交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)
陳陽生1，楊浩東1，陶志鵬2
(1．浙江大學(xué)，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(dǎo)體、微處理器以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，永磁交流伺服電機(jī)和交流伺服驅(qū)動(dòng)器得到了飛速的發(fā)展，從最初的實(shí)驗(yàn)室研究到現(xiàn)在已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。由于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比其它驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如功率密度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、低速力矩大、調(diào)速范圍寬、精度高、可靠性好、效率高等，在高精度數(shù)控加工設(shè)備、紡織機(jī)械等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，基本取代了傳統(tǒng)的直流伺服和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)等傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備。在現(xiàn)代數(shù)控裝備中，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是裝備中的最終執(zhí)行部件，裝備的高精度機(jī)械運(yùn)動(dòng)和操作也是由交流伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來完成，其性能的好壞直接決定了整套裝備的性能，是現(xiàn)代數(shù)控裝備中的核心部件之一。
交流伺服系統(tǒng)是一個(gè)典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，由伺服電機(jī)本體和伺服驅(qū)動(dòng)器兩部分組成。伺服電機(jī)目前一般都采用稀土永磁材料勵(lì)磁，由于永磁材料磁性能的不斷提高，伺服電機(jī)向著高功率密度、高效率和高精度方向發(fā)展；伺服驅(qū)動(dòng)器不斷向著高集成度、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。
國內(nèi)在伺服系統(tǒng)方面的研究工作起步較晚，總體的開發(fā)和研究水平還相對(duì)較低，國內(nèi)伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品以中低端為主，高檔伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品基本仍是空白，整體的技術(shù)水平不高，在系統(tǒng)的自適應(yīng)性、可靠性等方面和國外產(chǎn)品有明顯的差距。我國在伺服驅(qū)動(dòng)方面的嚴(yán)重不足和落后，已經(jīng)嚴(yán)重地抑制了我國數(shù)控機(jī)床的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品性能的提升，也成為了我國發(fā)展各類高檔數(shù)控機(jī)床的重要技術(shù)瓶頸之一。2009年國家啟動(dòng)的“高檔數(shù)控系統(tǒng)”專項(xiàng)，也將伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)研究。
1永磁交流伺服電機(jī)技術(shù)
水磁交流伺服電機(jī)，簡(jiǎn)稱伺服電機(jī)，是一種永磁同步電機(jī)，一般由機(jī)殼、定子、轉(zhuǎn)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(jī)相似，但交流伺服電機(jī)的極數(shù)和定轉(zhuǎn)子齒槽配合與普通三相異步有較大差別，一般極數(shù)較
高。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子是永磁轉(zhuǎn)子，一般采用稀土永磁材料，如釹鐵硼、釤鈷等。
伺服電機(jī)的性能將直接影響伺服系統(tǒng)，乃至整套設(shè)備的性能。為了減小伺服電機(jī)體積和重量，提高系統(tǒng)出圖l伺服電機(jī)組成力和加速性能，高功率密度的交流伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)是伺服系統(tǒng)的主要研究和發(fā)展方向。伺服電機(jī)作為一種永磁電機(jī)，經(jīng)過多年的發(fā)展
和改進(jìn)，其設(shè)計(jì)和制造技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟。為了進(jìn)一步提高伺服電機(jī)的各種性能，同時(shí)減小電機(jī)的成本，需要從電磁和機(jī)械設(shè)計(jì)、定子和轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、電機(jī)損耗和散熱技術(shù)等多方而入手，采取多種技術(shù)手段，來進(jìn)一步提高伺服電機(jī)的功率密度和整體性能。
1.1電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)
