1 概述
隨著現代科學技術的飛速發展，特別是微電子、計算機、電力半導體和電機制造技術取得巨大技術進步，使得位置伺服這樣一種扮演重要支柱技術角色的自動控制系統，在許多高科技領域得到了非常廣泛的應用，如激光加工、機器人、數控機床、大規模集成電路制造、辦公自動化設備、雷達和各種軍用武器隨動系統、以及柔性制造系統(fms-flexible manufacturing system)等。
位置伺服系統，一般是以足夠的位置控制精度(定位精度)、位置跟蹤精度(位置跟蹤誤差)和足夠快的跟蹤速度作為它的主要控制目標。系統運行時要求能以一定的精度隨時跟蹤指令的變化，因而系統中伺服電動機的運行速度常常是不斷變化的。故伺服系統在跟蹤性能方面的要求一般要比普通調速系統高且嚴格得多。由于直流電動機存在電刷和換向器的限制，以及直流伺服系統生產、維護成本高。伴隨著新的控制器件和電機控制方法的出現，交流伺服系統的已經廣泛地替代了直流伺服系統。
2 交流伺服系統的分類
交流伺服系統根據其處理信號的方式不同，可以分為模擬式伺服、數字模擬混合式伺服和全數字式伺服;如果按照使用的伺服電動機的種類不同，又可分為三種:一種是用永磁同步伺服電動機構成的伺服系統，包括方波永磁同步電動機(無刷直流機)伺服系統和正弦波永磁同步電動機伺服系統;另一種是用鼠籠型異步電動機構成的伺服系統。二者的不同之處在于永磁同步電動機伺服系統中需要采用磁極位置傳感器而感應電動機伺服系統中含有滑差頻率計算部分。若采用微處理器軟件實現伺服控制，可以使永磁同步伺服電動機和鼠籠型異步伺服電動機使用同一套伺服放大器。
所謂數字控制是指系統的主要部分由數字運算元件構成，數字控制可分二類:一類為硬件方式，即數字元件的工作不用軟件而僅用硬件。它包括數字電路硬件控制、專用集成電路(asic)和超大規模集成電路硬件控制;另一類為軟件方式，即數字元件通過軟件進行工作。
表1給出了鼠籠型異步伺服電動機和永磁同步伺服電動機的特點和比較。
表1 交流伺服電動機的比較
3 交流伺服系統的發展與數字化控制的優點
伺服系統的發展緊密地與伺服電動機的不同發展階段相聯系，伺服電動機至今已有50多年的發展歷史，經歷了3個主要發展階段:
第一個發展階段(20世紀60年代以前)，此階段是以步進電動機驅動的液壓伺服馬達或以功率步進電動機直接驅動為中心的時代，伺服系統的位置控制為開環系統。
第二個發展階段(20世紀60－70年代)，這一階段是直流伺服電動機的誕生和全盛發展的時代，由于直流電動機具有優良的調速性能，很多高性能驅動裝置采用了直流電動機，伺服系統的位置控制也由開環系統發展成為閉環系統。在數控機床的應用領域，永磁式直流電動機占統治地位，其控制電路簡單，無勵磁損耗，低速性能好。
第三個發展階段(20世紀80年代至今)，這一階段是以機電一體化時代作為背景的，由于伺服電動機結構及其永磁材料、控制技術的突破性進展，出現了無刷直流伺服電動機(方波驅動)，交流伺服電動機(正弦波驅動)等種種新型電動機。
進入20世紀80年代后，因為微電子技術的快速發展，電路的集成度越來越高，對伺服系統產生了很重要的影響，交流伺服系統的控制方式迅速向微機控制方向發展，并由硬件伺服轉向軟件伺服，智能化的軟件伺服將成為伺服控制的一個發展趨勢。
伺服系統控制器的實現方式在數字控制中也在由硬件方式向著軟件方式發展;在軟件方式中也是從伺服系統的外環向內環、進而向接近電動機環路的更深層發展。
