深度剖析交流伺服電動機驅(qū)動控制策略

隨著電力電子技術(shù)、電機制造技術(shù)、大規(guī)模集成電路和微處理器控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對交流伺服控制產(chǎn)品的性能、功能及性價比的要求越來越高，以永磁同步電動機作為執(zhí)行機構(gòu)的交流伺服控制系統(tǒng)在數(shù)控機床、機器人、辦公自動化設(shè)備、大規(guī)模集成電路制造、雷達以及柔性制造系統(tǒng)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。

交流伺服系統(tǒng)作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的重要驅(qū)動源之一，是當(dāng)代工業(yè)技術(shù)現(xiàn)代化所涉及的核心技術(shù)。日本、美國、德國、英國和法國等發(fā)達國家掌握著該領(lǐng)域的絕大多數(shù)的核心技術(shù)，并對我國實行技術(shù)封鎖，其中決定交流伺服系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)—伺服驅(qū)動控制技術(shù)，是國外伺服技術(shù)封鎖的主要部分。隨著國內(nèi)交流伺服電機及驅(qū)動器等硬件技術(shù)逐步成熟，以軟形式存在于控制芯片中的伺服驅(qū)動技術(shù)成為制約我國高性能交流伺服技術(shù)及產(chǎn)品發(fā)展的瓶頸。

因此，對數(shù)字化交流伺服驅(qū)動控制技術(shù)進行研究開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的交流伺服系統(tǒng)及運動控制技術(shù)，并使其形成產(chǎn)業(yè)，為我國裝備制造業(yè)的發(fā)展提供有利的技術(shù)保障，具有重大的現(xiàn)實意義和廣闊的社會應(yīng)用前景。

伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

高性能伺服系統(tǒng)及其伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展史是與伺服電動機有著密切關(guān)系的，在近60年的發(fā)展歷史中，經(jīng)歷了三個主要發(fā)展階段：

20世紀60年代以前，此階段是以功率步進電機直接驅(qū)動為主，多為位置開環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)具有響應(yīng)時間短，驅(qū)動部件的外形尺寸小等優(yōu)點，在電火花加工機床、針式打印機，自動化生產(chǎn)線等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，但同時存在發(fā)熱大、效率低、易污染環(huán)境、不易維修等缺點。

20世紀60～80年代，由于直流伺服電動機具有比交流伺服電動機易于控制、調(diào)速性能好等優(yōu)點，相關(guān)理論及技術(shù)都比較成熟，因此直流伺服系統(tǒng)在工業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，伺服系統(tǒng)的位置控制也由開環(huán)系統(tǒng)發(fā)展成為閉環(huán)系統(tǒng)。

進人20世紀90年代后，隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，電路的集成度越來越高，傳感器技術(shù)、稀土永磁材料與電動機控制理論等相關(guān)支持技術(shù)的發(fā)展，使得交流伺服控制技術(shù)有了長足發(fā)展。出現(xiàn)了無刷直流伺服電動機（bldc），交流伺服電動機（pmsm）等多種新型電動機。并逐步取代直流伺服系統(tǒng)在許多高科技領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。交流伺服系統(tǒng)的控制方式迅速向數(shù)字控制方向發(fā)展，并由硬件伺服轉(zhuǎn)向軟件伺服，智能化的軟件伺服將成為伺服控制的一個發(fā)展趨勢。

交流伺服電動機驅(qū)動控制策略

以永磁同步電動機為代表的交流伺服電動機模型是強耦合、時變的非線性系統(tǒng)，其控制策略比較復(fù)雜，所以交流伺服系統(tǒng)的性能與它所采用的控制策略有著直接的關(guān)系。優(yōu)良的控制策略不但可以彌補硬件設(shè)計方面的不足，而且能進一步的提高系統(tǒng)的性能，控制策略在交流伺服中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。高性能交流伺服系統(tǒng)對控制策略的要求可概括為：不但要使系統(tǒng)具有快的動態(tài)響應(yīng)和高的動、靜態(tài)精度，而且系統(tǒng)要對參數(shù)的變化和擾動具有不敏感性。

