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1簡(jiǎn)介

伺服驅(qū)動(dòng)控制，主要針對(duì)交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。伺服驅(qū)動(dòng)是一門包含著豐富內(nèi)容的綜合性技術(shù)。它的發(fā)展離不開電力電子技術(shù)、大功率驅(qū)動(dòng)技術(shù)、電機(jī)制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和控制理論學(xué)科的發(fā)展。伴隨各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和完善，伺服驅(qū)動(dòng)控制的研究也在不斷深入，其應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。

隨著交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在工業(yè)、軍事、宇航等各種領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，相應(yīng)的研究工作也再不斷深入。分析*交流伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的功能設(shè)置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究其控制策略，對(duì)于在工程實(shí)際中，充分應(yīng)用其功能，或者自主研制交流伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，都是非常有意義的。

2交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

自二十世界七十年代以來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、大功率驅(qū)動(dòng)技術(shù)、電機(jī)制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和控制理論學(xué)科的發(fā)展，高速、高集成度、低成本的微處理器問(wèn)世及商品化，全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)進(jìn)入全面發(fā)展的階段。目前，在交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，普遍應(yīng)用的交流伺服電動(dòng)機(jī)有兩大類。一類稱為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)（The Brushless DC Motor，簡(jiǎn)稱 BLDCM），另一類稱為永磁同步電動(dòng)機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，簡(jiǎn)稱 PMSM）。在高性能伺服領(lǐng)域，由于永磁交流伺服系統(tǒng)在轉(zhuǎn)矩/慣量比、單位電流轉(zhuǎn)矩、功率密度、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、調(diào)速范圍、損耗、熱容量和效率等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此，在實(shí)際系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

3主要控制技術(shù)

在高精度伺服系統(tǒng)中,研究各種控制方法的終目的是為了提高定位精度、減小位置跟隨誤差。針對(duì)進(jìn)給機(jī)構(gòu)中各個(gè)環(huán)節(jié)中影響加工精度的各種因素,如電氣傳動(dòng)環(huán)節(jié)中的諧波問(wèn)題,磁鏈、電阻等參數(shù)時(shí)變問(wèn)題,機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)中的摩擦問(wèn)題,負(fù)載擾動(dòng)等問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。

單片機(jī)控制

對(duì)于采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制,需要配置大量的外圍數(shù)字集成電路來(lái)進(jìn)行各種邏輯控制和擴(kuò)展口或存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)同時(shí)也需要花大量時(shí)間選擇相應(yīng)的大量元器件,故基于單片機(jī)的數(shù)字交流伺服控制存在可靠性程度不高的缺點(diǎn)此外,基于單片機(jī)程序軟件的伺服控制,學(xué)習(xí)難度大、速度慢、開發(fā)周期長(zhǎng),己越來(lái)越很難適應(yīng)現(xiàn)代復(fù)雜高性能伺服控制的要求以及不斷快速更新的需要同時(shí),在實(shí)時(shí)性和精度要求高、處理的數(shù)據(jù)量大的應(yīng)用中,如采用矢量控制的交流伺服控制,用單片機(jī)來(lái)作為電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)的難度比較大。因此越來(lái)越多的交流伺服控制研究開發(fā)人員逐漸選用DSP芯片作為控制器實(shí)現(xiàn)。

DSP控制

與單片機(jī)相比,DSP芯片采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu),具有獨(dú)立的程序與數(shù)據(jù)空間,允許同時(shí)存取程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)置的高速硬件乘法器,增強(qiáng)的多級(jí)流水線,使芯片具有高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力,單指令執(zhí)行時(shí)間比單片機(jī)執(zhí)行所需時(shí)間快一倍,可以實(shí)現(xiàn)基于復(fù)雜算法的伺服控制芯片取代單片機(jī)實(shí)現(xiàn)交流伺服控制減少外接元器件的數(shù)量,提高伺服控制系統(tǒng)的可靠性。

可編程單芯片電機(jī)控制器

隨著微電子芯片技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了可編程單芯片電機(jī)控制器的一設(shè)計(jì)方法。采用這種方法將伺服控制系統(tǒng)的控制功能和通信監(jiān)控等功能集成到一塊芯片上,簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜的構(gòu)成結(jié)構(gòu),提高系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行處理的快速實(shí)時(shí)性,是交流伺服控制未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一。

