的最終執行部件，裝備的高精度機械運動和操作也是由交流伺服電機及其驅動系統來完成，其性能的好壞直接決定了整套裝備的性能，是現代數控裝備中的核心部件之一。
交流伺服系統是一個典型的機電一體化產品，由伺服電機本體和伺服驅動器兩部分組成。伺服電機目前一般都采用稀土永磁材料勵磁，由于永磁材料磁性能的不斷提高，伺服電機向著高功率密度、高效率和高精度方向發展；伺服驅動器不斷向著高集成度、智能化和網絡化的方向發展。
國內在伺服系統方面的研究工作起步較晚，總體的開發和研究水平還相對較低，國內伺服驅動產品以中低端為主，高檔伺服驅動產品基本仍是空白，整體的技術水平不高，在系統的自適應性、可靠性等方面和國外產品有明顯的差距。我國在伺服驅動方面的嚴重不足和落后，已經嚴重地抑制了我國數控機床的技術進步和產品性能的提升，也成為了我國發展各類高檔數控機床的重要技術瓶頸之一。2009年國家啟動的“高檔數控系統”專項，也將伺服驅動系統作為關鍵技術進行攻關研究。
1永磁交流伺服電機技術
水磁交流伺服電機，簡稱伺服電機，是一種永磁同步電機，一般由機殼、定子、轉子和位置反饋裝置(如光電編碼器)等組成，如圖1所示。定子由沖片和繞組組成，和異步電機相似，但交流伺服電機的極數和定轉子齒槽配合與普通三相異步有較大差別，一般極數較
高。伺服電機轉子是永磁轉子，一般采用稀土永磁材料，如釹鐵硼、釤鈷等。
伺服電機的性能將直接影響伺服系統，乃至整套設備的性能。為了減小伺服電機體積和重量，提高系統出圖l伺服電機組成力和加速性能，高功率密度的交流伺服電機的設計和制造技術是伺服系統的主要研究和發展方向。伺服電機作為一種永磁電機，經過多年的發展
和改進，其設計和制造技術已經相對成熟。為了進一步提高伺服電機的各種性能，同時減小電機的成本，需要從電磁和機械設計、定子和轉子的設計制造技術、電機損耗和散熱技術等多方而入手，采取多種技術手段，來進一步提高伺服電機的功率密度和整體性能。
1.1電機設計技術
高性能伺服電機的設計和制造技術，是伺服驅動技術的關鍵之一。目前國內般都采用傳統的磁路分析法來沒計伺服電機。對于高性能的交流伺服電機，由于其要求高，而磁場分布、發熱、受力等情況又較為復雜，如采tHj傳統的磁路的方法來設計，一般誤差很大，很難發計出滿足性能指標要求的電機，也不能對電機的齒槽力矩、力矩波動、電感變化、磁路飽和等做很細致精確的分析。
目前比較先進的設計方法是以二維有限元為主，結合三維有限元，對電機的整體、局部進行優化設計，對電機各部分電磁負荷、損耗、出力、主漏磁通、損耗等進行詳細分析，保證電機各項性能參數都可以達到期望值。由于整體采用了有限元法，可使得設計精度得到保證。圖2是經有限元優化設計后的電機磁通密度分布圖，其磁通密度以顏色表示，綠色表示沒有磁場分布，而黃色表示該處的磁通密度超過了1 8T，鐵心開始飽和。
交流伺服電機與伺服控制器的匹配好壞，將直接影響到系統的精度和性能。因此，從系統的角度研究電機和驅動器的優化技術，可以****限度的優化系統成本，同時提高系統性能，如在電機弱磁控制方面，只有電機本體有很好的弱磁性能,并且控制器具有弱磁控制的功能，才能實現系統的****弱磁控制。
在大功率伺服電機和高速伺服電機中，隨著轉子外徑和轉速的提高，磁鋼所受到的離心力迅速提高，如何在兼顧電機電磁性能的情況下，設計出堅固的轉子，防止磁鋼飛出，則是電機設計的另一個難題。對。r這一類的電機的設計，需要進行機械有限元分析，以對電機內部的應力和機械強度進行校核。當前市場上用于設計和優化電機結構和性能的商業有限元軟件不斷成熟，這些軟件町以對電機的電磁性能、機械性能進行多物理場耦合計算和仿真，這使得設計更高功率密度的伺服電機成為可能。