具有代表性永磁同步電機的控制策略有以轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比（u/f=常數(shù)）控制、經(jīng)典pid控制、磁場定向控制（矢量控制）為代表的傳統(tǒng)控制策略、以直接轉(zhuǎn)矩控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制、非線性反饋線性化理論等為代表的現(xiàn)代控制策略和以模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制為代表的智能控制等。

傳統(tǒng)控制策略

（1）恒壓頻比控制

帶定子壓降補償?shù)暮銐侯l比控制保證了同步電動機氣隙磁通恒定，調(diào)節(jié)頻率給定實現(xiàn)同步改變電機的轉(zhuǎn)速。此種控制策略為開環(huán)控制，只控制了電機的氣隙磁通，不能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，容易產(chǎn)生轉(zhuǎn)子振蕩和失步等問題。同時由于恒壓頻比控制依據(jù)的是電機的穩(wěn)態(tài)模型，其動態(tài)控制性能不高，不適合具有高性能要求的伺服驅(qū)動控制場合。

為了獲得良好的動態(tài)性能，必須依據(jù)電機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。由于交流永磁同步電動機動態(tài)數(shù)學(xué)模型是非線性、強耦合、時變的多變量系統(tǒng)。要得到良好的控制性能，需對角速度和電流進行解耦控制，即矢量控制技術(shù)。

（2）經(jīng)典pid控制

pid控制器就是利用比例、積分、微分對系統(tǒng)的誤差進行計算得出控制量從而對被控對象進行控制。pid控制器是目前應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等優(yōu)點，一直以來是工業(yè)控制的主要技術(shù)之一，能夠滿足多數(shù)伺服控制應(yīng)用領(lǐng)域。

但是經(jīng)典的交流伺服同步電動機的三環(huán)pid調(diào)節(jié)控制方式仍然存在一些問題，如調(diào)節(jié)器參數(shù)整定繁瑣且誤差較大，對系統(tǒng)模型及參數(shù)的依賴性較強等，在一些高精度應(yīng)用場合，很難滿足系統(tǒng)要求。

（3）磁場定向控制（id=0）

矢量控制是建立在被控對象準確的數(shù)學(xué)模型上，使交流電機控制由外部宏觀穩(wěn)態(tài)控制深入到電機內(nèi)部電磁過程的瞬態(tài)控制。矢量控制通過坐標(biāo)變換將交流電機內(nèi)部復(fù)雜耦合的非線性變量變換為相對坐標(biāo)系為靜止的直流變量（電流、磁鏈、電壓等），實現(xiàn)近似解耦控制，并從中找到約束條件，獲得某一目標(biāo)的最佳控制策略，id=0控制是矢量控制的一種特定的控制策略，在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系內(nèi)實現(xiàn)永磁同步電機交直軸電流解耦，由于id、iq雙電流閉環(huán)的存在，使電機iq電流動態(tài)跟隨系統(tǒng)力矩給定（te=ktiq，kt為電機力矩系數(shù)），實現(xiàn)電機電磁力矩控制。該控制策略使電機系統(tǒng)具有較好輸出力矩線性度，并可獲得最大線性轉(zhuǎn)矩。同時由于全部電流均用來產(chǎn)生電磁力矩，可以充分利用電機過載能力，提高電機啟、制動速度，保證電機具有優(yōu)良的啟、制動性能。

矢量控制技術(shù)經(jīng)歷二十多年研究完善歷程，在調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用所獲得的性能優(yōu)異，不論在低速（恒轉(zhuǎn)矩控制模式）還是在高速（恒功率控制模式），其抗擾特性、啟制動特性、穩(wěn)速特性均達到或者超過直流調(diào)速系統(tǒng)。但是矢量控制模型及算法比較復(fù)雜，實現(xiàn)時需要進行坐標(biāo)變換等，很難保證電機系統(tǒng)的電壓、電流在直、交軸的完全解耦，進而會影響電機系統(tǒng)的動態(tài)和效率等指標(biāo)。

