交流伺服系统发展问题研究

丁珍

【摘 要】伺服系统有如下几点发展趋势：（1）高性能化：采用更高精度的反馈元件，更高采样精度和数据位数、运算速度更快的控制器，性能更好的伺服电机，效率更好的功率器件，以及应用更加高效的现代控制策略，不断提高伺服系统的性能指标。（2）集成化：将电动机、反馈、控制、驱动、通讯集成在一起，形成一个一体化系统。当前我们称这种集成了驱动和通讯的电机叫智能化电机，把集成了运动控制和通讯的驱动器叫智能化伺服驱动器。电机、驱动和控制的集成使三者从设计、制造到运行、维护都更紧密地融为一体。这种集成当前只在微小功率电机伺服系统中实现，如何在其他功率级别系统这种集成，是对工程师的挑战，也是一个研究方向。（3）智能化：将先进的算法，如遗传算法实际运用到伺服系统中，使伺服系统在不同的环境下，在试运行几次后能够实现闭环参数的自整定，自动将伺服系统性能优化，这将大大节省技术人员的时间与精力。

【关键词】交流伺服系统；反馈装置；控制器

1.伺服电机

常用的交流伺服电机主要包括感应式异步电机和永磁同步电机两种。

交流永磁同步电机可分为两大类：一类称为梯形波永磁电机，即通常所说的直流无刷电机 （BLDC），其反向电动势为梯形波信号；另一类称为正弦波永磁电机，通常称为永磁同步电机 （PMSM），其反向电动势为正弦波信号。直流无刷电机具有控制简单、成本低廉、检测装置简单等优点。但是由于直流无刷电机原理上存在固有缺陷，电机运转过程中，电枢电流和电枢磁势的不连续性而导致转矩脉动较大，这种转矩脉动使得电机速度控制性能很难得到提升，并且其铁心附加损耗大，从而限制了由其构成的伺服系统在高精度、高性能要求的伺服驱动场合下的应用。而永磁同步电机其性能好于直流无刷电机，虽然控制较为复杂，但随着控制器与控制策略的迅速发展，控制系统的实时性与精确性有了较大程度的改善。永磁同步电机的磁场由转子上的永磁体提供，不需要励磁电流，可以显著提高功率因数，而且减少了定子电流和定子电阻损耗，在稳定运行时没有转子电阻损耗。永磁同步电机在永磁体的安装方式上分有两种：一种是将永磁体装在转子表面，即所谓表面式；另一种是将永磁体埋入转子内部，即所谓内嵌式。永磁体的形状可分为扇形和矩形两种：扇形磁体转子具有电枢电感小，齿槽效应转矩小的特点，适合低速大扭矩工作；矩形磁体结构转子呈现凸极效应，电枢电感大，转子结构牢固，适合高速运转。高性能永磁材料发展迅速，大幅提升了永磁同步电机的性能。永磁材料有铝镍钻、铁氧体和稀土永磁体三大类。现钕铁硼永磁材料已足以满足绝大多数电机的使用要求。永磁同步电机伺服系统与异步电机伺服系统相比具有以下优点：

（1）永磁同步电机没有笼型转子，与异步电机相比，具有较低的惯性，对于一定的电机转矩具有快速响应的能力，转矩惯性比高。

（2）永磁同步电机无转子损耗，效率较高，且转子无发热问题。

（3）永磁同步电机转子为永磁体，不需要定子励磁电流，对于同等容量输出，异步电机效率低，需要更大功率的整流器、逆变器。

（4）永磁同步电机控制要比异步电机简单。

基于以上优点，永磁同步电机将会逐步取代异步电机，成为新一代伺服电机的中坚力量。

2.反馈装置

在电机伺服控制系统中，电流、电压、速度、位置反馈信号对系统性能起到至关重要的影响。常用的反馈装置有霍尔电流/电压传感器、旋转变压器、自整角机和光电编码器等。

霍尔电流/电压传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，在信号采集过程中实现了电气隔离，具有安装方便，功耗小，精度高、线性度好等特点，在电机伺服控制系统中得要广泛应用。交流伺服中电流检测精度直接影响到解祸控制效果，使用高精度的电流传感器，有助于提高系统的性能。

