交流伺服系統(tǒng)發(fā)展問題研究

丁珍

【摘 要】伺服系統(tǒng)有如下幾點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì)：（1）高性能化：采用更高精度的反饋元件，更高采樣精度和數(shù)據(jù)位數(shù)、運(yùn)算速度更快的控制器，性能更好的伺服電機(jī)，效率更好的功率器件，以及應(yīng)用更加高效的現(xiàn)代控制策略，不斷提高伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)。（2）集成化：將電動(dòng)機(jī)、反饋、控制、驅(qū)動(dòng)、通訊集成在一起，形成一個(gè)一體化系統(tǒng)。當(dāng)前我們稱這種集成了驅(qū)動(dòng)和通訊的電機(jī)叫智能化電機(jī)，把集成了運(yùn)動(dòng)控制和通訊的驅(qū)動(dòng)器叫智能化伺服驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)、驅(qū)動(dòng)和控制的集成使三者從設(shè)計(jì)、制造到運(yùn)行、維護(hù)都更緊密地融為一體。這種集成當(dāng)前只在微小功率電機(jī)伺服系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，如何在其他功率級(jí)別系統(tǒng)這種集成，是對(duì)工程師的挑戰(zhàn)，也是一個(gè)研究方向。（3）智能化：將先進(jìn)的算法，如遺傳算法實(shí)際運(yùn)用到伺服系統(tǒng)中，使伺服系統(tǒng)在不同的環(huán)境下，在試運(yùn)行幾次后能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)參數(shù)的自整定，自動(dòng)將伺服系統(tǒng)性能優(yōu)化，這將大大節(jié)省技術(shù)人員的時(shí)間與精力。

【關(guān)鍵詞】交流伺服系統(tǒng)；反饋裝置；控制器

1.伺服電機(jī)

常用的交流伺服電機(jī)主要包括感應(yīng)式異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)兩種。

交流永磁同步電機(jī)可分為兩大類：一類稱為梯形波永磁電機(jī)，即通常所說的直流無刷電機(jī) （BLDC），其反向電動(dòng)勢(shì)為梯形波信號(hào)；另一類稱為正弦波永磁電機(jī)，通常稱為永磁同步電機(jī) （PMSM），其反向電動(dòng)勢(shì)為正弦波信號(hào)。直流無刷電機(jī)具有控制簡(jiǎn)單、成本低廉、檢測(cè)裝置簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但是由于直流無刷電機(jī)原理上存在固有缺陷，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，電樞電流和電樞磁勢(shì)的不連續(xù)性而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，這種轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)使得電機(jī)速度控制性能很難得到提升，并且其鐵心附加損耗大，從而限制了由其構(gòu)成的伺服系統(tǒng)在高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合下的應(yīng)用。而永磁同步電機(jī)其性能好于直流無刷電機(jī)，雖然控制較為復(fù)雜，但隨著控制器與控制策略的迅速發(fā)展，控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與精確性有了較大程度的改善。永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子上的永磁體提供，不需要?jiǎng)?lì)磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)，而且減少了定子電流和定子電阻損耗，在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗。永磁同步電機(jī)在永磁體的安裝方式上分有兩種：一種是將永磁體裝在轉(zhuǎn)子表面，即所謂表面式；另一種是將永磁體埋入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，即所謂內(nèi)嵌式。永磁體的形狀可分為扇形和矩形兩種：扇形磁體轉(zhuǎn)子具有電樞電感小，齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩小的特點(diǎn)，適合低速大扭矩工作；矩形磁體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)凸極效應(yīng)，電樞電感大，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)牢固，適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)。高性能永磁材料發(fā)展迅速，大幅提升了永磁同步電機(jī)的性能。永磁材料有鋁鎳鉆、鐵氧體和稀土永磁體三大類?，F(xiàn)釹鐵硼永磁材料已足以滿足絕大多數(shù)電機(jī)的使用要求。永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)與異步電機(jī)伺服系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）永磁同步電機(jī)沒有籠型轉(zhuǎn)子，與異步電機(jī)相比，具有較低的慣性，對(duì)于一定的電機(jī)轉(zhuǎn)矩具有快速響應(yīng)的能力，轉(zhuǎn)矩慣性比高。

（2）永磁同步電機(jī)無轉(zhuǎn)子損耗，效率較高，且轉(zhuǎn)子無發(fā)熱問題。

（3）永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁體，不需要定子勵(lì)磁電流，對(duì)于同等容量輸出，異步電機(jī)效率低，需要更大功率的整流器、逆變器。

（4）永磁同步電機(jī)控制要比異步電機(jī)簡(jiǎn)單。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，永磁同步電機(jī)將會(huì)逐步取代異步電機(jī)，成為新一代伺服電機(jī)的中堅(jiān)力量。

2.反饋裝置

在電機(jī)伺服控制系統(tǒng)中，電流、電壓、速度、位置反饋信號(hào)對(duì)系統(tǒng)性能起到至關(guān)重要的影響。常用的反饋裝置有霍爾電流/電壓傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器、自整角機(jī)和光電編碼器等。

