摘要 ：伺服系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，伺服電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。組合機(jī)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(dòng)力部件采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)或采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，由電氣系統(tǒng)進(jìn)行工作自動(dòng)循環(huán)的控制，是典型的機(jī)電或機(jī)電液一體化的自動(dòng)加工設(shè)備。這類系統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)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(dòng)能源，沒有公害污染，維護(hù)也比較容易。特別是隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)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(dòng)機(jī)已經(jīng)實(shí)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(shí)用化，AC伺服電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)由于永磁材料不斷提高，價(jià)格不斷下降，控制又比異步電機(jī)簡單，容易實(shí)現(xiàn)高性能的緣故，所以永磁同步電機(jī)的AC伺服系統(tǒng)應(yīng)用更為廣泛研究具有自主知識(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。

隨著高效率的逆變器、數(shù)字信號(hào)控制器、高性能伺服電機(jī)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(lì)磁繞組，電機(jī)運(yùn)行效率高，采用高效的稀土永磁材料勵(lì)磁可以有效地減少電機(jī)體積重量，實(shí)現(xiàn)高力矩輸出，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)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(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)。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(huì)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(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。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。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。

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

2交流伺服電動(dòng)機(jī)的組成結(jié)構(gòu)

交流伺服電動(dòng)機(jī)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(lì)磁繞組，k1-k2稱為控制繞組，所以交流伺服電動(dòng)機(jī)是一種兩相的交流電動(dòng)機(jī)。

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(dòng)機(jī)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(gè)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(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)外定子與鼠籠形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)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(jī)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。空心杯由非磁性材料鋁或銅制成，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(dòng)，而內(nèi)、外定子是不動(dòng)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(huì)隨轉(zhuǎn)子不同的位置而發(fā)生變化，恒速旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子一般不會(huì)有抖動(dòng)現(xiàn)象，運(yùn)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(lì)磁電流就大，降低了電機(jī)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(dòng)機(jī)比鼠籠轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和輸出功率都??；另外，杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)，只有在要求運(yùn)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(dòng)機(jī)。

3交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理

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

當(dāng)電機(jī)原來處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，如控制繞組不加控制電壓，此時(shí)只有勵(lì)磁繞組通電產(chǎn)生脈動(dòng)磁場?？梢园衙}動(dòng)磁場看成兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場。這兩個(gè)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(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)不起來。一旦控制系統(tǒng)有偏差信號(hào)，控制繞組就要接受與之相對(duì)應(yīng)的控制電壓。在一般情況下，電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的磁場是橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場。一個(gè)橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場可以看成是由兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場合成起來的。這兩個(gè)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?。?，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?。┖铣闪夭粸榱?，所以伺服電機(jī)就朝著正轉(zhuǎn)磁場的方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來，隨著信號(hào)的增強(qiáng)，磁場接近圓形，此時(shí)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(jī)將反轉(zhuǎn)。若控制信號(hào)消失，只有勵(lì)磁繞組通入電流，伺服電機(jī)產(chǎn)生的磁場將是脈動(dòng)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(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來是由于在空間中有一個(gè)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(dòng)。

隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域與范圍的不斷擴(kuò)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(jī)構(gòu)預(yù)定動(dòng)作循環(huán)和限于系統(tǒng)靜態(tài)性能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。因此，現(xiàn)代液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究人員對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，了解和掌握液壓系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)態(tài)特性是其在失去原來平衡狀態(tài)到達(dá)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(dòng)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(shí)間變化性能的好壞，決定系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)劣。系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)情況）以及過渡過程品質(zhì)（執(zhí)行、控制機(jī)構(gòu)的響應(yīng)品質(zhì)和響應(yīng)速度）問題。

液壓系統(tǒng)動(dòng)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(shí)驗(yàn)研究法和數(shù)字仿真法等。數(shù)字仿真法是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)研究液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的一種方法。先是建立液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的數(shù)字模型——狀態(tài)方程，然后在計(jì)算機(jī)上求出系統(tǒng)中主要變量在動(dòng)態(tài)過程的時(shí)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(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程直接、全面的了解，使研究人員在設(shè)計(jì)階段就可預(yù)測液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，以便及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證與改進(jìn)，保證系統(tǒng)的工作性能和可靠性，具有精確、適應(yīng)性強(qiáng)、周期短以及費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。

4PWM調(diào)制技術(shù)及死區(qū)補(bǔ)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(dòng)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(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，驅(qū)動(dòng)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(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

在感應(yīng)電機(jī)的SVPWM調(diào)制方式控制中，對(duì)定子電流進(jìn)行預(yù)測，計(jì)算死區(qū)的影響，提出了預(yù)測補(bǔ)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(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。

5無傳感器控制技術(shù)

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)雜的觀測器，利用測量的相電壓和相電流來估計(jì)準(zhǔn)確的位置信息。通過建立磁鏈方程設(shè)計(jì)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(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,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。本文中給出了一種方法，利用適當(dāng)?shù)姆椒ㄖ恍?個(gè)電流傳感器檢測母線電流，而不是用3個(gè)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(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，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(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。

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(jī)電流控制。這些先進(jìn)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(dòng)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(jìn)口驅(qū)動(dòng)器都具備負(fù)載慣量測定和自動(dòng)增益調(diào)整功能，有的可以自動(dòng)辨識(shí)電機(jī)的參數(shù)，自動(dòng)測定編碼器零位，有些則能自動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)抑止。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”。