目前，伺服系統的數字控制大都是采用硬件與軟件相結合的控制方式，其中軟件控制方式一般是利用微機實現的。這是因為基于微機實現的數字伺服控制器與模擬伺服控制器相比，具有下列優點:
(1) 能明顯地降低控制器硬件成本。速度更快、功能更新的新一代微處理機不斷涌現，硬件費用會變得很便宜。體積小、重量輕、耗能少是它們的共同優點。
(2) 可顯著改善控制的可靠性。集成電路和大規模集成電路的平均無故障時(mtbf)大大長于分立元件電子電路。
(3) 數字電路溫度漂移小，也不存在參數的影響，穩定性好。
(4) 硬件電路易標準化。在電路集成過程中采用了一些屏蔽措施，可以避免電力電子電路中過大的瞬態電流、電壓引起的電磁干擾問題，因此可靠性比較高。
(5) 采用微處理機的數字控制，使信息的雙向傳遞能力大大增強，容易和上位系統機聯運，可隨時改變控制參數。
(6) 可以設計適合于眾多電力電子系統的統一硬件電路，其中軟件可以模塊化設計，拼裝構成適用于各種應用對象的控制算法;以滿足不同的用途。軟件模塊可以方便地增加、更改、刪減，或者當實際系統變化時徹底更新。
(7) 提高了信息存貯、監控、診斷以及分級控制的能力,使伺服系統更趨于智能化。
(8) 隨著微機芯片運算速度和存貯器容量的不斷提高，性能優異但算法復雜的控制策略有了實現的基礎。
4 全數字交流伺服系統的組成
圖1所示為一個典型的全數字伺服系統框圖。由圖1可知，全數字伺服系統采用位置控制、速度控制和力矩控制的三環結構。系統硬件大致由以下幾部分組成:電源單元;功率逆變和保護單元;檢測器單元;數字控制器單元;接口單元。
圖1 全數字伺服系統結構框圖
4.1 電源單元
包括功率逆變器供電電源、控制電路供電和電源保護。逆變器供電電源由三相交流不可控橋式整流及無源濾波網絡濾波所得到。為避免通電時出現過大的瞬時電流和電機制動時產生過高的泵升電壓，一般帶有軟啟動和能量泄放電路。控制電源一般由自激振蕩式開關電源產生。電源保護主要是指交流輸入端的缺相、欠壓和過壓，直流輸出端的過流、欠壓和過壓以及泵升電路的超時保護。電源保護是系統可靠運行的重要保證。
4.2 功率逆變和保護單元
功率逆變器的功能是根據控制電路的指令，將電源單元提供的高壓直流電轉變為伺服電機定子繞組中的三相交流電流，以產生所需電磁力矩。這部分可以采用集驅動電路、保護電路和功率管于一體的智能功率模塊(ipm)。ipm實現了功率管的優化驅動和就地保護，提高了功率逆變器的性能。現有智能功率模塊的功率管為igbt，其開關頻率可達20khz，可以滿足大多數伺服系統的要求，但在選用較高的開關頻率時，應采取措施以解決開關損耗與電壓利用率低等問題。
4.3 檢測器單元
包括反饋電流和反饋位置檢測。電流反饋環節主要是抗電網電壓擾動和提高系統的電流跟蹤速度，實際系統中主要采用無接觸式的電流霍爾傳感器，采樣電機定子電流。位置檢測的精度直接影響到伺服系統的定位精度，對于采用矢量控制的永磁同步伺服系統，位置檢測還直接影響坐標變換的精度。實際應用的位置檢測器有光電編碼器和無刷旋轉變壓器。光學編碼器能簡單地檢測出位置，處理電路也很簡單，而且價格便宜。但對于機械振動以及煙霧塵埃等惡劣條件很敏感。無刷旋轉變壓器傳送的是低頻的正弦波信號，故堅固可靠，不受電氣噪聲的影響，由于處理回路的不同，分辨率可調，多用于軍工產品。但需要專用的檢測和轉換芯片，成本高，處理電路復雜。