高性能伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，是伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的關(guān)鍵之一。目前國內(nèi)般都采用傳統(tǒng)的磁路分析法來沒計(jì)伺服電機(jī)。對(duì)于高性能的交流伺服電機(jī)，由于其要求高，而磁場(chǎng)分布、發(fā)熱、受力等情況又較為復(fù)雜，如采tHj傳統(tǒng)的磁路的方法來設(shè)計(jì)，一般誤差很大，很難發(fā)計(jì)出滿足性能指標(biāo)要求的電機(jī)，也不能對(duì)電機(jī)的齒槽力矩、力矩波動(dòng)、電感變化、磁路飽和等做很細(xì)致精確的分析。
目前比較先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法是以二維有限元為主，結(jié)合三維有限元，對(duì)電機(jī)的整體、局部進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)電機(jī)各部分電磁負(fù)荷、損耗、出力、主漏磁通、損耗等進(jìn)行詳細(xì)分析，保證電機(jī)各項(xiàng)性能參數(shù)都可以達(dá)到期望值。由于整體采用了有限元法，可使得設(shè)計(jì)精度得到保證。圖2是經(jīng)有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)后的電機(jī)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(chǎng)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(jī)與伺服控制器的匹配好壞，將直接影響到系統(tǒng)的精度和性能。因此，從系統(tǒng)的角度研究電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)化技術(shù)，可以****限度的優(yōu)化系統(tǒng)成本，同時(shí)提高系統(tǒng)性能，如在電機(jī)弱磁控制方面，只有電機(jī)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的****弱磁控制。
在大功率伺服電機(jī)和高速伺服電機(jī)中，隨著轉(zhuǎn)子外徑和轉(zhuǎn)速的提高，磁鋼所受到的離心力迅速提高，如何在兼顧電機(jī)電磁性能的情況下，設(shè)計(jì)出堅(jiān)固的轉(zhuǎn)子，防止磁鋼飛出，則是電機(jī)設(shè)計(jì)的另一個(gè)難題。對(duì)。r這一類的電機(jī)的設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行機(jī)械有限元分析，以對(duì)電機(jī)內(nèi)部的應(yīng)力和機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行校核。當(dāng)前市場(chǎng)上用于設(shè)計(jì)和優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)和性能的商業(yè)有限元軟件不斷成熟，這些軟件町以對(duì)電機(jī)的電磁性能、機(jī)械性能進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合計(jì)算和仿真，這使得設(shè)計(jì)更高功率密度的伺服電機(jī)成為可能。
1．2定子技術(shù)
伺服電機(jī)的定了結(jié)構(gòu)大致與普通異步電機(jī)相同，但在定子繞組的設(shè)計(jì)E則有很大的不同。在大功率伺服電機(jī)中，定子繞組結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，尤其是齒槽配合，必須考慮到電機(jī)的出力，電機(jī)的齒槽力矩和力矩波動(dòng)等。
在傳統(tǒng)的伺服電機(jī)設(shè)計(jì)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(shù)較高，有效鐵心長度較短。同時(shí)，由于每槽的槽數(shù)較多，一般電機(jī)的噪音和振動(dòng)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(jī)的端部較長，從向使得短鐵心電機(jī)的效率一般不高。
在近年開發(fā)的伺服電機(jī)中，越來越多的是采用分?jǐn)?shù)槽、集中繞組。這種繞組，如得到廣泛的應(yīng)用的12槽8極、9槽6極等齒槽配合的電機(jī)，由于繞組的繞組系數(shù)略低，有效鐵心長度可能會(huì)略長，但是這種繞組的端部整齊短小，電機(jī)總長度大大縮短，由于繞組的電阻減小，電機(jī)效率可能會(huì)略高一點(diǎn)。但是需要注意的是，雖然采用分?jǐn)?shù)槽后，電機(jī)的齒槽力矩下降了，但是對(duì)于某些齒槽配合，其噪音和振動(dòng)可能會(huì)更大。
采用集中分?jǐn)?shù)槽繞組后，電機(jī)定子可以采用新型的單齒拼裝式的結(jié)構(gòu)，各齒單獨(dú)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(jī)定位排線繞制，繞組端部更加短小整齊，從而使得電機(jī)總長度進(jìn)一步縮短。由于繞組是單齒直接繞制，并非傳統(tǒng)的從槽口下線方式，因而允許電機(jī)槽口尺寸很小，使得電機(jī)的齒槽力矩大大減小。更重要的是，采取這種結(jié)構(gòu)以后，繞組實(shí)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(yīng)的電機(jī)銅線損耗將下降百分之40左右，從而使得電機(jī)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(jī)沖片上繞制線圈，然后卷成圓形。相比單個(gè)齒拼裝方法，平攤繞制的方法生產(chǎn)效率更高，能達(dá)到的****槽滿率略低但很接近。
1 3轉(zhuǎn)子技術(shù)
伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵和變化都表現(xiàn)在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和類型上，不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的伺服電機(jī)表現(xiàn)出不同的電磁性能，以及不同的應(yīng)用場(chǎng)合。
傳統(tǒng)的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)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(jìn)行綁扎
和加固，加工工藝復(fù)雜。同時(shí)，磁鋼用線切割加工而成，而且是粘貼在轉(zhuǎn)子外表面，線切割的分散性，轉(zhuǎn)子外表面的平整性，膠水厚度等都會(huì)影響到氣隙磁場(chǎng)波形的一致性。
近年來各種內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)得到迅速的發(fā)展和應(yīng)用。圖4b-4f給出5種常用的內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其中徑向內(nèi)嵌、u形和v形最為常用。內(nèi)嵌式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)將方塊形的磁鋼塊直接插入到轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)部。采用內(nèi)嵌式永磁轉(zhuǎn)子后，使得電機(jī)d軸和q軸磁路出現(xiàn)不對(duì)稱，從而產(chǎn)生附加的磁阻力矩，使得電機(jī)效率和出力都得到了進(jìn)一步的提升。從電機(jī)的磁路來看，磁鋼得到了更好的磁保護(hù)，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(jī)效率，減小電機(jī)體積，提高電機(jī)的功率密度。經(jīng)過合理的機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)，內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠，無需額外的綁扎和加固措施，更適合電機(jī)的高速運(yùn)行，而加工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。
此外，內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子電機(jī)由于d軸電感變大，電機(jī)的弱磁性能也遠(yuǎn)優(yōu)于采用普通瓦形磁鋼或者環(huán)形磁鋼的電機(jī)，非常適合高速弱磁運(yùn)行。因而，采用內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)后，電機(jī)效率高、體積小、功率密度高、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固并且適合高速運(yùn)行，目前內(nèi)嵌轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)已經(jīng)在各種牽引電機(jī)以及其它要求弱磁的場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。
但是，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子伺服電機(jī)也存在一些問題，例如電機(jī)內(nèi)部局部飽和嚴(yán)重，設(shè)計(jì)難度大；齒槽力矩和負(fù)載力矩波動(dòng)大；電機(jī)的****力矩受到了磁場(chǎng)飽和的限制，使得峰值力矩可能不如表貼式伺服電機(jī)；由于采用內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，電機(jī)電感變大，電機(jī)功率因素略有下降。但是，通過合理和充分的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，這些問題都可以得到很好的解決，當(dāng)然，對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)和分析技術(shù)也提出了很高的要求。圖4b～4f中所示的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，各有特點(diǎn)和適用的場(chǎng)合。
1．4電機(jī)損耗分析和散熱技術(shù)
為了在有限的空間內(nèi)，達(dá)到提高功率密度和力矩密度，必須分析電機(jī)的損耗和發(fā)熱，采用有效的電機(jī)的冷卻和散熱技術(shù)。在伺服電機(jī)中，大部分的發(fā)熱都在定子側(cè)，即繞組銅耗和定子鐵耗。一般而言，低速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)主要損耗是銅耗，尤其在電機(jī)峰值力矩時(shí)，如果峰值力矩是額定力矩的3倍，此日寸銅耗是額定時(shí)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(shí)間。在伺服電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，即使是空載運(yùn)行，鐵耗也可能相當(dāng)大，同時(shí)，研究表明，伺服電機(jī)在空載和負(fù)載條件下的鐵耗變化不大。通過研究和分析電機(jī)的各種損耗和散熱途徑，可以提高電機(jī)的出力或者降低繞組的溫升。
