伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家工業(yè)實(shí)力的相應(yīng)設(shè)備如精密機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等對(duì)其“驅(qū)動(dòng)源”——電伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提出了越來越高的要求。而基于正弦波反電勢(shì)的永磁同步電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱PMSM）因其卓越的性能已日漸成為電伺服系統(tǒng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的“主流”[1]。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等支撐技術(shù)的快速發(fā)展，以永磁同步電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展得以極大的邁進(jìn)。然而伺服控制技術(shù)是決定交流伺服系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵技術(shù)之一，是國(guó)外交流伺服技術(shù)封鎖的主要部分。隨著國(guó)內(nèi)交流伺服用電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器等硬件技術(shù)逐步成熟，以軟形式存在于控制芯片中的伺服控制技術(shù)成為制約我國(guó)高性能交流伺服技術(shù)及產(chǎn)品發(fā)展的瓶頸。研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能交流伺服控制技術(shù)，尤其是最具應(yīng)用前景的永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服控制技術(shù)，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)主要由伺服控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、通訊接口單元、伺服電動(dòng)機(jī)及相應(yīng)反饋檢測(cè)器件組成，其結(jié)構(gòu)組成如附圖所示。其中伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等。全數(shù)字化的永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)集先進(jìn)控制技術(shù)和控制策略為一體，使其非常適用于高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，同時(shí)智能化、柔性化也已經(jīng)成為了現(xiàn)代電伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)[2][3]。 PWM調(diào)制技術(shù)及死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 PWM調(diào)制多采用異步調(diào)制方式，分滯環(huán)調(diào)制、正弦波調(diào)制、空間矢量調(diào)制（SVPWM）等。TI公司的ZhenyuYu等人分析了各種PWM調(diào)制方式基于DSP的數(shù)字實(shí)現(xiàn)技術(shù)[4]。滯環(huán)調(diào)制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但波形諧波大，性能較差。正弦PWM調(diào)制的信號(hào)波為正弦波，其脈沖寬度是由正弦波和三角載波相交而成，為自然采樣，數(shù)字實(shí)現(xiàn)中變化出多種規(guī)則采樣方法。有的文獻(xiàn)中根據(jù)電機(jī)特點(diǎn)，在正弦波中疊加高次諧波，以抑制某些次諧波，達(dá)到優(yōu)化電流波形的目的。80年代Broeck博士提出了一種新的脈寬調(diào)制方法——空間矢量PWM調(diào)制，將空間矢量引入到脈寬調(diào)制中[5]。它具有線性范圍寬，高次諧波少，易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在新型的驅(qū)動(dòng)器中得到了普遍應(yīng)用。文獻(xiàn)[6]分析了三相交流電機(jī)空間矢量脈寬調(diào)制的原理，探討了采用空間矢量脈寬調(diào)制三相橋式電壓型逆變器的電壓輸出能力。文獻(xiàn)[7]將SVPWM和基于載波的SPWM進(jìn)行了比較分析，指出了SVPWM和疊加了三次諧波的SPWM之間的聯(lián)系。