1．2定子技術
伺服電機的定了結構大致與普通異步電機相同，但在定子繞組的設計E則有很大的不同。在大功率伺服電機中，定子繞組結構的設計，尤其是齒槽配合，必須考慮到電機的出力，電機的齒槽力矩和力矩波動等。
在傳統的伺服電機設計中，一般采用的是整距分布繞組，如18槽6極，24槽4極等，這種繞組的普遍特征是繞組的繞組系數較高，有效鐵心長度較短。同時，由于每槽的槽數較多，一般電機的噪音和振動較小。但是，這種繞組的端部較長，如l割3a所示，尤其是常用的4極和6極電機的端部較長，從向使得短鐵心電機的效率一般不高。
在近年開發的伺服電機中，越來越多的是采用分數槽、集中繞組。這種繞組，如得到廣泛的應用的12槽8極、9槽6極等齒槽配合的電機，由于繞組的繞組系數略低，有效鐵心長度可能會略長，但是這種繞組的端部整齊短小，電機總長度大大縮短，由于繞組的電阻減小，電機效率可能會略高一點。但是需要注意的是，雖然采用分數槽后，電機的齒槽力矩下降了，但是對于某些齒槽配合，其噪音和振動可能會更大。
采用集中分數槽繞組后，電機定子可以采用新型的單齒拼裝式的結構，各齒單獨繞制線圈，然后裝配成一體(圖3b)。由于采用了集中繞組，繞組可以通過電腦編程的精密繞線機定位排線繞制，繞組端部更加短小整齊，從而使得電機總長度進一步縮短。由于繞組是單齒直接繞制，并非傳統的從槽口下線方式，因而允許電機槽口尺寸很小，使得電機的齒槽力矩大大減小。更重要的是，采取這種結構以后，繞組實際槽滿率將提高百分之30左右，考慮到繞組端部損耗等，相應的電機銅線損耗將下降百分之40左右，從而使得電機體積小而效率高。和單齒拼裝方法類似的還有平攤繞制的方法(圖3c)，在平攤的電機沖片上繞制線圈，然后卷成圓形。相比單個齒拼裝方法，平攤繞制的方法生產效率更高，能達到的****槽滿率略低但很接近。
1 3轉子技術
伺服電機的設計關鍵和變化都表現在轉子結構和類型上，不同轉子結構的伺服電機表現出不同的電磁性能，以及不同的應用場合。
傳統的伺服電機轉子采用表貝占式磁鋼(如圖4a所示)，磁鋼使用膠水粘接后還需要進行綁扎
和加固，加工工藝復雜。同時，磁鋼用線切割加工而成，而且是粘貼在轉子外表面，線切割的分散性，轉子外表面的平整性，膠水厚度等都會影響到氣隙磁場波形的一致性。
近年來各種內嵌式轉子結構得到迅速的發展和應用。圖4b-4f給出5種常用的內嵌式轉子結構，其中徑向內嵌、u形和v形最為常用。內嵌式的轉子結構將方塊形的磁鋼塊直接插入到轉子沖片內部。采用內嵌式永磁轉子后，使得電機d軸和q軸磁路出現不對稱，從而產生附加的磁阻力矩，使得電機效率和出力都得到了進一步的提升。從電機的磁路來看，磁鋼得到了更好的磁保護，使得磁鋼的抗退磁性能大大提高，這也為使用磁能積更高的稀土磁鋼成為可能，從而有效地提高電機效率，減小電機體積，提高電機的功率密度。經過合理的機械強度設計，內嵌式轉子結構堅固可靠，無需額外的綁扎和加固措施，更適合電機的高速運行，而加工工藝相對簡單。
此外，內嵌式轉子電機由于d軸電感變大，電機的弱磁性能也遠優于采用普通瓦形磁鋼或者環形磁鋼的電機，非常適合高速弱磁運行。因而，采用內嵌式結構后，電機效率高、體積小、功率密度高、結構堅固并且適合高速運行，目前內嵌轉子結構已經在各種牽引電機以及其它要求弱磁的場合得到了廣泛的應用。
