摘要 ：伺服系統(tǒng)是以機械運動的驅(qū)動設(shè)備，伺服電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)，在自動控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動自動控制系統(tǒng)。組合機床通常由標(biāo)準(zhǔn)通用部件和加工專用部件組合構(gòu)成，動力部件采用電動機驅(qū)動或采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動，由電氣系統(tǒng)進行工作自動循環(huán)的控制，是典型的機電或機電液一體化的自動加工設(shè)備。這類系統(tǒng)控制電動機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，實現(xiàn)運動機械的運動要求。

1前言

電氣伺服技術(shù)應(yīng)用最廣，主要原因是控制方便，靈活，容易獲得驅(qū)動能源，沒有公害污染，維護也比較容易。特別是隨著電子技術(shù)和計算機軟件技術(shù)的發(fā)展，它為電氣伺服技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的前景。早在70年代，小慣量的伺服直流電動機已經(jīng)實用化了。到了70年代末期交流伺服系統(tǒng)開始發(fā)展，逐步實用化，AC伺服電動機的應(yīng)用越來越廣，并且還有取代DC伺服系統(tǒng)的趨勢成為電氣伺服系統(tǒng)的主流。永磁轉(zhuǎn)子的同步伺服電動機由于永磁材料不斷提高，價格不斷下降，控制又比異步電機簡單，容易實現(xiàn)高性能的緣故，所以永磁同步電機的AC伺服系統(tǒng)應(yīng)用更為廣泛研究具有自主知識產(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機伺服控制技術(shù)，具有重要的理論意義和實用價值。

隨著高效率的逆變器、數(shù)字信號控制器、高性能伺服電機和控制理論的發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)取代直流伺服系統(tǒng)成為必然的趨勢。PMSM轉(zhuǎn)子無勵磁繞組，電機運行效率高，采用高效的稀土永磁材料勵磁可以有效地減少電機體積重量，實現(xiàn)高力矩輸出，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量明顯降低。因而PMSM廣泛應(yīng)用于高性能的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)中。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)。WM控制技術(shù)以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。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。它具有線性范圍寬，高次諧波少，易于數(shù)字實現(xiàn)等優(yōu)點，在新型的驅(qū)動器中得到了普遍應(yīng)用。分析了三相交流電機空間矢量脈寬調(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。將SVPWM和基于載波的SPWM進行了比較分析，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PWM周期只插入一個零序矢量可減少1/3的開關(guān)次數(shù)，即可實現(xiàn)最小開關(guān)損耗SVPWM調(diào)制。

近年來，伺服電機控制技術(shù)正朝著交流化、數(shù)字化、智能化三個方向發(fā)展。作為數(shù)控機床的執(zhí)行機構(gòu)，伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅(qū)動及保護等集為一體，并隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、特種電機材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的進步，經(jīng)歷了從步進到直流，進而到交流的發(fā)展歷程。

2交流伺服電動機的組成結(jié)構(gòu)

交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)主要可分為兩大部分，即定子部分和轉(zhuǎn)子。其中定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90°電角度的兩相繞組。其中

L1-L2稱為勵磁繞組，k1-k2稱為控制繞組，所以交流伺服電動機是一種兩相的交流電動機。

轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)常用的有鼠籠形轉(zhuǎn)子和非磁性杯形轉(zhuǎn)子。鼠籠形轉(zhuǎn)子交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)，它的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子繞組等組成。轉(zhuǎn)子鐵心是由硅鋼片疊成的，每片沖成有齒有槽的形狀，然后疊壓起來將軸壓入軸孔內(nèi)。鐵心的每一槽中放有一根導(dǎo)條，所有導(dǎo)條兩端用兩個短路環(huán)連接，這就構(gòu)成了轉(zhuǎn)子繞組籠轉(zhuǎn)子。