實際應用較多的光電編碼器是復合式的光電編碼器，它是一種帶有簡單磁極定位功能的增量式光電編碼器，它輸出兩組信息:一組用于檢測磁極位置，帶有絕對信息功能，三路彼此相差120°的脈沖u、v、w;另一組完全同增量式光電編碼器，輸出三路方波脈沖a、b和z。a、b兩路脈沖相位差90°，這樣可以方便地判斷轉向，z脈沖每轉一個，用于基準點定位。所有輸出一般為差動形式的脈沖信號，只要速度足夠快的差動接收器(如mc3486、am26ls32)和光電隔離器(如6n137)就能夠將這類脈沖信號進行處理，處理后的信號引入數字控制器的計數器單元，用于電機控制的專用控制器都集成了倍頻和鑒相電路，可以增加檢測精度和判別轉向。u、v、w信號用于永磁同步伺服系統轉子磁極的初始定位，如圖2所示。
圖2 光電編碼器位置檢測原理圖
無刷旋轉變壓器發出的信號是模擬量，需旋轉變壓器－數字轉換器(rdc，如ad公司的ad2s80a)配合使用，將其轉換成為數字量，以實現與數字控制器的接口，如圖3所示。ad2s80a是ad公司的ad2s80系列的一種rdc芯片。它的精度可調，針對不同應用場合可以選擇10bits、12bits、14bits、16bits數字化絕對位置量輸出;采用對稱電阻橋抑制電阻溫漂、輸入輸出隔離技術，保證干擾降至極小;狀態、控制信號數字化，可方便地與微控制器相連;需外部正弦波發生器作為旋轉變壓器的勵磁信號源。
圖3 旋轉變壓器位置檢測原理圖
4.4 數字控制器單元
數字控制器是全數字伺服系統的核心部分，三環系統構成、電機控制算法實現、系統調節器計算和脈寬調制波的發出都由數字控制器完成。為了使交流伺服系統得到響應速度更快、實時性更強的數字式電流控制，數字信號處理器(dsp)被廣泛應用于交流伺服系統。各大公司推出的面向電機控制的專用dsp芯片，除具有快速的數據處理能力外，還集成了豐富的用于電機控制的專用集成電路，如a/d轉換器、pwm發生器、定時計數器電路、異步通訊電路、can總線收發器以及高速的可編程靜態ram和大容量的程序存儲器等。典型器件有motolora公司的56000系列、日立公司的sh7000系列、ad公司的adsp2100系列和ti公司的tms320x24x系列。各廠商推出的一些主要競爭芯片的性能對比見表2。
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當前實際應用的交流伺服系統，電機控制算法仍以轉子磁場定向的矢量控制為主，將交流電機進行坐標變換和旋轉，等效為直流電機來控制。矢量控制策略是目前最為成熟，控制效果較好的一種控制策略，但是它受電機參數、負載變化影響較大，將智能控制引入交流電機控制，以實現智能化和最優化控制是當前的一個研究熱點。
圖1中位置環的作用是產生電機的速度指令并使電機準確定位和跟蹤。通過設定的目標位置與電機的實際位置相比較，利用其偏差通過位置調節器來產生電機的速度指令，當電機初始起動后(大偏差區域)，應產生最大速度指令，使電機加速并以最大速度恒速運行，在小偏差區域，產生逐次遞減的速度指令，使電機減速運行直至最終定位。為避免超調，位置環的調節器應設計為單純的比例(p)調節器，為了系統能實現準確的等速跟蹤，位置環還應設置前饋環節，如圖4所示。在位置伺服系統中當不同螺距的絲杠與各種步距角的電機或不同一轉脈沖數的伺服電機相配時，或通過各種變速齒輪聯結時，通過系統的電子齒輪比參數設定，可以使編程與實際運動距離保持一致。
速度環的作用是保證電機的轉速與指令值相一致、消除負載轉矩擾動等因素對電機轉速的影響。速度指令與反饋的電機實際轉速相比較，其差值通過速度調節器直接產生q軸指令電流，力矩電流信號控制電機加速、減速或勻速，從而使電機的實際轉速與指令值保持一致。速度調節器通常采用的是pi控制方式，對于動態響應、速度恢復能力要求特別高的系統，可以考慮采用結構(滑模)控制方式或自適應控制方式等。