但是，傳統設計的內嵌式轉子伺服電機也存在一些問題，例如電機內部局部飽和嚴重，設計難度大；齒槽力矩和負載力矩波動大；電機的****力矩受到了磁場飽和的限制，使得峰值力矩可能不如表貼式伺服電機；由于采用內嵌式轉子結構，電機電感變大，電機功率因素略有下降。但是，通過合理和充分的系統設計和優化，這些問題都可以得到很好的解決，當然，對電機設計和分析技術也提出了很高的要求。圖4b～4f中所示的轉子結構，各有特點和適用的場合。
1．4電機損耗分析和散熱技術
為了在有限的空間內，達到提高功率密度和力矩密度，必須分析電機的損耗和發熱，采用有效的電機的冷卻和散熱技術。在伺服電機中，大部分的發熱都在定子側，即繞組銅耗和定子鐵耗。一般而言，低速運行時，電機主要損耗是銅耗，尤其在電機峰值力矩時，如果峰值力矩是額定力矩的3倍，此日寸銅耗是額定時的9倍，因而必須考慮繞組在允許溫升下能夠承受的最長時間。在伺服電機高速運行時，即使是空載運行，鐵耗也可能相當大，同時，研究表明，伺服電機在空載和負載條件下的鐵耗變化不大。通過研究和分析電機的各種損耗和散熱途徑，可以提高電機的出力或者降低繞組的溫升。
在普通的伺服電機中，由于轉子永磁體磁場基本恒定，定子電樞反應磁場和轉子同步，因而轉子側的損耗和發熱問題遠沒有定子嚴重。但是，在高速伺服電機、大功率伺服電機中，設計的技術難度基本上都與轉子的設計技術和手段有關，轉子的損耗和發熱也成為了限制電機出力的最主要因索。當轉子高速運行時，不僅轉子鐵心由于磁通的變化會產生一定的鐵耗，磁鋼也會由于磁通的變化產生一定的損耗，這些磁通的變化幅度不大，但頻率較高，轉子損耗將隨著電機轉速的提高，或者電機功率的提高而迅速變大。轉子損耗的總量不大，遠低于定子損耗，但是由于高速旋轉的轉子沒有良好的散熱途徑和通道，轉子過熱和磁鋼失磁保護便成了高速和大功率伺服電機的技術難點。
針對高速電機和大功率永磁電機的設計，浙江大學專門開發了基于電磁有限元的鐵耗和磁鋼損耗的分析技術，以及基于機械有限元的轉子機械強度分析技術和相關軟件，并且已經發表專題學術論文數篇。
2伺服驅動器技術
交流伺服電機不能直接連接在電網上使用，必須由伺服控制器驅動電機運行。伺服驅動器是交流伺服系統的關鍵部件，其涉及技術復雜、部件多，是伺服系統的關鍵技術。伺服控制器主要由三部分組成，分別是功率驅動電路，控制電路和基于DSP的控制策略。功率驅動電路采用三相橋結構，控制電路根據轉子的實時位置和電機的實時電流反饋，發出PWM信號，控制大功率驅動電路的導通和關斷，實現對電機電壓、電流的實時控制。圖5是驅動器的基本硬件構成。
2.1驅動器硬件
伺服驅動器的硬件部分包括功率逆變電路、控制電路、位置檢測電路、開關電源等部分，其中最關鍵的功率逆變電路和控制電路。隨著功率電子技術的發展，尤其是IPM功率模塊的出現，大大提高了伺服驅動器的可靠性，目前中小功率的伺服驅動器都普遍采用了IPM模塊來實現逆變，驅動器結構簡單，可靠性高。目前各大功率模塊制造廠商都推出了針對伺服驅動的IPM模塊或者IGBT模塊，如三菱、富士、西門康和英飛凌等公司，其中往三菱在小功率IPM模塊具有一定優勢，而英飛凌則在大功率IGBT模塊方面具有優勢。
控制電路是驅動裝置的控制核心， 般由DSP+CPLD(或FPGA)及其外圍電路組成。整套伺服系統以DSP，或者微處理器為核心，如圖5所示。I)SF完成鍵盤掃描、顯示、通信、電流／速度／位置控制、PWM波輸出以及電機控制核心算法等的處理。CPLD(或卜PGA)則配合DSP，實現可編程I／O、I/0的點數擴展以及高頻脈沖信號的處理等工作。