在普通的伺服電機(jī)中，由于轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)基本恒定，定子電樞反應(yīng)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子同步，因而轉(zhuǎn)子側(cè)的損耗和發(fā)熱問題遠(yuǎn)沒有定子嚴(yán)重。但是，在高速伺服電機(jī)、大功率伺服電機(jī)中，設(shè)計(jì)的技術(shù)難度基本上都與轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)技術(shù)和手段有關(guān)，轉(zhuǎn)子的損耗和發(fā)熱也成為了限制電機(jī)出力的最主要因索。當(dāng)轉(zhuǎn)子高速運(yùn)行時(shí)，不僅轉(zhuǎn)子鐵心由于磁通的變化會(huì)產(chǎn)生一定的鐵耗，磁鋼也會(huì)由于磁通的變化產(chǎn)生一定的損耗，這些磁通的變化幅度不大，但頻率較高，轉(zhuǎn)子損耗將隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，或者電機(jī)功率的提高而迅速變大。轉(zhuǎn)子損耗的總量不大，遠(yuǎn)低于定子損耗，但是由于高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子沒有良好的散熱途徑和通道，轉(zhuǎn)子過熱和磁鋼失磁保護(hù)便成了高速和大功率伺服電機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)。
針對(duì)高速電機(jī)和大功率永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)，浙江大學(xué)專門開發(fā)了基于電磁有限元的鐵耗和磁鋼損耗的分析技術(shù)，以及基于機(jī)械有限元的轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度分析技術(shù)和相關(guān)軟件，并且已經(jīng)發(fā)表專題學(xué)術(shù)論文數(shù)篇。
2伺服驅(qū)動(dòng)器技術(shù)
交流伺服電機(jī)不能直接連接在電網(wǎng)上使用，必須由伺服控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。伺服驅(qū)動(dòng)器是交流伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其涉及技術(shù)復(fù)雜、部件多，是伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。伺服控制器主要由三部分組成，分別是功率驅(qū)動(dòng)電路，控制電路和基于DSP的控制策略。功率驅(qū)動(dòng)電路采用三相橋結(jié)構(gòu)，控制電路根據(jù)轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置和電機(jī)的實(shí)時(shí)電流反饋，發(fā)出PWM信號(hào)，控制大功率驅(qū)動(dòng)電路的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電壓、電流的實(shí)時(shí)控制。圖5是驅(qū)動(dòng)器的基本硬件構(gòu)成。
2.1驅(qū)動(dòng)器硬件
伺服驅(qū)動(dòng)器的硬件部分包括功率逆變電路、控制電路、位置檢測(cè)電路、開關(guān)電源等部分，其中最關(guān)鍵的功率逆變電路和控制電路。隨著功率電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是IPM功率模塊的出現(xiàn)，大大提高了伺服驅(qū)動(dòng)器的可靠性，目前中小功率的伺服驅(qū)動(dòng)器都普遍采用了IPM模塊來實(shí)現(xiàn)逆變，驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。目前各大功率模塊制造廠商都推出了針對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)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(yōu)勢(shì)，而英飛凌則在大功率IGBT模塊方面具有優(yōu)勢(shì)。
控制電路是驅(qū)動(dòng)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(tǒng)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(jī)控制核心算法等的處理。CPLD(或卜PGA)則配合DSP，實(shí)現(xiàn)可編程I／O、I/0的點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展以及高頻脈沖信號(hào)的處理等工作。
目前適合伺服驅(qū)動(dòng)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(jī)、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(nèi)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(qū)動(dòng)器或者早期的伺服驅(qū)動(dòng)器中，一般采用的是以TI 240和2407DSP，為代表16位整數(shù)DSP，主頻從20MHz到6MHz不等，內(nèi)部集成10位ADc電路和PWM產(chǎn)生電路，這類DSP已經(jīng)可以基本滿足伺服驅(qū)動(dòng)器的要求，但是這類DSP對(duì)c／c++語言的支持一般不是很好，如果追求驅(qū)動(dòng)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(hù)}生大大降低。近幾年開發(fā)的伺服驅(qū)動(dòng)器和中高檔伺服驅(qū)動(dòng)器，一般采用以TI 2812DSP為代表32位整數(shù)DSP,主頻從100MHz到150MHz不等，內(nèi)部集成12位ADC電路和多路PWM產(chǎn)生電路，這類DSP已經(jīng)可以很好的滿足伺服驅(qū)動(dòng)器的要求，并且可以采用c／c++語言編程。目前，DSP的生產(chǎn)廠家已經(jīng)開始提供32位浮點(diǎn)DSF，如TI 2833x系列DSP，這使得DSP的計(jì)算能力有了大幅度的提高，為高性能控制策略的實(shí)現(xiàn)提供了很好的硬件基礎(chǔ)。