零序矢量放置的不同可以導(dǎo)致不同的SVPWM調(diào)制方式，每個(gè)PWM周期只插入一個(gè)零序矢量可減少1/3的開關(guān)次數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)最小開關(guān)損耗SVPWM調(diào)制。 IGBT等器件的死區(qū)是逆變器的非線性原因之一，會(huì)導(dǎo)致電流波形畸變，使控制性能變差[9]。針對(duì)死區(qū)的各種補(bǔ)償技術(shù)的研究很多。文獻(xiàn)[10]分析了死區(qū)對(duì)電流波形的影響，并給出了兩種補(bǔ)償電路。文獻(xiàn)[11]分析了通常的電流反饋補(bǔ)償和電壓反饋補(bǔ)償，提出了一種基于dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的前饋補(bǔ)償方案，其校正不被逆變器輸出的電壓幅值和電流畸變影響，很好的補(bǔ)償了逆變器輸出電壓的畸變。文獻(xiàn)[12]分析了死區(qū)的作用，只在電流過零時(shí)給出一段死區(qū)，可以減小死區(qū)產(chǎn)生的畸變。文獻(xiàn)[13]采用延時(shí)控制，在線實(shí)時(shí)估計(jì)死區(qū)引起的干擾電壓，反饋給參考電壓以補(bǔ)償其影響。 在感應(yīng)電機(jī)的SVPWM調(diào)制方式控制中，文獻(xiàn)[14]對(duì)定子電流進(jìn)行預(yù)測(cè)，計(jì)算死區(qū)的影響，提出了預(yù)測(cè)補(bǔ)償?shù)乃惴āＮ墨I(xiàn)[15]通過仿真分析了逆變器死區(qū)的特性，建立死區(qū)的數(shù)學(xué)模型和整個(gè)系統(tǒng)的非線性模型，采用自適應(yīng)變結(jié)構(gòu)控制策略消除逆變死區(qū)的影響。不需要測(cè)量死區(qū)的參數(shù),具有較強(qiáng)的魯棒性,可使系統(tǒng)全局穩(wěn)定并且達(dá)到準(zhǔn)確的位置跟蹤。 無傳感器控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 無傳感器控制技術(shù)是近些年來在永磁交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)中最為活躍的一個(gè)領(lǐng)域。因?yàn)橛糜诖_定轉(zhuǎn)子位置的傳感器的成本幾乎可以占到整個(gè)控制器成本的三分之一，傳感器的軸向長(zhǎng)度也幾乎是永磁電機(jī)軸向長(zhǎng)度的三分之一。因此，借助于一些先進(jìn)的控制算法在無位置傳感器的情況下，只提取電流或電壓信號(hào)，借以估計(jì)轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)電機(jī)自同步運(yùn)行的方案引起了研究者的極大興趣。這種設(shè)想對(duì)直流無刷電機(jī)尤為適用，因?yàn)樗恍枰?0°電角度提供一個(gè)換相信號(hào)。這一要求完全可以通過檢測(cè)三相繞組中未通電相的反電勢(shì)信號(hào)給出換相信號(hào)。文獻(xiàn)[16]～[18]提出了一系列用以實(shí)現(xiàn)這一意圖的算法。通過檢測(cè)反電勢(shì)確定換相時(shí)間和順序，從而取消了原有的霍爾傳感器。文獻(xiàn)[18]中的算法已經(jīng)成功的被應(yīng)用到集成電路中，成為一種商業(yè)化的產(chǎn)品。 在永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中去掉位置傳感器更具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)殡姍C(jī)的三相始終通電，沒有反電勢(shì)信號(hào)可以利用，而且需要的位置信息也不僅僅局限于直流無刷電機(jī)的六個(gè)換向點(diǎn)。這樣就需要設(shè)計(jì)更為復(fù)雜的觀測(cè)器，利用測(cè)量的相電壓和相電流來估計(jì)準(zhǔn)確的位置信息[19]-[21]。文獻(xiàn)[19]通過建立磁鏈方程設(shè)計(jì)了磁鏈觀測(cè)器。文獻(xiàn)[20]和[21]利用了諧波無功功率中所包含的位置信息。凸極的永磁同步電機(jī)比非凸極的永磁同步電機(jī)在利用無傳感器技術(shù)上更有優(yōu)勢(shì)[22]-[26]，這是因?yàn)橥箻O電機(jī)的電感隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)呈正弦變化，可以利用這一特性檢測(cè)低速下的轉(zhuǎn)子位置。同樣出于降低成本的考慮，在永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中減少電流傳感器也受到關(guān)注。例如，文獻(xiàn)[27]中給出了一種方法，利用適當(dāng)?shù)姆椒ㄖ恍?個(gè)電流傳感器檢測(cè)母線電流，而不是用3個(gè)電流傳感器分別檢測(cè)三相電流。