霍爾電流/電壓傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器，在信號(hào)采集過程中實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，具有安裝方便，功耗小，精度高、線性度好等特點(diǎn)，在電機(jī)伺服控制系統(tǒng)中得要廣泛應(yīng)用。交流伺服中電流檢測(cè)精度直接影響到解禍控制效果，使用高精度的電流傳感器，有助于提高系統(tǒng)的性能。

旋轉(zhuǎn)變壓器、自整角機(jī)和光電編碼器用于電機(jī)伺服控制系統(tǒng)中的速度和位置檢測(cè)。旋轉(zhuǎn)變壓器、自整角機(jī)在環(huán)境適應(yīng)性，如耐高低溫和振動(dòng)沖擊上要好于光電旋轉(zhuǎn)編碼器。

（1）旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓與角位移呈連續(xù)函數(shù)關(guān)系的感應(yīng)式微電機(jī)，它的結(jié)構(gòu)與繞線式異步電動(dòng)機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，每一大部分又有自己的電磁和機(jī)械部分。但是從物理本質(zhì)上講，旋轉(zhuǎn)變壓器可以看做原邊繞組放置在定子上，副邊繞組放置在轉(zhuǎn)子上的變壓器。在隨動(dòng)系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)變壓器通常用于精密測(cè)位。

（2）自整角機(jī)是利用自整步特性將轉(zhuǎn)角變?yōu)榻涣麟妷海ㄐ盘?hào)式）或由轉(zhuǎn)角變?yōu)檗D(zhuǎn)角（力矩式）的感應(yīng)式微型電機(jī)，在伺服系統(tǒng)中被用作測(cè)量角度的位移傳感器。它可以使機(jī)械上互不相連的兩根或多根軸自動(dòng)保持相同的轉(zhuǎn)角變化，呈同步旋轉(zhuǎn)，在系統(tǒng)中，通常是多臺(tái)組合使用。在實(shí)際應(yīng)用中，由于力矩式自整角機(jī)將機(jī)械角度轉(zhuǎn)換為力矩輸出且其自身沒有力矩放大能力，要帶動(dòng)負(fù)載，必須由發(fā)送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置供給轉(zhuǎn)矩，接受誤差大負(fù)載能力差。而信號(hào)式自整角機(jī)則是將角度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓進(jìn)行傳輸，由電壓控制伺服驅(qū)動(dòng)器，精度高，常用于精密的閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中。

3.控制器

集成電路和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)起到了重要的推動(dòng)作用，它們的飛速發(fā)展促進(jìn)了電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新。隨著對(duì)交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究的深入和對(duì)性能要求的不斷提高，涌現(xiàn)出了許多復(fù)雜而先進(jìn)的算法，單片機(jī)MC51、96及多片MCS96系統(tǒng)的運(yùn)算速度已不能滿足要求，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）已經(jīng)成為電機(jī)控制系統(tǒng)中的首選器件，在伺服系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。DSP器件具有較高的集成度，運(yùn)算速度快，存儲(chǔ)器容量大，它采用哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)空間，程序總線和數(shù)據(jù)總線分離，同時(shí)可以對(duì)程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，其內(nèi)置高速硬件乘法器，取指、譯碼、操作采取多級(jí)流水線。通過程序來實(shí)現(xiàn)控制算法，可大大地簡(jiǎn)化硬件，降低成本，提高系統(tǒng)的控制精度和可靠性，實(shí)現(xiàn)軟件伺服。在電機(jī)控制中，應(yīng)用最廣泛的DSP主要為TI的C2000系列。近年來DSP發(fā)展速度很快，性能不斷改善，TI公司在DSP28X定點(diǎn)系列以后又推出了28XPiccolo系列與 28X Delfino浮點(diǎn)系列。這三個(gè)系列的核心區(qū)別在于其CPU對(duì)于浮點(diǎn)數(shù)的處理方式上。28X定點(diǎn)系列與Piccolo系列均需要軟件的幫助來進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，但是在硬件處理方式上Piccolo更加優(yōu)化，通過使用獨(dú)立控制律加速器（CLA）處理浮點(diǎn)控制環(huán)路，使CPU得到釋放，以便完成其它任務(wù)。相對(duì)于前兩者，Delfino系列CPU內(nèi)核具有的32位硬件浮點(diǎn)部件大大加快了浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算速度。

4.功率驅(qū)動(dòng)單元

電力電子技術(shù)是信息產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)間重要的接口，是弱電與被控強(qiáng)電之間的橋梁。電力電子技術(shù)的發(fā)展對(duì)電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展影響極大。自58年世界上第一個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)晶閘管發(fā)明以來，電力電子元件已經(jīng)歷了第一代半控式晶閘管，第二代有自關(guān)斷能力的半導(dǎo)體器件（大功率晶體管GTR、可關(guān)斷晶閘管GTO、功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET）的三代復(fù)合場(chǎng)控器件（絕緣門極雙極性晶體管IGBT、靜電感應(yīng)式晶體管SIT、MOS控制的晶體管MCT等）。到了90年代，電子注入增強(qiáng)柵晶體管IEGT，集成門極換流晶閘管IGCT相繼問世。在中小型伺服系統(tǒng)方面，仍以二極管和IGBT為主要器件的功率集成模塊（PIM）和智能功率模塊（IPM）占據(jù)主體地位。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉果，歐陽(yáng)紅林，曲全磊，梁波.基于TMS320F28335的PMSM伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2008，（10）.