目前適合伺服驅動器使用的DSP或者微處理器種類較多，主要有美國TI公司TMS3202000系列的DSF，美國Freescale公司的MC56和MPC55等DSP、日本瑞薩單片機、美國英飛凌的c16x和Tricore系列DSP、美國AD公司的ADsP21XX系列DSP等。國內普遍采用是美國TI公司TMS320 2000系列的DSP。在一些低端的伺服驅動器或者早期的伺服驅動器中，一般采用的是以TI 240和2407DSP，為代表16位整數DSP，主頻從20MHz到6MHz不等，內部集成10位ADc電路和PWM產生電路，這類DSP已經可以基本滿足伺服驅動器的要求，但是這類DSP對c／c++語言的支持一般不是很好，如果追求驅動器的性能，那么還是需要采用匯編語言編程，使得軟件的可讀性和可維護}生大大降低。近幾年開發的伺服驅動器和中高檔伺服驅動器，一般采用以TI 2812DSP為代表32位整數DSP,主頻從100MHz到150MHz不等，內部集成12位ADC電路和多路PWM產生電路，這類DSP已經可以很好的滿足伺服驅動器的要求，并且可以采用c／c++語言編程。目前，DSP的生產廠家已經開始提供32位浮點DSF，如TI 2833x系列DSP，這使得DSP的計算能力有了大幅度的提高，為高性能控制策略的實現提供了很好的硬件基礎。
高性能、高可靠性和高集成度是高性能伺服控制器的設計特點。目前普遍采用的設計方案是首先簡化硬件電路設計，充分利用DSP軟硬結合的電路特點和DSP+cPLD的數字電路框架，采取多重保護措施，避免元器件工作在過丁I惡劣的條件下，提高單個元器件的可靠性。
在大功率電路中會出現許多中小功率電路不會出現的問題。在高電壓、大電流的大功率驅動器中，各種分布參數引起的雜散損耗、雜散電容和雜散電感等，都會對驅動器產生不利的因素。
如何在驅動器結構設計和電路設計上保證大功率的能量高效可靠傳輸，是驅動器的設計關鍵，這也是目前大功率伺服控制器難度所在。同時，在設計一t如何提高系統的可靠性、延長驅動器和電機的使用壽命是產業化是臺成功的關鍵。
由于伺服驅動器I巾涉及高壓大電流開關管的高速開通和關斷，因而這類驅動器往往是機器設備中的電磁污染源。同時由于伺服驅動器在設備中與各種電路板、控制卡、傳感器的安裝距離近，相互之問的干擾會更加敏感。因而，伺服控制器和伺服電機的EMC抑制技術、濾波技術也是伺服驅動技術的研究關鍵。
2.2控制策略
伺服驅動器的控制策略是伺服驅動技術當中研究最多的一個方面，控制算法的好壞，直接關系到控制系統的性能優劣。國內外學者對伺服電機的控制算法進行了大量的研究，一些已經成功應用于驅動器當中，取得了很好的控制效果。
矢量控制算法是目前在伺服驅動器當中應用最多最為成熟的一種基本控制算法，該算法以轉予旋轉磁場為參考坐標系，將定子電流分解為直軸和交軸兩個分量，直軸分量能夠調節電機勵磁，而交軸分量正比于電機電磁轉矩，這樣就實現了電機電磁轉矩的解耦控制，從而可以取得像控制直流電機一樣的控制效果，圖6是伺服系統基本控制框圖。
相對矢量控制，還有一種常用的控制方法是直接轉矩控制。直接轉機控制算法不需要進行矢量控制算法的復雜的旋轉坐標變換，結合PWM算法，直接通過對交流電機的定子磁通和轉矩進行閉環控制，控制算法r分簡潔，在異步電機的控制中得到了應用。伺服電機的直接轉矩控制雖然目前研究較多，但在產品上的應用的還基本沒有，主要是因為雖然直接轉矩的力矩動態調整性能優異，但穩態性能和低速性能較差，仍然需要進步的研究。
交流伺服系統的性能指標可以從調速范同、定位精度、穩速精度、動態響應和運行穩定性等方面來衡量。動態響應，通常衡量的指標是系統****響應頻率，即給定****頻率的正弦速度指令，系統輸出速度波形的相位滯后不超過90。或者幅值不小于百分之50。動態響應作為交流伺服系統的重要性能指標之一，它對縮短數控系統的插補周期和提高伺服系統的的動態精度有重要意義。目前國內的普遍為200 Hz，和國外的500～600 Hz存在著一定的差距。
