交流伺服电机的控制研究

交流伺服电机的控制研究

求浙文 ,叶笼汉

宁波财经学院  浙江 宁波

摘  要：随着科学技术的不断发展和计算机技术的不断进步，以及现代控制理论的不断创新，交流伺服系统作为现代主力驱动设备，在机器人、数控机床和航空航天等领域发挥着越来越重要的作用，是现代化工业生产不可或缺的一部分。因此对于电机控制的要求也越来越严格和多样。本文以交流伺服电机的控制为题，简单介绍几种电机控制的方法。

关键词：交流伺服电机；矢量控制；永磁同步电机；直接转矩控制

0  前言

交流伺服电机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上;另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机[1]。

20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。

1  交流伺服系统的现状与发展方向

1.1 交流伺服控制系统的现状

伺服控制系统虽然应用已久，大量应用于结构简单的直流电机，在结构复杂的交流电机应用中还无法达到人们理想的效果，使得应用受到限制。由于直流电机控制简单，长期应用于各种领域。直到年，德国西门子工程师提出了矢量控制方法，将交流电机解耦后再控制，使交流电机能够和直流电机的控制性能有极高的相似之处，解决了长期阻碍交流电机发展的控制问题。交流电机冰开始广泛在伺服控制领域应用起来，未来必将取代直流电机，在伺服控制领域中占主导地位。

由于各项相关技术理论的进一步完善，应用不断深入，验证了交流伺服系统的稳定性。发达国家的电器公司在伺服控制领域，直流电机已经由交流电机完全代替。目前，虽然交流伺服控制在国外的应用与发展都获得了巨大的成功与发展，但在我国由于交流伺服控制系统研究和应用起步较晚，距离发达国家还有很大的差距。由于工业制造业对交流伺服电机的需求使交流伺服控制器的研究逐年变热。目前，国家高度重视交流伺服控制的发展前景，已将其加入专项计划，投入大量资金用来提高交流伺服系统的研发与应用。根据已有的研究结果，可以推断出交流伺服电机控制系统的发展趋势，由此得出以下结论：

（1）直流伺服开始由交流伺服取代

在发达国家，交流伺服电机比重高于，但目前在国内比重仍然较低，随着交流伺服技术提高，交流伺服电机迟早会取代直流伺服电机以满是高精度工业要求。

（2）实现数字化控制

交流伺服系统的关键部分是交流伺服控制器，需要其能够快速完成一些复杂的算法，控制器性能的优劣直接影响系统的各项指标。随着科技的进步，集成芯片运算处理速度日益加快，如有强大的数字信号处理能力，能够对先进的控制算法进行快速处理。

（3）智能化

智能化是未来的趋势，要求系统能够实时的储存系统中的各个参数，而且能够根据外部变化做出相应的调整，使系统回归稳定的运行状态，得到人们期望的稳定性，当系统出现问题时，能够显示故障的原因和类型。在许多情况下，我们无法轻易的获得精确的数学模型，因此难以设定初始参数，但智能控制可以利用智能算法的优越性，反复多次运算寻找最优值，降低了设计开发的难度。

1.2 交流伺服系统的结构

图1.1三环控制系统结构

如图1.1所示，交流伺服的控制系统主要由交流伺服电机、检测元件、功率驱动变换器以及三个控制环组成。

交流伺服系统通常采取位置环、速度环、电流环组成的三闭坏的控制结构。位置环为外环，用于保证稳态精度和动态的跟踪能力，反馈影响系统的精度与追踪能力，在实际应用中使用较少。速度环和电流环纽成双闭环控制系统称之为内环。速度环是伺服系统中极为重要的环节，速度控制具有高精度和快速的反应特性，其实质就是速度脉动率小，频率响应快，调速范围宽。它的输入为位置环ＰＩＤ的输出[2]。

位置环和速度环的实质是慢回路，而电流环实质是快回路，也是最重要的－－环。它是提高控制精度和响应速度的关键。速度环能提高系统的魯棒性，防止速度大范围波动。为了生产实践的安全，要求控制电枢电流值不能过高。电流环的中心思想是：将给定的电流与经过逆变器的输出电流作比较，通过比较的结果改变逆变器的幵关状态，使电流偏差在－个小范围内。由于本文采用的矢量控制方式，故需要将三相旋转电流经过坐标变换为两相旋转电流作为电流环的输入量。

1.3交流伺服系统的控制策略

交流伺服电机主要控制策略有：矢量控制、直接转矩控制和智能控制等。

1.3.1矢量控制

矢量控制的原理为：将定子电流分解为转矩分量和励磁分量，两个分量之间相互正交，通过使定子电流与转子磁通相解稱，分别对其进行独立控制。；

应用矢量控制策略的优点是调速范围很宽、动态性能好、结构相对简单且转矩易控制，对于性能要求较高的场合能充分发挥其优越性，非常适用于交流屯机。使交流电机的动态性能堪比直流电机。

1.3.2直接转矩控制

直接转矩控制策略（ＤＴＣ）是继矢量控制策略之后发展获得的一种新的变频调速方法，该方法一经发现就得到了广泛的关注。其与矢量控制的区别在于直接转矩技术摒弃了矢量控制的解耦思想，省去了复杂的电机模型推导。直接将定子磁链和电磁转矩作为被控对象，省去了对复杂坐标的变换。因为直接转矩只将定子的参数作为被控对象，从而受电机参数的影响较小，克服了矢量控制计算量大，容易受到电机参数影响等缺点。

1.3.3智能控制

智能控制是指控制器具有智能算法，能够通过算法快速达到预定目标，可以在无人为干预的情况下处理外界的干扰。智能控制与传统的控制方式有密切的关系，常规控制包含于智能控制中。传统的控制方式对模型的要求较高，如理非线性的能力也较弱。而智能控制对模型要求较低，即使对被控对象的模型知之甚少，或者结构和参数大幅度改变，智能控制依旧可以很好的完成人们的期望，而对于传统控制來说很难解决。智能控制继承了人的思维方式，在复杂的情况下做出正确的选择由于智能控制突出的优越性。随着数学算法的不断进步，出现了基于模糊算法、蚁群算法、遗传算法、神经网络等算法的智能控制。目前，智能控制学科是发展最为迅速的学科，被许多国家认为是在２１世纪提高国家竞争力的核心技术。但智能控制也有缺点：控制精度较低，依赖操作人员的控制经验，系统的控制策略较复杂[3]。

参考文献：

[1]乔木, 刘品宽. 永磁电机空间矢量脉宽调制技术及其死区时间补偿的仿真[J]. 机电一体化, 2018(2):6.

[2]刘军, 楚小刚, 白华煜. 基于参考磁链电压空间矢量调制策略的永磁同步电机直接转矩控制研究[J]. 电工技术学报, 2005, 20(6):5.

[3]张智远. 基于直接转矩控制的永磁同步电机控制系统改进策略研究[D]. 大连海事大学, 2016.