圖4 位置環結構圖
圖5 電流環結構圖
電流環由電流控制器和逆變器組成，如圖5所示。其作用是使電機繞組電流實時、準確地跟蹤電流參考信號。在全數字交流伺服系統中，分別對d、q軸電流進行控制。q軸指令電流來自于速度環的輸出，d軸指令電流直接給定，或者由弱磁控制器給出。將電機的三相反饋電流進行3/2、旋轉變換，得到d、q軸的反饋電流，d、q軸的給定電流和反饋電流的差值通過pi控制器，得到給定電壓，再由數字式svpwm算法產生pwm信號。為防止電機起動過程中，產生過大的電流超調，對逆變器造成不利影響，電流控制器也可以采用ip控制器。為了獲得電流控制的良好穩態和動態性能，可以應用預測電流控制器，利用繞組實際電流的采樣值與參考電流的采樣值及電機的電壓方程，計算出強迫實際電流跟隨參考電流所需的電壓，通過pwm控制逆變器，采用積分補償環節，可以有效地彌補電機參數變化對電壓計算結果的影響，其缺點是結構復雜并需要高速微處理器。
當采用dsp構成全數字交流伺服系統時，其所有控制功能可以由軟件實現，故有利于提高系統的可靠性，降低系統的成本，并且可以采用先進的現代控制策略，獲得更高的控制性能，完成數據存儲、故障診斷、故障冗余等功能，使交流伺服系統更趨于智能化。
4.5 接口單元
在伺服系統中的接口單元中，包括指令輸入接口、異步通訊接口(rs232/rs485)、can總線接口、i/o控制單元以及故障報警單元。指令輸入接口，接收cnc系統發出的位置指令脈沖以及模擬形式的速度指令。異步通訊接口，多作為用戶對系統的操作接口，短距離采用rs232協議，距離較遠時采用rs485協議。can總線是一種工業現場總線標準，在一些新推出的dsp器件(如ti的tms320lf240x)中，集成了can總線的收發器。這使得伺服裝置可以更方便的運用于大型的工業控制系統中。i/o控制單元，接收和發送各種i/o信號形式的指令和狀態，伺服使能、cw/ccw禁止、脈沖禁止、報警清除、位置/速度到達、伺服準備好等等。故障報警單元，包括碼盤故障報警、電源故障報警、功率逆變器故障報警、電機過載/失速報警、伺服報警等等，及時通知用戶故障類別，使系統在故障時能及時得到處理，以免造成更大損失。設計友好而通用的接口單元是提高系統可靠性，增強伺服驅動器競爭力的重要手段。
5 常用的性能指標
(1) 調速范圍d:將伺服系統在額定負載時所提供的最高轉速nmax與最低轉速nmin之比成為調速范圍:
(2) 轉矩脈動系數:額定負載下，轉矩波動的峰－峰值△te與平均轉矩ta之比，常用百分數表示:
(3) 穩速精度:伺服系統在最高轉速、額定負載條件下，電源電壓變化、環境溫度變化、或電源電壓和環境溫度不變，但連續 運行若干小時，系統電機的轉速變化與最高轉速的百分比分別稱為電壓變化的穩速精度、溫度變化的穩速精度、時間變化的穩速精度。
(4) 超調量:伺服系統輸入單位階躍信號，時間響應曲線上超出穩態轉速(終值)的最大轉速值(瞬態超調)對穩態轉速(終值)的百分比，稱為轉速上升時的超調量。伺服系統運行在額定轉速，輸入的信號階躍至零，時間響應曲線超出零轉速的反向轉速的最大轉速值(瞬態超調)對穩態轉速的百分比成為速度下超調量。
(5) 力矩變化的時間響應:伺服系統正常運行時，對電機突然加上力矩負載和突然卸去力矩負載，電機轉速的最大瞬態偏差及建立時間稱為伺服系統的力矩變化的時間響應。