現(xiàn)代控制策略

傳統(tǒng)的交流伺服電機驅(qū)動控制策略多用于被控對象模型確定、不變化且為線性，以及操作條件、運行環(huán)境確定不變的條件下。但交流永磁同步電動機動態(tài)數(shù)學(xué)模型是非線性、強耦合、時變的多變量系統(tǒng)，在高性能要求的場合，就必須考慮各種非線性的影響、對象的結(jié)構(gòu)與參數(shù)變化、運行環(huán)境的改變以及環(huán)境干擾等時變和不確定性因素?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展與應(yīng)用，一定程度上彌補了經(jīng)典控制理論對時變非線性隨機系統(tǒng)無能為力的缺點。

（1）直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制理論是在20世紀80年代由德國魯爾大學(xué)m.depenbrock教授和日本學(xué)者i.takahash分別提出的一種高性能的交流電機控制策略，其控制策略也是基于被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，但是與矢量控制不同，它直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型，無需復(fù)雜的坐標(biāo)變換。采用定子磁場定向，無需解耦電流，轉(zhuǎn)矩和磁鏈都采用直接反饋的雙位式砰砰控制，避免了將定子電流分解成轉(zhuǎn)矩和勵磁分量，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制，著眼于轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制磁場定向所用的是定子磁鏈，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來，對電機參數(shù)不敏感。

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在感應(yīng)電動機變頻控制領(lǐng)域獲得了成功應(yīng)用，瑞典abb公司已推出系列產(chǎn)品。但目前在永磁同步電動機應(yīng)用方面，直接轉(zhuǎn)矩控制還存在著一些問題。直接轉(zhuǎn)矩控制采用磁鏈滯環(huán)，電機轉(zhuǎn)矩存在脈動，直接影響電機運行的平穩(wěn)性。直接轉(zhuǎn)矩控制需要觀測磁鏈和轉(zhuǎn)矩，低速情況下準確性很差，致使電機低速運行性能差、電機調(diào)速范圍較小。由于電機定子電感較小，電機啟動和負載變動時電流沖擊大，磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動大。此外，由于電機靜止時無法估算磁鏈初始位置，電機啟動困難。盡管近些年國內(nèi)外一些學(xué)者不斷嘗試和改進永磁同步電動機轉(zhuǎn)矩直接控制策略，但目前這種控制方案很難滿足交流伺服驅(qū)動技術(shù)要求。

（2）滑模變結(jié)構(gòu)控制

變結(jié)構(gòu)控制屬于非線性控制范疇，其非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性，即一種使系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”變化的開關(guān)特性。滑模變結(jié)構(gòu)控制不需要知道系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，只需要了解系統(tǒng)參數(shù)及其變化的大致范圍，使得變結(jié)構(gòu)控制具有快速響應(yīng)、對參數(shù)及擾動變化不敏感、無需在線辯識與設(shè)計等優(yōu)點，具有降階、解耦的功能，當(dāng)系統(tǒng)進入滑模狀態(tài)時，系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移就不再受系統(tǒng)原有的參數(shù)變化和外部擾動的影響，而是強制在開關(guān)平面附近滑動，具有完全的自適應(yīng)性和魯棒性，因而滑模變控制在永磁同步電機伺服系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用。但由于采用的是bang-bang控制，不可避免的造成抖振問題，而抖振問題是滑模變結(jié)構(gòu)控制廣泛應(yīng)用的一個主要困難。目前在交流伺服電機系統(tǒng)中通過改變滑模結(jié)構(gòu)，如采用高階滑模結(jié)構(gòu)及濾波處理等方法一定程度上解決了滑模變結(jié)構(gòu)控制帶來的抖振問題。

（3）自適應(yīng)控制

自適應(yīng)控制是50年代初由考德威爾（golcl-well）提出的。它將反饋控制與辨識理論相結(jié)合，針對被控對象特性的變化、漂移和環(huán)境干擾對系統(tǒng)的影響而提出來的，或者當(dāng)對被控過程的參數(shù)了解不多或這些參數(shù)在正常運行期間有變化，特別是存在緩慢的變化因素時，通過尋求某些性能指標(biāo)最優(yōu)來完成對被控對象調(diào)節(jié)的。

