【摘要】文章從交流伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)入手，簡單介紹各單元的基本功能，并對永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)（PMSM）和無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)(BLDCM)進(jìn)行了分析比較，最后介紹了永磁同步伺服系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。
【關(guān)鍵詞】伺服系統(tǒng)；永磁同步電機；直流無刷電機
一、概述
從70年代后期到80年代初期，隨著微處理技術(shù)，大功率高性能半導(dǎo)體功率器件技術(shù)和電機永磁材料制造工藝的發(fā)展，其性能價格比的日益提高，交流伺服技術(shù)－交流伺服電機和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導(dǎo)產(chǎn)品。目前，高性能的伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電機，永磁同步電機交流伺服系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于完全成熟，具備了十分優(yōu)良的低速性能并可實現(xiàn)弱磁高速控制，能快速、準(zhǔn)確定位的控制驅(qū)動器組成的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。并且隨著永磁材料性能的大幅度提高和價格的降低，特別是釹鐵硼永磁的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低以及電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展，加上永磁電機研究開發(fā)經(jīng)驗的逐步成熟，經(jīng)大力推廣和應(yīng)用已有研究成果，其在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的領(lǐng)域也越來越廣泛，正向大功率化（高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩）、高功能化和微型化方面發(fā)展。
二、永磁同步電機伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
永磁同步電機伺服系統(tǒng)除電機外，系統(tǒng)主要包括驅(qū)動單元、位置控制系統(tǒng)、速度控制器、轉(zhuǎn)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。
1．永磁式交流同步伺服電機。永磁同步電機永磁式同步電機具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高的特點。和直流電機相比，它沒有直流電機的換向器和電刷等需要更多維護(hù)給應(yīng)用帶來不便的缺點。相對異步電動機而言則比較簡單，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測、控制性能好，但存在最大轉(zhuǎn)矩受永磁體去磁約束，抗震能力差，高轉(zhuǎn)速受限制，功率較小，成本高和起動困難等缺點。與普通同步電動機相比，它省去了勵磁裝置，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了效率。永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制，因此永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。
2．驅(qū)動單元。驅(qū)動單元采用三相全橋自控整流，三相正弦PWM電壓型逆變器變頻的AC-DC-AC結(jié)構(gòu)。設(shè)有軟啟動電路和能耗泄放電路可避免上電時出現(xiàn)過大的瞬時電流以及電機制動時產(chǎn)生很高的泵升電壓。逆變部分采用集驅(qū)動電路，保護(hù)電路和功率開關(guān)于一體的智能功率模塊(IPM)。
3．控制單元?？刂茊卧钦麄€交流伺服系統(tǒng)的核心, 實現(xiàn)系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制器。具有快速的數(shù)據(jù)處理能力的數(shù)字信號處理器(DSP)被廣泛應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng)，集成了豐富的用于電機控制的專用集成電路，如A/D轉(zhuǎn)換器、PWM發(fā)生器、定時計數(shù)器電路、異步通訊電路、CAN總線收發(fā)器以及高速的可編程靜態(tài)RAM和大容量的程序存儲器等。
4．位置控制系統(tǒng)。對于不同的信號，位置控制系統(tǒng)所表現(xiàn)出的特性是不同的。典型的輸入信號有三種形式:位置輸入（位置階躍輸入）、速度輸入（斜坡輸入）以及加速度輸入（拋物線輸入）。位置傳感器一般采用高分辨率的旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器、磁編碼器等元件。旋轉(zhuǎn)變壓器輸出兩相正交波形，能輸出轉(zhuǎn)子的絕對位置，但其解碼電路復(fù)雜，價格昂貴。磁編碼器是實現(xiàn)數(shù)字反饋控制性價比較高的器件，還可以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。
5．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(nèi)部及對外的I/O接口電路中，有許多數(shù)字信號需要隔離。這些數(shù)字信號代表的信息不同，更新速度也不同。
三、對當(dāng)前兩種不同的永磁同步電機伺服系統(tǒng)的分析
由于轉(zhuǎn)子磁鋼的幾何形狀不同，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，在定子上產(chǎn)生的反電動勢波形就有兩種：一種為正弦波；另一種為梯形波。這樣就造成同步電動機在原理、模型及控制方法上有所不同，為了區(qū)別由它們組成的永磁同步電動機交流調(diào)速系統(tǒng)，習(xí)慣上又把正弦波永磁同步電動機組成的調(diào)速系統(tǒng)稱為正弦型永磁同步電動機（PMSM）調(diào)速系統(tǒng)；而由梯形波（方波）永磁同步電動機組成的調(diào)速系統(tǒng)，在原理和控制方法上與直流電動機系統(tǒng)類似，故稱這種系統(tǒng)為無刷直流電動機（BLDCM）調(diào)速系統(tǒng)。