高性能、高可靠性和高集成度是高性能伺服控制器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。目前普遍采用的設(shè)計(jì)方案是首先簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)，充分利用DSP軟硬結(jié)合的電路特點(diǎn)和DSP+cPLD的數(shù)字電路框架，采取多重保護(hù)措施，避免元器件工作在過丁I惡劣的條件下，提高單個(gè)元器件的可靠性。
在大功率電路中會(huì)出現(xiàn)許多中小功率電路不會(huì)出現(xiàn)的問題。在高電壓、大電流的大功率驅(qū)動(dòng)器中，各種分布參數(shù)引起的雜散損耗、雜散電容和雜散電感等，都會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生不利的因素。
如何在驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)上保證大功率的能量高效可靠傳輸，是驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵，這也是目前大功率伺服控制器難度所在。同時(shí)，在設(shè)計(jì)一t如何提高系統(tǒng)的可靠性、延長驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的使用壽命是產(chǎn)業(yè)化是臺(tái)成功的關(guān)鍵。
由于伺服驅(qū)動(dòng)器I巾涉及高壓大電流開關(guān)管的高速開通和關(guān)斷，因而這類驅(qū)動(dòng)器往往是機(jī)器設(shè)備中的電磁污染源。同時(shí)由于伺服驅(qū)動(dòng)器在設(shè)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(huì)更加敏感。因而，伺服控制器和伺服電機(jī)的EMC抑制技術(shù)、濾波技術(shù)也是伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究關(guān)鍵。
2.2控制策略
伺服驅(qū)動(dòng)器的控制策略是伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)當(dāng)中研究最多的一個(gè)方面，控制算法的好壞，直接關(guān)系到控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)伺服電機(jī)的控制算法進(jìn)行了大量的研究，一些已經(jīng)成功應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)器當(dāng)中，取得了很好的控制效果。
矢量控制算法是目前在伺服驅(qū)動(dòng)器當(dāng)中應(yīng)用最多最為成熟的一種基本控制算法，該算法以轉(zhuǎn)予旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為參考坐標(biāo)系，將定子電流分解為直軸和交軸兩個(gè)分量，直軸分量能夠調(diào)節(jié)電機(jī)勵(lì)磁，而交軸分量正比于電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，這樣就實(shí)現(xiàn)了電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的解耦控制，從而可以取得像控制直流電機(jī)一樣的控制效果，圖6是伺服系統(tǒng)基本控制框圖。
相對(duì)矢量控制，還有一種常用的控制方法是直接轉(zhuǎn)矩控制。直接轉(zhuǎn)機(jī)控制算法不需要進(jìn)行矢量控制算法的復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，結(jié)合PWM算法，直接通過對(duì)交流電機(jī)的定子磁通和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行閉環(huán)控制，控制算法r分簡(jiǎn)潔，在異步電機(jī)的控制中得到了應(yīng)用。伺服電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制雖然目前研究較多，但在產(chǎn)品上的應(yīng)用的還基本沒有，主要是因?yàn)殡m然直接轉(zhuǎn)矩的力矩動(dòng)態(tài)調(diào)整性能優(yōu)異，但穩(wěn)態(tài)性能和低速性能較差，仍然需要進(jìn)步的研究。
交流伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)可以從調(diào)速范同、定位精度、穩(wěn)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和運(yùn)行穩(wěn)定性等方面來衡量。動(dòng)態(tài)響應(yīng)，通常衡量的指標(biāo)是系統(tǒng)****響應(yīng)頻率，即給定****頻率的正弦速度指令，系統(tǒng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)作為交流伺服系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)之一，它對(duì)縮短數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期和提高伺服系統(tǒng)的的動(dòng)態(tài)精度有重要意義。目前國內(nèi)的普遍為200 Hz，和國外的500～600 Hz存在著一定的差距。