當前伺服系統普遍都采用基于矢昔控制的電流環、速度環和位置環的控制結構，其中調節器采用傳統的PI控制算法，但在負載突變或者調速范圍較大的情況下，傳統的PI控制很難得到滿意的控制效果。因此，一些學者提出了采用現代控制算法的調節器，如模糊控制器、自適應控制器、神經網絡控制器等，模糊控制器是利片j模糊集合來描述人們日常所使用的概念中的模糊性，模仿熟練操作人員或專家的控制經驗和力法，該算法增加了調節器的魯棒性：神經網絡控制可以用于電機參數的在線辨識、跟蹤，可以對控制器參數進行自適應調整；自適應控制可以在系統運行過程中不斷提取模型的相關信息，讓控制算法跟隨這些信息不斷調整，能夠克服參數變化對控制器的影響。
2.3現場總線接口技術
現場總線技術是伺服驅動裝置實現高速、高精控制的必要條件。傳統的數控系統(CNC)輸出給伺服裝置的指令形式為模擬電壓速度指令或脈沖位置指令，這兩種信號傳輸方式存在信號抗干擾能力差、帶寬低、信號信息量有限、硬件復雜、可擴展性差等諸多問題，成為制約數控系統和伺服驅動性能提升的瓶頸。現場總線技術很好地解決了傳統數控系統模擬電壓或脈沖信號傳輸方式存在的抗干擾能力差、信號信息量有限、可擴展性差等問題，冠著地提升了數控系統和伺服驅動的技術水平和性能指標。
伺服控制器作為系統當中的一個元件，其通信功能以及現場總線的支持能力受到技術人員的重視，目前各大公司的伺服驅動器都內置或者通過外置卡支持多種總線通信協議，目前常用的有Profibus-DP、CAN、EtherCAT、SERCOS等。
PROHBus協議結構是根據ISO7498國際準，以開放式系統互聯網絡(Open System
Interconnection-SIo)作為參考模型，是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準，廣泛適用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通、電力等其他領域自動化。
PROFIBus的協議實現可通過PROFIBUS的專用協議芯片與微處理器的結合來完成。
PROHBus-DP是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統與分散式I/O的通信，采用RS-485雙絞線、雙線電纜或光纜，****通信速率達到12Mbps。
CAN(controller Area Netwrork)總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種串行數據通信協議，由于其****性能現已廣泛應用于工業自動化、多種控制設備、交通工具、醫療儀器以及建筑、環境控制等眾多部門。CAN是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光纜，通信速率為1MBPS。CAN協議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。CAN****的特性、極高的可靠性和獨特的設計，特別適合工業過程監控設備的瓦連，因此，越來越受到工業界的重視，并已公認為最有前途的現場總線之一。
EtherCAT是由德國BECKHOFF提出的種實時工業以太網，基于標準的以太網技術，具有系統配置簡單、高速、全雙工、高數據有效率等特點，最人通信速率達到2×100Mbps。