4控制策略

矢量控制

矢量控制理論的提出從根本上解決了交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的高性能控制問(wèn)題?；舅枷刖褪抢秒妱?dòng)機(jī)外部的控制系統(tǒng)，對(duì)定子磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的空間角度（也就是定子電流空間矢量的相位）和定子電流幅值進(jìn)行控制，從而在三相永磁同步動(dòng)機(jī)上模擬直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)上，將定子電流矢量分解成產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量di 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量qi ,并使兩分量互相垂直，彼此獨(dú)立，然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩控制，從原理和特性上就和直流電動(dòng)機(jī)相似了。因此，矢量控制的關(guān)鍵仍是對(duì)電流矢量的幅值和空間位置的控制。由于定子側(cè)的各物理量（電壓，電流，電動(dòng)勢(shì)，磁動(dòng)勢(shì)）都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此，需要借助于坐標(biāo)變換，使各物理量從靜止坐標(biāo)系變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，各物理量都變成直流量，根據(jù)轉(zhuǎn)矩與定子電流矢量各分量的關(guān)系，計(jì)算轉(zhuǎn)矩控制所需的被控矢量的各分量值。由于各直流量是假想的，實(shí)際上不存在，還必須經(jīng)過(guò)坐標(biāo)逆變換，從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系回到靜止坐標(biāo)系，把所需的直流給定量變換成交流給定量。

SVPWM的實(shí)現(xiàn)

交流伺服系統(tǒng)通常采用空間電壓矢量脈寬調(diào)制SVPWM控制方式。普通的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中,逆變器是根據(jù)控制信號(hào)將直流電轉(zhuǎn)換成電壓、頻率可調(diào)的正弦功率變換裝置。在高性能的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中,需要考慮逆變機(jī)制的影響,包括由于脈沖調(diào)制產(chǎn)生的諧波和波形畸變。SVPWM把逆變器和電動(dòng)機(jī)視為一體,按照跟蹤圓形磁場(chǎng)來(lái)控制電壓,從而能取得更好的控制效果。在基于SVPWM的數(shù)字化矢量控制系統(tǒng)中,載波頻率可以通過(guò)設(shè)置中斷周期控制,而脈寬指令的產(chǎn)生卻和電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度、系統(tǒng)載波頻率、母線電壓等因素有關(guān)。

5發(fā)展趨勢(shì)

伺服電機(jī)自身是具有一定的非線性、強(qiáng)耦合性及時(shí)變性的系統(tǒng)，同時(shí)伺服對(duì)象也存在較強(qiáng)的不確定性和非線性，加之系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)受到不同程度的干擾，因此按常規(guī)控制策略很難滿足高性能伺服系統(tǒng)的控制要求，基于常規(guī)控制理論設(shè)計(jì)的電機(jī)控制系統(tǒng)存在缺陷和不足。傳統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)通常需要被控對(duì)象有非常的數(shù)學(xué)模型，而永磁電機(jī)是一個(gè)非線性多變量系統(tǒng)，難以的確定其數(shù)學(xué)模型，按照近似模型得到的優(yōu)控制在實(shí)際上往往不能保證優(yōu)，受建模動(dòng)態(tài)，非線性及其他一些不可預(yù)見參數(shù)變化的影響，有時(shí)甚至?xí)鹂刂破焚|(zhì)嚴(yán)重下降，魯棒性得不到保證。為此，如何結(jié)合控制理論新的發(fā)展，引進(jìn)一些*的復(fù)合型控制策略以改進(jìn)控制器性能是當(dāng)前發(fā)展高性能交流伺服系統(tǒng)的一個(gè)主要突破口。由于高性能的微處理器應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng)，在控制上由通常所采用的 PID 控制規(guī)律，開始轉(zhuǎn)向現(xiàn)代控制理論，自適應(yīng)控制、人工智能、模糊控制、變結(jié)構(gòu)控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等新成果開始應(yīng)用于交流伺服驅(qū)動(dòng)控制方面。