非磁性杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)外定子與鼠籠形轉(zhuǎn)子伺服電動機的定子完全一樣，內(nèi)定子由環(huán)形鋼片疊成,通常內(nèi)定子不放繞組，只是代替鼠籠轉(zhuǎn)子的鐵心，作為電機磁路的一部分。在內(nèi)、外定子之間有細(xì)長的空心轉(zhuǎn)子裝在轉(zhuǎn)軸上，空心轉(zhuǎn)子作成杯子形狀，所以又稱為空心杯形轉(zhuǎn)子?？招谋煞谴判圆牧箱X或銅制成，它的杯壁極薄，一般在0.3mm左右。杯形轉(zhuǎn)子套在內(nèi)定子鐵心外，并通過轉(zhuǎn)軸可以在內(nèi)、外定子之間的氣隙中自由轉(zhuǎn)動，而內(nèi)、外定子是不動的。與鼠籠形轉(zhuǎn)子相比較，非磁性杯形轉(zhuǎn)子慣量小，軸承摩擦阻轉(zhuǎn)矩小。由于它的轉(zhuǎn)子沒有齒和槽，所以定、轉(zhuǎn)子間沒有齒槽粘合現(xiàn)象，轉(zhuǎn)矩不會隨轉(zhuǎn)子不同的位置而發(fā)生變化，恒速旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子一般不會有抖動現(xiàn)象，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。但是由于它內(nèi)、外定子間氣隙較大(杯壁厚度加上杯壁兩邊的氣隙)，所以勵磁電流就大，降低了電機的利用率，因而在相同的體積和重量下，在一定的功率范圍內(nèi)，杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機比鼠籠轉(zhuǎn)子伺服電動機所產(chǎn)生的啟動轉(zhuǎn)矩和輸出功率都?。涣硗?，杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機結(jié)構(gòu)和制造工藝又比較復(fù)雜。因此，目前廣泛應(yīng)用的是鼠籠形轉(zhuǎn)子伺服電動機，只有在要求運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)的某些特殊場合下(如：積分電路等)，才采用非磁性杯形轉(zhuǎn)子伺服電動機。

3交流伺服電動機的工作原理

交流伺服電機的工作原理和單相感應(yīng)電動機無本質(zhì)上的差異。但是，交流伺服電機必須具備一個性能，就是能克服交流伺服電機的所謂“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，即無控制信號時，它不應(yīng)轉(zhuǎn)動，特別是當(dāng)它已在轉(zhuǎn)動時，如果控制信號消失，它應(yīng)能立即停止轉(zhuǎn)動。而普通的感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)動起來以后，如控制信號消失，往往仍在繼續(xù)轉(zhuǎn)動。

當(dāng)電機原來處于靜止?fàn)顟B(tài)時，如控制繞組不加控制電壓，此時只有勵磁繞組通電產(chǎn)生脈動磁場。可以把脈動磁場看成兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場。這兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場以同樣的大小和轉(zhuǎn)速，向相反方向旋轉(zhuǎn)，所建立的正、反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場分別切割籠型繞組（或杯形壁）并感應(yīng)出大小相同，相位相反的電動勢和電流（或渦流），這些電流分別與各自的磁場作用產(chǎn)生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩為零，伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)不起來。一旦控制系統(tǒng)有偏差信號，控制繞組就要接受與之相對應(yīng)的控制電壓。在一般情況下，電機內(nèi)部產(chǎn)生的磁場是橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場。一個橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場可以看成是由兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場合成起來的。這兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁場幅值不等（與原橢圓旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向相同的正轉(zhuǎn)磁場大，與原轉(zhuǎn)向相反的反轉(zhuǎn)磁場小），但以相同的速度，向相反的方向旋轉(zhuǎn)。它們切割轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)的電勢和電流以及產(chǎn)生的電磁力矩也方向相反、大小不等（正轉(zhuǎn)者大，反轉(zhuǎn)者小）合成力矩不為零，所以伺服電機就朝著正轉(zhuǎn)磁場的方向轉(zhuǎn)動起來，隨著信號的增強，磁場接近圓形，此時正轉(zhuǎn)磁場及其力矩增大，反轉(zhuǎn)磁場及其力矩減小，合成力矩變大，如負(fù)載力矩不變，轉(zhuǎn)子的速度就增加。如果改變控制電壓的相位，即移相180o，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相反，因而產(chǎn)生的合成力矩方向也相反，伺服電機將反轉(zhuǎn)。若控制信號消失，只有勵磁繞組通入電流，伺服電機產(chǎn)生的磁場將是脈動磁場，轉(zhuǎn)子很快地停下來。鼠籠轉(zhuǎn)子(或者是非磁性杯形轉(zhuǎn)子)所以會轉(zhuǎn)動起來是由于在空間中有一個旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電勢和電流，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的電流再與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用就產(chǎn)生力和轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向和旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相同，于是轉(zhuǎn)子就跟著旋轉(zhuǎn)磁場沿同一方向轉(zhuǎn)動。

隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展與進步和應(yīng)用領(lǐng)域與范圍的不斷擴大，系統(tǒng)柔性化與各種性能要求更高，采用傳統(tǒng)的以完成執(zhí)行機構(gòu)預(yù)定動作循環(huán)和限于系統(tǒng)靜態(tài)性能的系統(tǒng)設(shè)計遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。因此，現(xiàn)代液壓系統(tǒng)設(shè)計研究人員對系統(tǒng)動態(tài)特性進行研究，了解和掌握液壓系統(tǒng)動態(tài)工作特性與參數(shù)變化，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)特性、控制精度以及工作可靠性，是非常必要的。