EtherCAT技術突破了其他以太網解決方案的系統限制，可能成為工業控制網絡和現場總線的主流技術。EtherCAT可以為現有的現場總線提供簡單的接u，該特性使得用戶和設備制造商可以輕松完成從現有的現場總線到ElherCAT技術的轉換過程，可以實現CANOpen和SERCOS等協議。
2 4位置反饋接口技術
對于高性能伺服控制系統，位置反饋信號的質量和精度直接影響系統的精度和響應，是實現伺服系統高速、高精度控制的必要條件。
目前，伺服系統中使用的普通位置傳感器，一般采用RS422接口，如2500線增量式光學編碼器，只能用于一些精度要求不高，同時工作環境比較好的場合。對于工作環境惡劣，或者轉速比較高的場合，則需要采用旋轉變壓器，但成本較高。使用旋轉變壓器后，位置反饋的精度一方面取決于旋轉變壓器本身，一般在7～22度分左右，另一方面是取決去RDC芯片的精度，常用的是12位(等價于1024線編碼器分辨率)，高檔的也有16位的，但一般價格很高。
對于精度要求很高的高檔伺服系統，必須采用高線數的編碼器，如17～22bit高分辨率的****式編碼器，其單圈分辨率>13萬線，可以使伺服系統的定位精度和低速的穩速精度大大提高。這類嘉分辨率的編碼器一般內部采用數字信號和模擬信號相結合的處理方法，每圈產生1024個sin和cos的模擬信號，對sin和cos的插補處理后，可以產生很高的分辨率，但是由于模擬電路和ADC電路的誤差，實際精度會低于其輸出的****分辨率。
****值編碼器的接口種類較多，但主要分為二大類，一類純數字串行接口，如Biss和SSI；還有一類既有數字串行接口又有sin和cos的模擬信號，如Hiperface和Endat，用戶需要自行處理模擬信號的插補處理，因而編碼器的成本相對較低，但接口電路復雜。采用高分辨率的****式編碼器接口技術以及高效的通信協議，可以顯著地提升了伺服系統的技術水平和精度。
2．5弱磁調速技術
對交流伺服電機進行弱磁控制，可以擴大電機的調速范圍，充分利用驅動器和電機的功率容量。一般而言，伺服電機的****轉速受到電網電壓的限制，電機的反電勢不能大于電網電壓，因為轉子的磁鋼磁通是恒定的，電機的轉速就受到了限制。如果在控制過程中，人為地產生去磁磁通，即調節萬電流，使繞組總磁通降低，則可在額定電壓下提高電機轉速，并可在低電壓時，維持較高的轉速，這就是弱磁控制。弱磁控制的原理上講是很簡單的，實際上要實現比較理想的弱磁功能是高性能交流伺服電機控制器的一大難點。這是因為，在弱磁調速過程中，首先要需要充分利用電網電壓，去磁電流要合適，過大的去磁電流會使得系統效率大幅度下降，而過小這可能使電機出力大幅下降，不能達到期望的轉速。圖7是實現弱磁控制時，****Id、Iq電流隨速度變化的調節曲線。
在高速主軸應用中，采取弱磁控制策略和相應的電機設計優化，電機****力矩和最
高轉速可以同時得到提高，驅動器功率等級則可維持不變，從而使得系統的體積更小、
重量更輕。在同步主軸電機中，弱磁控制技術是其最關鍵的技術。
3結語
伺服驅動系統以其優越的性能正不斷受到人們的青睞，在工業領域被大量應用。隨著DSP技術和功率電子器件性能的進一步提高，以及新型智能控制技術的不斷涌現，伺服驅動系統性能還將進一步提升。目前高檔的伺服系統市場，國外產品仍處于****地位，但近幾年來國內一些廠家也相繼研發出一系列中小功率伺服系統，并成功應用于各個領域，基本打破了國外產品一統天下的局面，但國內產品在伺服系統的自適應性、系統的可靠性等方面和國外產品還有明顯的差距。 |