當(dāng)前伺服系統(tǒng)普遍都采用基于矢昔控制的電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，其中調(diào)節(jié)器采用傳統(tǒng)的PI控制算法，但在負(fù)載突變或者調(diào)速范圍較大的情況下，傳統(tǒng)的PI控制很難得到滿意的控制效果。因此，一些學(xué)者提出了采用現(xiàn)代控制算法的調(diào)節(jié)器，如模糊控制器、自適應(yīng)控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器等，模糊控制器是利片j模糊集合來描述人們?nèi)粘Ｋ褂玫母拍钪械哪：�，模仿熟練操作人員或?qū)＜业目刂平?jīng)驗(yàn)和力法，該算法增加了調(diào)節(jié)器的魯棒性：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制可以用于電機(jī)參數(shù)的在線辨識(shí)、跟蹤，可以對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整；自適應(yīng)控制可以在系統(tǒng)運(yùn)行過程中不斷提取模型的相關(guān)信息，讓控制算法跟隨這些信息不斷調(diào)整，能夠克服參數(shù)變化對(duì)控制器的影響。
2.3現(xiàn)場(chǎng)總線接口技術(shù)
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是伺服驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)高速、高精控制的必要條件。傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)(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(hào)傳輸方式存在信號(hào)抗干擾能力差、帶寬低、信號(hào)信息量有限、硬件復(fù)雜、可擴(kuò)展性差等諸多問題，成為制約數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)性能提升的瓶頸�，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)很好地解決了傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)模擬電壓或脈沖信號(hào)傳輸方式存在的抗干擾能力差、信號(hào)信息量有限、可擴(kuò)展性差等問題，冠著地提升了數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)的技術(shù)水平和性能指標(biāo)。
伺服控制器作為系統(tǒng)當(dāng)中的一個(gè)元件，其通信功能以及現(xiàn)場(chǎng)總線的支持能力受到技術(shù)人員的重視，目前各大公司的伺服驅(qū)動(dòng)器都內(nèi)置或者通過外置卡支持多種總線通信協(xié)議，目前常用的有Profibus-DP、CAN、EtherCAT、SERCOS等。
PROHBus協(xié)議結(jié)構(gòu)是根據(jù)ISO7498國際準(zhǔn)，以開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(Open System
Interconnection-SIo)作為參考模型，是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通、電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。
PROFIBus的協(xié)議實(shí)現(xiàn)可通過PROFIBUS的專用協(xié)議芯片與微處理器的結(jié)合來完成。
PROHBus-DP是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)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(dá)到12Mbps。
CAN(controller Area Netwrork)總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，由于其****性能現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門。CAN是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纜，通信速率為1MBPS。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN****的特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的瓦連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。
EtherCAT是由德國BECKHOFF提出的種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)，基于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)，具有系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單、高速、全雙工、高數(shù)據(jù)有效率等特點(diǎn)，最人通信速率達(dá)到2×100Mbps。