液壓系統(tǒng)動態(tài)特性是其在失去原來平衡狀態(tài)到達新的平衡狀態(tài)過程中所表現(xiàn)出來的特性，原因主要是由傳動與控制系統(tǒng)的過程變化以及外界干擾引起的。在此過程中，系統(tǒng)各參變量隨時間變化性能的好壞，決定系統(tǒng)動態(tài)特性的優(yōu)劣。系統(tǒng)動態(tài)特性主要表現(xiàn)為穩(wěn)定性（系統(tǒng)中壓力瞬間峰值與波動情況）以及過渡過程品質(zhì)（執(zhí)行、控制機構(gòu)的響應(yīng)品質(zhì)和響應(yīng)速度）問題。

液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的研究方法主要有傳遞函數(shù)分析法、模擬仿真法、實驗研究法和數(shù)字仿真法等。數(shù)字仿真法是利用計算機技術(shù)研究液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的一種方法。先是建立液壓系統(tǒng)動態(tài)過程的數(shù)字模型——狀態(tài)方程，然后在計算機上求出系統(tǒng)中主要變量在動態(tài)過程的時域解。該方法適用于線性與非線性系統(tǒng)，可以模擬出輸入函數(shù)作用下系統(tǒng)各參變量的變化情況，從而獲得對系統(tǒng)動態(tài)過程直接、全面的了解，使研究人員在設(shè)計階段就可預(yù)測液壓系統(tǒng)動態(tài)性能，以便及時對設(shè)計結(jié)果進行驗證與改進，保證系統(tǒng)的工作性能和可靠性，具有精確、適應(yīng)性強、周期短以及費用低等優(yōu)點。

4PWM調(diào)制技術(shù)及死區(qū)補償技術(shù)

IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大；MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。

在感應(yīng)電機的SVPWM調(diào)制方式控制中，對定子電流進行預(yù)測，計算死區(qū)的影響，提出了預(yù)測補償?shù)乃惴?。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。不需要測量死區(qū)的參數(shù)，具有較強的魯棒性，可使系統(tǒng)全局穩(wěn)定并且達到準(zhǔn)確的位置跟蹤。

5無傳感器控制技術(shù)

在永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)中去掉位置傳感器更具有挑戰(zhàn)性，因為電機的三相始終通電，沒有反電勢信號可以利用，而且需要的位置信息也不僅僅局限于直流無刷電機的六個換向點。這樣就需要設(shè)計更為復(fù)雜的觀測器，利用測量的相電壓和相電流來估計準(zhǔn)確的位置信息。通過建立磁鏈方程設(shè)計了磁鏈觀測器。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比非凸極的永磁同步電機在利用無傳感器技術(shù)上更有優(yōu)勢,這是因為凸極電機的電感隨著轉(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，在永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)中減少電流傳感器也受到關(guān)注。本文中給出了一種方法，利用適當(dāng)?shù)姆椒ㄖ恍?個電流傳感器檢測母線電流，而不是用3個電流傳感器分別檢測三相電流。

6PMSM魯棒控制

應(yīng)用于永磁同步電機的各種魯棒控制方法同樣引起了研究者的較大興趣。這是因為傳統(tǒng)的PID控制很可能在電機負(fù)載或電機參數(shù)發(fā)生變化時使控制系統(tǒng)動態(tài)特性變壞。而這種電機負(fù)載或電機參數(shù)的變化卻是不可避免的。這樣就需要設(shè)計一種具有魯棒性的控制器來抑制參數(shù)變化對控制性能的影響。為迎合這種需求，提出了滑模變結(jié)構(gòu)的控制方案，提出了自適應(yīng)控制策略來設(shè)計永磁同步電機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控制器，以提高永磁同步電機在面對負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時的魯棒性。

另外，利用空間矢量調(diào)制技術(shù)，提出了比較復(fù)雜的電流控制策略應(yīng)用于永磁同步電機電流控制。這些先進的電流控制器引入預(yù)測控制的方法，并給出了全數(shù)字控制方案，以此來提高電流環(huán)的特性。

7結(jié)論

現(xiàn)代交流伺服驅(qū)動器都具備參數(shù)記憶、故障自診斷和分析功能，絕大多數(shù)進口驅(qū)動器都具備負(fù)載慣量測定和自動增益調(diào)整功能，有的可以自動辨識電機的參數(shù)，自動測定編碼器零位，有些則能自動進行振動抑止。同時其伺服對象也存在較強的不確定性和非線性，加之系統(tǒng)運行時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機伺服系統(tǒng)的控制要求。為此，如何結(jié)合控制理論新的發(fā)展，引進一些先進的“復(fù)合型控制策略”以改進作為永磁同步電動機伺服系統(tǒng)核心組成部件的“控制器”性能，來彌補系統(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)的一個主要“突破口”。