1简介

伺服驱动控制，主要针对交流伺服驱动系统。伺服驱动是一门包含着丰富内容的综合性技术。它的发展离不开电力电子技术、大功率驱动技术、电机制造技术、计算机控制技术和控制理论学科的发展。伴随各项技术的发展和完善，伺服驱动控制的研究也在不断深入，其应用领域日益广泛。

随着交流伺服驱动系统在工业、军事、宇航等各种领域的广泛应用，相应的研究工作也再不断深入。分析*交流伺服驱动产品的功能设置和结构设计，研究其控制策略，对于在工程实际中，充分应用其功能，或者自主研制交流伺服驱动产品，都是非常有意义的。

2交流伺服驱动系统

自二十世界七十年代以来，随着电力电子技术、大功率驱动技术、电机制造技术、计算机控制技术和控制理论学科的发展，高速、高集成度、低成本的微处理器问世及商品化，全数字化的交流伺服系统进入全面发展的阶段。目前，在交流伺服驱动系统中，普遍应用的交流伺服电动机有两大类。一类称为无刷直流电动机（The Brushless DC Motor，简称 BLDCM），另一类称为永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称 PMSM）。在高性能伺服领域，由于永磁交流伺服系统在转矩/惯量比、单位电流转矩、功率密度、转矩波动、调速范围、损耗、热容量和效率等方面都具有明显的优势，因此，在实际系统中得到了广泛的应用。

3主要控制技术

在高精度伺服系统中,研究各种控制方法的终目的是为了提高定位精度、减小位置跟随误差。针对进给机构中各个环节中影响加工精度的各种因素,如电气传动环节中的谐波问题,磁链、电阻等参数时变问题,机械传动环节中的摩擦问题,负载扰动等问题,国内外学者进行了大量的研究。

单片机控制

对于采用单片机来实现对电机的控制,需要配置大量的外围数字集成电路来进行各种逻辑控制和扩展口或存储器来存储大量的数据同时也需要花大量时间选择相应的大量元器件,故基于单片机的数字交流伺服控制存在可靠性程度不高的缺点此外,基于单片机程序软件的伺服控制,学习难度大、速度慢、开发周期长,己越来越很难适应现代复杂高性能伺服控制的要求以及不断快速更新的需要同时,在实时性和精度要求高、处理的数据量大的应用中,如采用矢量控制的交流伺服控制,用单片机来作为电机控制器实现的难度比较大。因此越来越多的交流伺服控制研究开发人员逐渐选用DSP芯片作为控制器实现。

DSP控制

与单片机相比,DSP芯片采用改进的哈佛结构,具有独立的程序与数据空间,允许同时存取程序和数据。内置的高速硬件乘法器,增强的多级流水线,使芯片具有高速的数据运算能力,单指令执行时间比单片机执行所需时间快一倍,可以实现基于复杂算法的伺服控制芯片取代单片机实现交流伺服控制减少外接元器件的数量,提高伺服控制系统的可靠性。

可编程单芯片电机控制器

随着微电子芯片技术的发展,出现了可编程单芯片电机控制器的一设计方法。采用这种方法将伺服控制系统的控制功能和通信监控等功能集成到一块芯片上,简化系统复杂的构成结构,提高系统的可靠性和运行处理的快速实时性,是交流伺服控制未来的发展趋势之一。

4控制策略

矢量控制

矢量控制理论的提出从根本上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。基本思想就是利用电动机外部的控制系统，对定子磁动势相对励磁磁动势的空间角度（也就是定子电流空间矢量的相位）和定子电流幅值进行控制，从而在三相永磁同步动机上模拟直流电机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将定子电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量di 和产生转矩的转矩电流分量qi ,并使两分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样实现的转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机相似了。因此，矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位置的控制。由于定子侧的各物理量（电压，电流，电动势，磁动势）都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，因此，需要借助于坐标变换，使各物理量从静止坐标系变换到同步旋转坐标系，在同步旋转坐标系上，各物理量都变成直流量，根据转矩与定子电流矢量各分量的关系，计算转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，实际上不存在，还必须经过坐标逆变换，从旋转坐标系回到静止坐标系，把所需的直流给定量变换成交流给定量。

SVPWM的实现

交流伺服系统通常采用空间电压矢量脉宽调制SVPWM控制方式。普通的运动系统中,逆变器是根据控制信号将直流电转换成电压、频率可调的正弦功率变换装置。在高性能的运动系统中,需要考虑逆变机制的影响,包括由于脉冲调制产生的谐波和波形畸变。SVPWM把逆变器和电动机视为一体,按照跟踪圆形磁场来控制电压,从而能取得更好的控制效果。在基于SVPWM的数字化矢量控制系统中,载波频率可以通过设置中断周期控制,而脉宽指令的产生却和电动机运行速度、系统载波频率、母线电压等因素有关。

5发展趋势

伺服电机自身是具有一定的非线性、强耦合性及时变性的系统，同时伺服对象也存在较强的不确定性和非线性，加之系统运行时受到不同程度的干扰，因此按常规控制策略很难满足高性能伺服系统的控制要求，基于常规控制理论设计的电机控制系统存在缺陷和不足。传统控制器的设计通常需要被控对象有非常的数学模型，而永磁电机是一个非线性多变量系统，难以的确定其数学模型，按照近似模型得到的优控制在实际上往往不能保证优，受建模动态，非线性及其他一些不可预见参数变化的影响，有时甚至会引起控制品质严重下降，鲁棒性得不到保证。为此，如何结合控制理论新的发展，引进一些*的复合型控制策略以改进控制器性能是当前发展高性能交流伺服系统的一个主要突破口。由于高性能的微处理器应用于交流伺服系统，在控制上由通常所采用的 PID 控制规律，开始转向现代控制理论，自适应控制、人工智能、模糊控制、变结构控制、神经元网络等新成果开始应用于交流伺服驱动控制方面。