永磁同步电动机伺服系统控制策略

作者：哈尔滨工业大学 徐殿国 高扬 于泳 杨明

欢迎访问e展厅 展厅 1 电动机展厅 三相异步电动机, 单相电机, 马达, 伺服电机, 直流电机, ... 摘　要(Abstract) 永磁同步电机的PWM调制及死区补偿技术、无传感器控制技术和鲁棒控制技术是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分。 伴随着现代工业的快速发展，标志着一个国家工业实力的相应设备如精密机床、工业机器人等对其“驱动源”——电伺服驱动系统提出了越来越高的要求。而基于正弦波反电势的永磁同步电动机（简称PMSM）因其卓越的性能已日渐成为电伺服系统执行电动机的“主流”[1]。随着现代电力电子技术、微电子技术及计算机技术等支撑技术的快速发展，以永磁同步电动机作为执行机构的交流伺服驱动系统的发展得以极大的迈进。然而伺服控制技术是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分。随着国内交流伺服用电机及驱动器等硬件技术逐步成熟，以软形式存在于控制芯片中的伺服控制技术成为制约我国高性能交流伺服技术及产品发展的瓶颈。研究具有自主知识产权的高性能交流伺服控制技术，尤其是最具应用前景的永磁同步电动机伺服控制技术，具有重要的理论意义和实用价值。 永磁同步电动机伺服系统基本结构 永磁同步电机伺服系统主要由伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应反馈检测器件组成，其结构组成如附图所示。其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等。全数字化的永磁同步电机伺服控制系统集先进控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于高精度、高性能要求的伺服驱动领域，同时智能化、柔性化也已经成为了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势[2][3]。 PWM调制技术及死区补偿技术发展现状 PWM调制多采用异步调制方式，分滞环调制、正弦波调制、空间矢量调制（SVPWM）等。TI公司的Zhenyu Yu等人分析了各种PWM调制方式基于DSP的数字实现技术[4]。滞环调制实现简单，但波形谐波大，性能较差。正弦PWM调制的信号波为正弦波，其脉冲宽度是由正弦波和三角载波相交而成，为自然采样，数字实现中变化出多种规则采样方法。有的文献中根据电机特点，在正弦波中叠加高次谐波，以抑制某些次谐波，达到优化电流波形的目的。80年代Broeck博士提出了一种新的脉宽调制方法--空间矢量PWM调制，将空间矢量引入到脉宽调制中[5]。它具有线性范围宽，高次谐波少，易于数字实现等优点，在新型的驱动器中得到了普遍应用。文献[6]分析了三相交流电机空间矢量脉宽调制的原理，探讨了采用空间矢量脉宽调制三相桥式电压型逆变器的电压输出能力。文献[7]将SVPWM和基于载波的SPWM进行了比较分析，指出了SVPWM和叠加了三次谐波的SPWM之间的联系。零序矢量放置的不同可以导致不同的SVPWM调制方式，每个PWM周期只插入一个零序矢量可减少1/3的开关次数，即可实现最小开关损耗SVPWM调制[8]。 IGBT等器件的死区是逆变器的非线性原因之一，会导致电流波形畸变，使控制性能变差[9]。针对死区的各种补偿技术的研究很多。文献[10]分析了死区对电流波形的影响，并给出了两种补偿电路。文献[11]分析了通常的电流反馈补偿和电压反馈补偿，提出了一种基于dq旋转坐标轴的前馈补偿方案，其校正不被逆变器输出的电压幅值和电流畸变影响，很好的补偿了逆变器输出电压的畸变。文献[12]分析了死区的作用，只在电流过零时给出一段死区，可以减小死区产生的畸变。文献[13]采用延时控制，在线实时估计死区引起的干扰电压，反馈给参考电压以补偿其影响。在感应电机的SVPWM调制方式控制中，文献[14]对定子电流进行预测，计算死区的影响，提出了预测补偿的算法。文献[15]通过仿真分析了逆变器死区的特性，建立死区的数学模型和整个系统的非线性模型，采用自适应变结构控制策略消除逆变死区的影响。不需要测量死区的参数, 具有较强的鲁棒性, 可使系统全局稳定并且达到准确的位置跟踪。 无传感器控制技术发展现状 无传感器控制技术是近些年来在永磁交流电机驱动技术中最为活跃的一个领域。因为用于确定转子位置的传感器的成本几乎可以占到整个控制器成本的三分之一，传感器的轴向长度也几乎是永磁电机轴向长度的三分之一。