EtherCAT技術(shù)突破了其他以太網(wǎng)解決方案的系統(tǒng)限制，可能成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)總線的主流技術(shù)。EtherCAT可以為現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線提供簡(jiǎn)單的接u，該特性使得用戶和設(shè)備制造商可以輕松完成從現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線到ElherCAT技術(shù)的轉(zhuǎn)換過程，可以實(shí)現(xiàn)CANOpen和SERCOS等協(xié)議。
2 4位置反饋接口技術(shù)
對(duì)于高性能伺服控制系統(tǒng)，位置反饋信號(hào)的質(zhì)量和精度直接影響系統(tǒng)的精度和響應(yīng)，是實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)高速、高精度控制的必要條件。
目前，伺服系統(tǒng)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(xué)編碼器，只能用于一些精度要求不高，同時(shí)工作環(huán)境比較好的場(chǎng)合。對(duì)于工作環(huán)境惡劣，或者轉(zhuǎn)速比較高的場(chǎng)合，則需要采用旋轉(zhuǎn)變壓器，但成本較高。使用旋轉(zhuǎn)變壓器后，位置反饋的精度一方面取決于旋轉(zhuǎn)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(jià)于1024線編碼器分辨率)，高檔的也有16位的，但一般價(jià)格很高。
對(duì)于精度要求很高的高檔伺服系統(tǒng)，必須采用高線數(shù)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(tǒng)的定位精度和低速的穩(wěn)速精度大大提高。這類嘉分辨率的編碼器一般內(nèi)部采用數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)相結(jié)合的處理方法，每圈產(chǎn)生1024個(gè)sin和cos的模擬信號(hào)，對(duì)sin和cos的插補(bǔ)處理后，可以產(chǎn)生很高的分辨率，但是由于模擬電路和ADC電路的誤差，實(shí)際精度會(huì)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(shù)字串行接口，如Biss和SSI；還有一類既有數(shù)字串行接口又有sin和cos的模擬信號(hào)，如Hiperface和Endat，用戶需要自行處理模擬信號(hào)的插補(bǔ)處理，因而編碼器的成本相對(duì)較低，但接口電路復(fù)雜。采用高分辨率的****式編碼器接口技術(shù)以及高效的通信協(xié)議，可以顯著地提升了伺服系統(tǒng)的技術(shù)水平和精度。
2．5弱磁調(diào)速技術(shù)
對(duì)交流伺服電機(jī)進(jìn)行弱磁控制，可以擴(kuò)大電機(jī)的調(diào)速范圍，充分利用驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的功率容量。一般而言，伺服電機(jī)的****轉(zhuǎn)速受到電網(wǎng)電壓的限制，電機(jī)的反電勢(shì)不能大于電網(wǎng)電壓，因?yàn)檗D(zhuǎn)子的磁鋼磁通是恒定的，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就受到了限制。如果在控制過程中，人為地產(chǎn)生去磁磁通，即調(diào)節(jié)萬電流，使繞組總磁通降低，則可在額定電壓下提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，并可在低電壓時(shí)，維持較高的轉(zhuǎn)速，這就是弱磁控制。弱磁控制的原理上講是很簡(jiǎn)單的，實(shí)際上要實(shí)現(xiàn)比較理想的弱磁功能是高性能交流伺服電機(jī)控制器的一大難點(diǎn)。這是因?yàn)�，在弱磁調(diào)速過程中，首先要需要充分利用電網(wǎng)電壓，去磁電流要合適，過大的去磁電流會(huì)使得系統(tǒng)效率大幅度下降，而過小這可能使電機(jī)出力大幅下降，不能達(dá)到期望的轉(zhuǎn)速。圖7是實(shí)現(xiàn)弱磁控制時(shí)，****Id、Iq電流隨速度變化的調(diào)節(jié)曲線。
在高速主軸應(yīng)用中，采取弱磁控制策略和相應(yīng)的電機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化，電機(jī)****力矩和最
高轉(zhuǎn)速可以同時(shí)得到提高，驅(qū)動(dòng)器功率等級(jí)則可維持不變，從而使得系統(tǒng)的體積更小、
重量更輕。在同步主軸電機(jī)中，弱磁控制技術(shù)是其最關(guān)鍵的技術(shù)。
3結(jié)語
伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以其優(yōu)越的性能正不斷受到人們的青睞，在工業(yè)領(lǐng)域被大量應(yīng)用。隨著DSP技術(shù)和功率電子器件性能的進(jìn)一步提高，以及新型智能控制技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能還將進(jìn)一步提升。目前高檔的伺服系統(tǒng)市場(chǎng)，國外產(chǎn)品仍處于****地位，但近幾年來國內(nèi)一些廠家也相繼研發(fā)出一系列中小功率伺服系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，基本打破了國外產(chǎn)品一統(tǒng)天下的局面，但國內(nèi)產(chǎn)品在伺服系統(tǒng)的自適應(yīng)性、系統(tǒng)的可靠性等方面和國外產(chǎn)品還有明顯的差距。 |