(6) 轉速響應時間:伺服系統輸入由零到對應ne的階躍 信號。從階躍信號開始，至轉速第一次到達0.95ne的時間。
(7) 定位精度和穩態跟蹤誤差:伺服系統最終定位與指令目標值間的靜止誤差定義為系統的定位精度，對于一個位置伺服系統，最低限度也應當能對其指令輸入的最小設定單位—1個脈沖做出響應。當系統對輸入信號的瞬態響應過程結束以后，在穩定運行時伺服系統執行機械實際位置與指令目標值之間的誤差定義為系統的穩態位置跟蹤誤差。位置伺服系統的位置跟蹤誤差不僅與系統本身結構有關，還取決于系統的輸入指令形式。
6 高性能交流伺服系統的發展現狀和展望
近10年來，隨著永磁材料技術及相關技術的快速發展，永磁同步動機性能得到了快速的提高，與感應電動機和普通同步電動機相比，其控制簡單、良好的低速運行性能及較高的性價比等優點使得永磁無刷同步電動機逐漸成為交流伺服系統執行電動機的主流。尤其是在高精度、高性能要求的中小功率伺服領域。而交流異步伺服系統仍主要集中在性能要求不高的、大功率伺服領域。
自20世紀80年代后期以來，隨著現代工業的快速發展，對作為工業設備的重要驅動源之一的伺服系統提出了越來越高的要求，研究和發展高性能交流伺服系統成為國內外同仁的共識。有些努力已經取得了很大的成果，“硬形式”上存在包括提高制作電機材料的性能，改進電機結構，提高逆變器和檢測元件性能、精度等研究方向和努力。“軟形式”上存在從控制策略的角度著手提高伺服系統性能的研究和探索。如采用“卡爾曼濾波法”估計轉子轉速和位置的“無速度傳感器化”;采用高性能的永磁材料和加工技術改進pmsm轉子結構和性能，以通過消除/削弱因齒槽轉矩所造成的pmsm轉矩脈動對系統性能的影響;采用基于現代控制理論為基礎的具有將強魯棒性的滑模控制策略以提高系統對參數攝動的自適應能力;在傳統pid控制基礎上進入非線性和自適應設計方法以提高系統對非線性負載類的調節和自適應能力;基于智能控制的電機參數和模型識別，以及負載特性識別。
對于發展高性能交流伺服系統來說，由于在一定條件下，作為“硬形式”存在的伺服電機、逆變器以相應反饋檢測裝置等性能的提高受到許多客觀因數的制約;而以“軟形式”存在的控制策略具有較大的柔性，近年來隨著控制理論新的發展，尤其智能控制的興起和不斷成熟，加之計算機技術、微電子技術的迅猛發展，使得基于智能控制的先進控制策略和基于傳統控制理論的傳統控制策略的“集成”得以實現，并為其實際應用奠定了物質基礎。
伺服電機自身是具有一定的非線性、強耦合性及時變性的“系統”，同時伺服對象也存在較強的不確定性和非線性，加之系統運行時受到不同程度的干擾，因此按常規控制策略很難滿足高性能伺服系統的控制要求。為此，如何結合控制理論新的發展，引進一些先進的“復合型控制策略”以改進“控制器”性能是當前發展高性能交流伺服系統的一個主要“突破口”。
7 結束語
21世紀是一個嶄新的世紀，也定將是各項科學技術飛速發展的世紀。相信隨著材料技術、電力電子技術、控制理論技術、計算機技術、微電子技術的快速發展以及電機制造工藝水平的逐步提高，同時伴隨著制造業的不斷升級和“柔性制造技術”的快速發展，必將為“柔性加工和制造技術”的核心技術之一的“伺服驅動技術”迎來又一大好的發展時機。
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作者簡介
尹泉 男 華中科技大學控制科學與工程系博士后，研究方向:電力電子與運動控制。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