對(duì)于直流無刷電機(jī)的電流檢測(cè)，文獻(xiàn)[28]提出了一種利用集成在逆變器中的電流傳感器取代單獨(dú)的電流傳感器的方法，該方法還可以減小電機(jī)換相時(shí)的過流現(xiàn)象。 PMSM魯棒控制發(fā)展現(xiàn)狀 應(yīng)用于永磁同步電機(jī)的各種魯棒控制方法同樣引起了研究者的較大興趣。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的PID控制很可能在電機(jī)負(fù)載或電機(jī)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)使控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性變壞。而這種電機(jī)負(fù)載或電機(jī)參數(shù)的變化卻是不可避免的。這樣就需要設(shè)計(jì)一種具有魯棒性的控制器來抑制參數(shù)變化對(duì)控制性能的影響。為迎合這種需求，文獻(xiàn)[29]提出了滑模變結(jié)構(gòu)的控制方案，文獻(xiàn)[30]和[31]則提出了自適應(yīng)控制策略來設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)的位置和速度控制器。模糊控制策略作為一種令人樂觀的替代PID控制的方法也被引入永磁同步電機(jī)控制器，以提高永磁同步電機(jī)在面對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)的魯棒性[32]。文獻(xiàn)[33]提出了一種用于永磁同步電機(jī)位置控制的魯棒控制器，用來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)其抗擾性能。 另外，利用空間矢量調(diào)制技術(shù)，文獻(xiàn)[34]和[35]提出了比較復(fù)雜的電流控制策略應(yīng)用于永磁同步電機(jī)電流控制。這些先進(jìn)的電流控制器引入預(yù)測(cè)控制的方法，并給出了全數(shù)字控制方案，以此來提高電流環(huán)的特性。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法也被作為一種實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)電流控制[36]和最優(yōu)逆變控制[37]的手段引入永磁同步電機(jī)控制器。 各種轉(zhuǎn)矩和速度觀測(cè)器也被用于永磁同步電機(jī)魯棒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，文獻(xiàn)[38]設(shè)計(jì)了一種僅利用速度信息的轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器，但速度信息都是從位置傳感器間接得來的，通過單位采樣時(shí)間轉(zhuǎn)過的脈沖數(shù)計(jì)算得來的速度信息會(huì)給系統(tǒng)引入延遲和噪聲[39]。因?yàn)樵诘退傧逻@種延遲和噪聲現(xiàn)象尤為明顯，文獻(xiàn)[38]提出的觀測(cè)器無法在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)使用。Lorenz在文獻(xiàn)[40]中詳細(xì)說明了將線性觀測(cè)器用于瞬時(shí)速度估計(jì)的方法。 結(jié)束語 縱觀永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度著手進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐，并取得了較為豐富的成果;尤其是近年來圍繞提高其伺服控制的性能、降低成本在系統(tǒng)控制策略上作了大膽的探索和研究，提出了一些新的思路，采用了一些具有智能性的先進(jìn)控制策略并取得了一些具有實(shí)用性意義的成果。但是永磁同步電動(dòng)機(jī)自身就是具有一定非線性、強(qiáng)耦合性及時(shí)變性的“系統(tǒng)”，同時(shí)其伺服對(duì)象也存在較強(qiáng)的不確定性和非線性，加之系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)還受到不同程度的干擾，因此按常規(guī)控制策略是很難滿足高性能永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的控制要求。為此，如何結(jié)合控制理論新的發(fā)展，引進(jìn)一些先進(jìn)的“復(fù)合型控制策略”以改進(jìn)作為永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)核心組成部件的“控制器”性能，來彌補(bǔ)系統(tǒng)中以“硬形式”存在的“硬約束”，理應(yīng)是當(dāng)前發(fā)展高性能PMSM伺服系統(tǒng)的一個(gè)主要“突破口”。