因此，借助于一些先进的控制算法在无位置传感器的情况下，只提取电流或电压信号，借以估计转子位置，实现电机自同步运行的方案引起了研究者的极大兴趣。这种设想对直流无刷电机尤为适用，因为它只需要每60°电角度提供一个换相信号。这一要求完全可以通过检测三相绕组中未通电相的反电势信号给出换相信号。 文献[16]～[18]提出了一系列用以实现这一意图的算法。通过检测反电势确定换相时间和顺序，从而取消了原有的霍尔传感器。文献[18]中的算法已经成功的被应用到集成电路中，成为一种商业化的产品。 在永磁同步电机驱动系统中去掉位置传感器更具有挑战性，因为电机的三相始终通电，没有反电势信号可以利用，而且需要的位置信息也不仅仅局限于直流无刷电机的六个换向点。这样就需要设计更为复杂的观测器，利用测量的相电压和相电流来估计准确的位置信息[19]-[21]。文献[19]通过建立磁链方程设计了磁链观测器。 文献[20]和[21]利用了谐波无功功率中所包含的位置信息。凸极的永磁同步电机比非凸极的永磁同步电机在利用无传感器技术上更有优势[22]-[26]，这是因为凸极电机的电感随着转子的旋转呈正弦变化，可以利用这一特性检测低速下的转子位置。 同样出于降低成本的考虑，在永磁同步电机驱动系统中减少电流传感器也受到关注。例如，文献[27]中给出了一种方法，利用适当的方法只需1个电流传感器检测母线电流，而不是用3个电流传感器分别检测三相电流。对于直流无刷电机的电流检测，文献[28]提出了一种利用集成在逆变器中的电流传感器取代单独的电流传感器的方法，该方法还可以减小电机换相时的过流现象。 PMSM鲁棒控制发展现状 应用于永磁同步电机的各种鲁棒控制方法同样引起了研究者的较大兴趣。这是因为传统的PID控制很可能在电机负载或电机参数发生变化时使控制系统动态特性变坏。而这种电机负载或电机参数的变化却是不可避免的。这样就需要设计一种具有鲁棒性的控制器来抑制参数变化对控制性能的影响。为迎合这种需求，文献[29]提出了滑模变结构的控制方案，文献[30]和[31]则提出了自适应控制策略来设计永磁同步电机的位置和速度控制器。模糊控制策略作为一种令人乐观的替代PID控制的方法也被引入永磁同步电机控制器，以提高永磁同步电机在面对负载转矩变化时的鲁棒性[32]。文献[33]提出了一种用于永磁同步电机位置控制的鲁棒控制器，用来提高系统的稳定性，增强其抗扰性能。 另外，利用空间矢量调制技术，文献[34]和[35]提出了比较复杂的电流控制策略应用于永磁同步电机电流控制。这些先进的电流控制器引入预测控制的方法，并给出了全数字控制方案，以此来提高电流环的特性。神经网络的方法也被作为一种实现自学习电流控制[36]和最优逆变控制[37]的手段引入永磁同步电机控制器。 各种转矩和速度观测器也被用于永磁同步电机鲁棒控制系统设计当中，文献[38]设计了一种仅利用速度信息的转矩观测器，但速度信息都是从位置传感器间接得来的，通过单位采样时间转过的脉冲数计算得来的速度信息会给系统引入延迟和噪声[39]。因为在低速下这种延迟和噪声现象尤为明显，文献[38]提出的观测器无法在较宽的调速范围内使用。 Lorenz在文献[40]中详细说明了将线性观测器用于瞬时速度估计的方法。 结束语 纵观永磁同步电动机伺服系统的研究现状，国内外学者从不同角度着手进行了大量的研究和实践，并取得了较为丰富的成果; 尤其是近年来围绕提高其伺服控制的性能、降低成本在系统控制策略上作了大胆的探索和研究，提出了一些新的思路，采用了一些具有智能性的先进控制策略并取得了一些具有实用性意义的成果。但是永磁同步电动机自身就是具有一定非线性、强耦合性及时变性的“系统”，同时其伺服对象也存在较强的不确定性和非线性，加之系统运行时还受到不同程度的干扰，因此按常规控制策略是很难满足高性能永磁同步电动机伺服系统的控制要求。为此，如何结合控制理论新的发展，引进一些先进的“复合型控制策略”以改进作为永磁同步电动机伺服系统核心组成部件的“控制器”性能，来弥补系统中以“硬形式”存在的“硬约束”，理应是当前发展高性能PMSM伺服系统的一个主要“突破口”。 参考文献 [1] 李烨，严欣平. 永磁同步电动机伺服系统研究现状及应用前景.　微电机，2001，34(4):　30-33 [2] 秦忆. 现代交流伺服系统. 武汉: 华中理工大学出版社，1995 [3] 唐任远. 现代永磁电机理论与设计. 北京: 机械工业出版社，1997 [4] Yu, Z., Mohammed, A., Panahi, I. 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文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/13/2005)