現(xiàn)在應(yīng)用于控制的自適應(yīng)方法有模型參考自適應(yīng)、參數(shù)辯識自校正控制及其新發(fā)展的各種非線性自適應(yīng)控制。模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)不需要控制對象的精確數(shù)學(xué)模型，也無須進行參數(shù)辨識。其關(guān)鍵問題是設(shè)計自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整律，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時使誤差信號趨于零，主要優(yōu)點是容易實現(xiàn)和自適應(yīng)速度快。但自適應(yīng)算法存在一些問題，如數(shù)學(xué)模型和運算繁瑣，使控制系統(tǒng)復(fù)雜化。又如參數(shù)辯識和校正都需要一段時間，對于參數(shù)變化較快的系統(tǒng)，控制性能受系統(tǒng)計算速度影響較大。在交流伺服驅(qū)動中應(yīng)用系統(tǒng)硬件需要較高，一般采用32位數(shù)字信號處理器（dsp）或現(xiàn)場可編程門陣列（fpga）來實現(xiàn)。

（4）非線性反饋線性化控制

反饋線性化是一種非線性控制設(shè)計方法，其核心思想就是把一個非線性系統(tǒng)代數(shù)的轉(zhuǎn)化為一個（全部或部分）線性系統(tǒng)，以便可以應(yīng)用線性系統(tǒng)的技巧。它與普通線性化的根本區(qū)別在于，反饋線性化并不是通過系統(tǒng)的線性逼近而是通過狀態(tài)變換和反饋得到的。近幾年的非線性控制系統(tǒng)理論研究成果表明：采用非線性狀態(tài)反饋和適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換，在一定條件下，可以將一個仿射非線性系統(tǒng)進行精確線性化，并且這個狀態(tài)反饋可保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且有好的動態(tài)品質(zhì)。在精確反饋線性化控制方法的基礎(chǔ)上，建立永磁同步電動機的線性化控制模型，采用反饋線性化控制后，能夠?qū)崿F(xiàn)d、q軸的解耦控制，電流跟蹤性能好，力矩響應(yīng)快，且速度階躍響應(yīng)能漸進收斂到給定值，無靜差，超調(diào)小和過渡過程短等優(yōu)點。

（5）智能控制策略

經(jīng)典的或現(xiàn)代的控制策略都依賴于電機的數(shù)學(xué)模型，不能從根本上解決復(fù)雜和不確定系統(tǒng)的控制問題。智能控制策略具有非線性的特性，能夠解決控制對象、環(huán)境和任務(wù)更為復(fù)雜的系統(tǒng)。智能控制擺脫了對被控對象模型的依賴，只按實際效果進行控制，在控制中可以解決系統(tǒng)的不確定性和不精確性問題。

智能控制策略包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家系統(tǒng)控制、以及魯棒控制和遺傳算法控制等，其中模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略在永磁同步電機伺服系統(tǒng)應(yīng)用中較為成熟。

（6）模糊控制

模糊控制是以模糊集合化、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機數(shù)字控制。模糊控制將數(shù)學(xué)和模糊性統(tǒng)一起來，以模糊集合、模糊語言變量、模糊推理為其理論基礎(chǔ)，即利用模糊集合來刻畫人們?nèi)粘Ｋ褂玫母拍钪械哪：?，以先驗知識和專家經(jīng)驗作為控制規(guī)則，用機器模擬人對系統(tǒng)的控制，能逼真地模仿熟練操作人員和專家的控制經(jīng)驗與方法模糊控制。

