全数字交流伺服系统及其控制策略综述

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1、全数字交流伺服系统及其控制策略综述

2、第1内容显示中.lunwen1.引言永磁交流伺服技术是研制开发各种先进的机电一体化设备，如工业机器人、数控机床、加工中心等的关键性技术，目前高性能数控机床和工业机器人所采用的电机伺服系统仍然主要依靠进口，这种现状限制了我国高科技产业的发展。因此，通过借鉴国外研究工作的先进经验，从高起点出发，尽早研制出具有当今国际水平的高性能、实用化的交流伺服系统，对于促进我国航空、航天、国防及工业自动化等领域的发展，跟踪和赶上世界先进水平均有重要意义。随着电力电子学、微电子学、传感技术、永磁技术和控制理论的惊人发展，尤其是先进控

3、制策略的成功应用，交流伺服系统的研究和应用，自上世纪80年代末以来的短短二十几年间，取得了举世瞩目的发展，已具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美，多年来的“交流伺服取代直流伺服”这一愿望正逐渐变为现实。可以预见，交流伺服系统的研究将继续成为电气传动领域的一个研究热点，并将带动相关产业的迅猛发展，因此有必要对交流伺服系统及其先进控制策略的发展有一个全面了解。本文正是基于此目的，对交流伺服系统及其控制策略进行了较为全面的综述和比较，力图反映其在近些年的最新研究进展。伺服系统发

4、展阶段伺服系统的发展紧密地与伺服电动机的不同发展阶段相联系，伺服电动机至今已有五十多年的发展历史，经历了三个主要发展阶段：第一发展阶段（20世纪60年代以前），此阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马达或以功率步进电机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制为开环系统。第二个发展阶段（20世纪60－70年代），这一阶段是直流伺服电动机的诞生和全盛发展的时代，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电动机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。第三个发展阶段（20世纪80年代至今），这一阶段是以机电一体化时代作为背景的，由

5、于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电动机（方波驱动），交流伺服电动机（正弦波驱动）等种种新型电动机。进入20世纪80年代后，因为微电子技术的快速发展，电路的集成度越来越高，对伺服系统产生了很重要的影响，交流伺服系统的控制方式迅速向微机控制方向发展，并由硬件伺服转向软件伺服，智能化的软件伺服将成为伺服控制的一个发展趋势。伺服系统控制器的实现方式在数字控制中也在由硬件方式向着软件方式发展；在软件方式中也是从伺服系统的外环向内环、进而向接近电动机环路的更深层发展。伺服系统的控制策略在一些动态性能要求不高的场所，由于开环

6、变压变频控制方式控制规律简单，至今仍在一般调速度系统中普遍应用。·恒压频比控制恒压频比控制方式是一种开环控制，它根据系统的给定，利用空间矢量脉宽调制转化为期望的输出Uout进行控制，使电机以一定的转速运转。但它是依据电机的稳态模型，从而得不到理想的动态控制性能。要获得很高的动态性能，必须依据电机的动态数学模型。永磁同步电机的动态数学模型是非线性多变量，它含有角速度ω与电流id或iq的乘积项，因此要得到精确控制性能必须对角速度和电流进行解耦。近年来，研究了各种非线性控制器，来解决永磁同步电机非线性的特性。·矢量控制1971年，由德国西门子的F.Bla

7、schke提出的矢量控制理论将交流传动的发展方向向前推进了一大步，使交流电机控制理论获得第一次质的飞跃。其基本原理为：以转子磁链的旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的两个分量，一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量，另一个与磁链方向正交，代表定子电流转矩分量，然后分别对其进行独立控制，获得像直流电机一样良好的动态特性。永磁同步电机d-q模型的转矩方程为：Te=P[λfiq+(Ld-Lq)idiq]（1）矢量控制实际上是对电动机定子电压或电流矢量的相位和幅值同时进行控制。从式(1)可以看出，当永磁体的励磁磁链和直-交轴电感确定后，电动机

8、的转矩便取决于定子电流空间矢量is=id+jiq。也就是说控制id，iq就可以控制转矩，从而控制转速。但矢量控制方法在实现时要进行复杂的坐标变换，而且对电机的参数依赖性很大，难以保证完全解耦，使控制效果打了折扣。·直接转矩控制上世纪80年代，Depenbrock教授提出了异步电机直接转矩控制方法。该方法摒弃了矢量控制的解耦思想，实行定子磁场定向，避免了矢量控制中复杂的坐标变换，定子磁链的估计仅涉及定子电阻，减速弱了对电机参数的依赖性，该控制方法简单，转矩响应快，动态性能好。目前已有一些学者致力于该控制方法应用于永磁同步电机，已取得了很大的发展。在定

9、子上的旋转坐标为x，y；转子的旋转坐标为d，q；它们都互为90度。X轴与d轴的夹角为负载角δ，可以证明在定子磁链幅值

10、λs