旋转变压器、自整角机和光电编码器用于电机伺服控制系统中的速度和位置检测。旋转变压器、自整角机在环境适应性，如耐高低温和振动冲击上要好于光电旋转编码器。

（1）旋转变压器是一种输出电压与角位移呈连续函数关系的感应式微电机，它的结构与绕线式异步电动机相似，由定子和转子两大部分组成，每一大部分又有自己的电磁和机械部分。但是从物理本质上讲，旋转变压器可以看做原边绕组放置在定子上，副边绕组放置在转子上的变压器。在随动系统中，旋转变压器通常用于精密测位。

（2）自整角机是利用自整步特性将转角变为交流电压（信号式）或由转角变为转角（力矩式）的感应式微型电机，在伺服系统中被用作测量角度的位移传感器。它可以使机械上互不相连的两根或多根轴自动保持相同的转角变化，呈同步旋转，在系统中，通常是多台组合使用。在实际应用中，由于力矩式自整角机将机械角度转换为力矩输出且其自身没有力矩放大能力，要带动负载，必须由发送机驱动装置供给转矩，接受误差大负载能力差。而信号式自整角机则是将角度信号转换为电压进行传输，由电压控制伺服驱动器，精度高，常用于精密的闭环伺服控制系统中。

3.控制器

集成电路和计算技术的发展对永磁同步电动机控制技术起到了重要的推动作用，它们的飞速发展促进了电机控制技术的发展与创新。随着对交流驱动系统研究的深入和对性能要求的不断提高，涌现出了许多复杂而先进的算法，单片机MC51、96及多片MCS96系统的运算速度已不能满足要求，数字信号处理器（DSP）已经成为电机控制系统中的首选器件，在伺服系统中得到了广泛应用。DSP器件具有较高的集成度，运算速度快，存储器容量大，它采用哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，程序总线和数据总线分离，同时可以对程序和数据进行操作，其内置高速硬件乘法器，取指、译码、操作采取多级流水线。通过程序来实现控制算法，可大大地简化硬件，降低成本，提高系统的控制精度和可靠性，实现软件伺服。在电机控制中，应用最广泛的DSP主要为TI的C2000系列。近年来DSP发展速度很快，性能不断改善，TI公司在DSP28X定点系列以后又推出了28XPiccolo系列与 28X Delfino浮点系列。这三个系列的核心区别在于其CPU对于浮点数的处理方式上。28X定点系列与Piccolo系列均需要软件的帮助来进行浮点运算，但是在硬件处理方式上Piccolo更加优化，通过使用独立控制律加速器（CLA）处理浮点控制环路，使CPU得到释放，以便完成其它任务。相对于前两者，Delfino系列CPU内核具有的32位硬件浮点部件大大加快了浮点数的运算速度。

4.功率驱动单元

电力电子技术是信息产业和传统产业间重要的接口，是弱电与被控强电之间的桥梁。电力电子技术的发展对电机控制技术的发展影响极大。自58年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件已经历了第一代半控式晶闸管，第二代有自关断能力的半导体器件（大功率晶体管GTR、可关断晶闸管GTO、功率场效应管MOSFET）的三代复合场控器件（绝缘门极双极性晶体管IGBT、静电感应式晶体管SIT、MOS控制的晶体管MCT等）。到了90年代，电子注入增强栅晶体管IEGT，集成门极换流晶闸管IGCT相继问世。在中小型伺服系统方面，仍以二极管和IGBT为主要器件的功率集成模块（PIM）和智能功率模块（IPM）占据主体地位。 [科]

【参考文献】

[1]刘果，欧阳红林，曲全磊，梁波.基于TMS320F28335的PMSM伺服系统的设计[J].电力电子技术，2008，（10）.