模糊推理不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實際系統(tǒng)的輸入輸出結(jié)果數(shù)據(jù)，參考現(xiàn)場操作人員的運行經(jīng)驗，就可對系統(tǒng)進行實時控制，因此適于解決非線性系統(tǒng)的控制問題；模糊控制的魯棒性好、自適應(yīng)性強，適用于時變、時滯系統(tǒng)。但是模糊控制自學(xué)習(xí)能力不強，設(shè)計時控制規(guī)則依賴經(jīng)驗和專家知識，易造成系統(tǒng)精確度不高。單純地采用模糊控制策略需要較多的控制規(guī)則，需要工作人員的大量經(jīng)驗，控制精度相對較低。模糊控制技術(shù)在交流伺服電機系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器設(shè)計中獲得較好的應(yīng)用。但在動態(tài)要求較高的伺服系統(tǒng)中，目前該項技術(shù)還有待于進一步提高。

（7）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究從20世紀40年代初開始，80年代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論取得了突破性進展，成為智能控制的一個重要分支。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指用工程技術(shù)手段模擬人腦神經(jīng)的結(jié)構(gòu)和功能的一種信息處理系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制將計算函數(shù)嵌入物理網(wǎng)絡(luò)之中，在計算過程中，每一個基本操作都與之有對應(yīng)的連接。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模擬人腦神經(jīng)元的活動過程，包括信息的加工、處理、存儲等。每個神經(jīng)元存儲多種信息的部分內(nèi)容，部分神經(jīng)元的損壞和信息破壞只導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的部分功能減弱。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有信息分布存儲、并行處理、非線性逼近、自學(xué)習(xí)及自組織能力強等優(yōu)點，能夠充分逼近任意復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，能夠?qū)W習(xí)和適應(yīng)嚴重不確定性系統(tǒng)的動態(tài)特性，具有較強的魯棒性，具有模擬人的形象思維的能力，適合于處理難于用模型或規(guī)則描述的系統(tǒng)。近年來人們開始嘗試將神經(jīng)網(wǎng)路控制技術(shù)（或稱人工智能ai）應(yīng)用于交流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)中，用于解決傳統(tǒng)方法難以解決的問題。使用ai調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有很好的噪聲抑制特性、容錯性和擴展性，且對參數(shù)具有魯棒性。是未來電機控制技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。

高性能交流伺服控制技術(shù)發(fā)展趨勢

基于永磁同步電動機的伺服系統(tǒng)是目前伺服控制的發(fā)展方向。盡管目前已有很多方法可以實現(xiàn)交流伺服控制，但仍存在諸如系統(tǒng)精度低、可靠性差、低速性能差等問題。

無論是傳統(tǒng)控制策略、現(xiàn)代控制策略，還是智能控制策略，每一種控制策略都有其優(yōu)點，但也同時都存在一些問題。單一的控制策略很難得到理想的控制效果，探討將各種控制策略互相滲透和復(fù)合可以更好地提高伺服系統(tǒng)的控制性能是未來高性能交流伺服控制技術(shù)發(fā)展方向。目前復(fù)合控制策略主要有兩種形式：一是在經(jīng)典pid控制策略的基礎(chǔ)上采用新型的控制策略，如模糊pid控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)pid控制、專家pid控制等；二是采用兩種以上的新型控制策略，如模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)模糊控制、模糊直接轉(zhuǎn)矩控制、自適應(yīng)模糊控制、直接轉(zhuǎn)矩滑模變結(jié)構(gòu)控制等。各種策略之間取長補短，進一步提高交流調(diào)速系統(tǒng)性能，同時具有更強魯棒性，復(fù)合控制策略已成為當(dāng)前研究的重點和今后發(fā)展的一個主要趨勢。

結(jié)語

文中以永磁同步電動機系統(tǒng)為例，對交流伺服電機系統(tǒng)中傳統(tǒng)控制策略、現(xiàn)代控制策略和智能控制策略的基本原理及其優(yōu)缺點進行了分別闡述，并預(yù)測了高性能交流伺服電機系統(tǒng)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢，從中指出了無論是傳統(tǒng)控制策略、現(xiàn)代控制策略，還是智能控制策略，每一種控制策略都有其優(yōu)點，但也同時都存在一些問題。單一的控制策略很難得到理想的控制效果，探討將各種控制策略互相滲透和復(fù)合可以更好地提高伺服系統(tǒng)的控制性能是未來高性能交流伺服控制技術(shù)發(fā)展方向。

審核編輯：陳陳