PMSM不需要勵磁電流，在逆變器供電的情況下不需要阻尼繞組，效率和功率因素都比較高，體積也較同容量的異步機小。PMSM通常采用矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩兩種控制方式。矢量控制借助與坐標(biāo)變換，將實際的三相電流變換成等效的力矩電流分量和勵磁電流分量，以實現(xiàn)電機的解耦控制，控制概念明確；而直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)采用定子磁場定向，借助于離散的兩點是調(diào)節(jié)，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能，其控制簡單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速。PMSM的矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動態(tài)性能、大范圍的速度和位置控制，但是它的傳感器則給調(diào)速系統(tǒng)帶來了諸如成本較高、抗干擾性和可靠性不強、電動機的軸向尺寸較長等缺陷。另外，PMSM轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，則電動機的運行特性、控制系統(tǒng)等也不同。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置的不同，永磁同步電動機主要可分為：表面式和內(nèi)置式。在表面式永磁同步電動機中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面上，這種電機的重要特點是直、交軸的主電感相等；而內(nèi)置式永磁同步電機的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，可以保護(hù)永磁體。這種永磁電機的重要特點是直、交軸的主電感不相等?！LDCM組成的伺服系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)速平滑，響應(yīng)快，易于控制等特點，但若按照常規(guī)的控制方法，其轉(zhuǎn)速直接與電壓相關(guān)，易受電源波動和負(fù)載波動的影響。BLDCM類似于PMSM轉(zhuǎn)子上也有永磁磁極，定子電樞需要交變電流以產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，其主要區(qū)別是前者的反電勢為梯形波，而后者的反電勢為正弦波。但由于電磁慣性，BLDCM的定子電流實際上為梯形波，而無法產(chǎn)生方波電流，并由集中繞組供電，所以BLDCM較PMSM脈動力矩大。在高精度伺服驅(qū)動中，PMSM有較大競爭力。另一方面，PMSM單位電流產(chǎn)生的力矩較BLDCM單位電流產(chǎn)生的力矩小。在驅(qū)動同容量的電動機時，PMSM所需逆變器容量大并且需要控制電流為正弦波，開關(guān)損耗也大很多。
PMSM的交軸電抗和直軸電抗隨電機磁路飽和等因素而變化，從而影響輸出力矩的磁阻力矩分量。PMSM對參數(shù)的變化較BLDCM敏感，但當(dāng)PMSM工作于電流控制方式時，磁阻轉(zhuǎn)矩很小，其矢量控制系統(tǒng)對參數(shù)變化的敏感性與BLDCM基本相同。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速較高，無刷直流電機反電勢與直流母線電壓相同時，反電勢限制了定子電流。而永磁同步電機能夠采用弱磁控制，因此具有較大的調(diào)速范圍。
四、永磁同步電機伺服系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
早期對永磁同步電機的研究主要為固定頻率供電的永磁同步電機運行特性的研究，特別是穩(wěn)態(tài)特性和直接起動性能的研究。ger和等人對永磁同步電機的直接起動方面做了大量的研究工作。在上個世紀(jì)八十年代國外開始對逆變器供電的永磁同步電機進(jìn)行了深入的研究，其供電的永磁同步電機與直接起動的永磁同步電機的結(jié)構(gòu)基本相同，但多數(shù)情況下無阻尼繞組。并在該時期發(fā)表了大量的有關(guān)永磁同步電機數(shù)學(xué)模型、穩(wěn)態(tài)特性、動態(tài)特性的研究論文。e等研究了電壓型逆變器供電的永磁同步電動機穩(wěn)態(tài)特性及電流型逆變器供電的永磁同步電動機穩(wěn)態(tài)特性。
隨著對永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)性能要求的不斷提高，等人針對調(diào)速系統(tǒng)快速動態(tài)性能和高效率的要求，提出了現(xiàn)代永磁同步電機的設(shè)計方法?？稍O(shè)計出高效率、高力矩慣量比、高能量密度的永磁同步電機。
近年來微型計算機技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的全數(shù)字控制也取得了很大的發(fā)展。等研制了一種永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)，采用了十六位單片機8097作為控制計算機，實現(xiàn)了高精度、高動態(tài)響應(yīng)的全數(shù)字控制。八十年代末，九十年代初等發(fā)表了大量關(guān)于永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)全數(shù)字控制的論文。
九十年代初期，首次在轉(zhuǎn)速控制器中采用自校正控制。早期自適應(yīng)控制主要應(yīng)用于直流電機調(diào)速系統(tǒng)。劉天華等也將魯棒控制理論應(yīng)用于永磁同步電機伺服驅(qū)動。自適應(yīng)控制技術(shù)能夠改善控制對象和運行條件發(fā)生變化時控制系統(tǒng)的性能，，等人將自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用于永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)。仿真和實驗結(jié)果表明，自適應(yīng)控制技術(shù)能夠使調(diào)速系統(tǒng)在電機參數(shù)發(fā)生變化時保持良好的性能?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制 由于其特殊的“切換”控制方式與電機調(diào)速系統(tǒng)中逆變器的“開關(guān)”模式相似，并且具有良好的魯棒控制特性，因此，在電機控制領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能控制已成為現(xiàn)代控制領(lǐng)域中的一個重要分支，電氣傳動控制系統(tǒng)中運用智能控制技術(shù)也已成為目前電氣傳動控制的主要發(fā)展方向，并且將帶來電氣傳動技術(shù)的新紀(jì)元。目前，實現(xiàn)智能控制的有效途徑有三條：基于人工智能的專家系統(tǒng)（ExpertSystem）;基于模糊集合理論（FuzzyLogic）的模糊控制；基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ArtificialNeuralNetwork）的神經(jīng)控制。等人從八十年代后期一直致力于人工智能技術(shù)在電氣傳動領(lǐng)域的應(yīng)用，并取得了可喜的研究成果。
（轉(zhuǎn)載）
