永磁同步電動機伺服系統控制策略

永磁同步電機的PWM調制及死區補償技術、無傳感器控制技術和魯棒控制技術是決定交流伺服系統性能好壞的關鍵技術之一，是國外交流伺服技術封鎖的主要部分。
伴隨著現代工業的快速發展，標志著一個國家工業實力的相應設備如精密機床、工業機器人等對其“驅動源”——電伺服驅動系統提出了越來越高的要求。而基于正弦波反電勢的永磁同步電動機（簡稱PMSM）因其卓越的性能已日漸成為電伺服系統執行電動機的“主流”[1>。隨著現代電力電子技術、微電子技術及計算機技術等支撐技術的快速發展，以永磁同步電動機作為執行機構的交流伺服驅動系統的發展得以極大的邁進。然而伺服控制技術是決定交流伺服系統性能好壞的關鍵技術之一，是國外交流伺服技術封鎖的主要部分。隨著國內交流伺服用電機及驅動器等硬件技術逐步成熟，以軟形式存在于控制芯片中的伺服控制技術成為制約我國高性能交流伺服技術及產品發展的瓶頸。研究具有自主知識產權的高性能交流伺服控制技術，尤其是最具應用前景的永磁同步電動機伺服控制技術，具有重要的理論意義和實用價值。
永磁同步電動機伺服系統基本結構
永磁同步電機伺服系統主要由伺服控制單元、功率驅動單元、通訊接口單元、伺服電動機及相應反饋檢測器件組成，其結構組成如附圖所示。其中伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉矩和電流控制器等。全數字化的永磁同步電機伺服控制系統集先進控制技術和控制策略為一體，使其非常適用于高精度、高性能要求的伺服驅動領域，同時智能化、柔性化也已經成為了現代電伺服驅動系統的一個發展趨勢[2>[3>。
PWM調制技術及死區補償技術發展現狀
PWM調制多采用異步調制方式，分滯環調制、正弦波調制、空間矢量調制（SVPWM）等。TI公司的Zhenyu Yu等人分析了各種PWM調制方式基于DSP的數字實現技術[4>。滯環調制實現簡單，但波形諧波大，性能較差。正弦PWM調制的信號波為正弦波，其脈沖寬度是由正弦波和三角載波相交而成，為自然采樣，數字實現中變化出多種規則采樣方法。有的文獻中根據電機特點，在正弦波中疊加高次諧波，以抑制某些次諧波，達到優化電流波形的目的。80年代Broeck博士提出了一種新的脈寬調制方法--空間矢量PWM調制，將空間矢量引入到脈寬調制中[5>。它具有線性范圍寬，高次諧波少，易于數字實現等優點，在新型的驅動器中得到了普遍應用。文獻[6>分析了三相交流電機空間矢量脈寬調制的原理，探討了采用空間矢量脈寬調制三相橋式電壓型逆變器的電壓輸出能力。文獻[7>將SVPWM和基于載波的SPWM進行了比較分析，指出了SVPWM和疊加了三次諧波的SPWM之間的聯系。零序矢量放置的不同可以導致不同的SVPWM調制方式，每個PWM周期只插入一個零序矢量可減少1/3的開關次數，即可實現最小開關損耗SVPWM調制[8>。
IGBT等器件的死區是逆變器的非線性原因之一，會導致電流波形畸變，使控制性能變差[9>。針對死區的各種補償技術的研究很多。文獻[10>分析了死區對電流波形的影響，并給出了兩種補償電路。文獻[11>分析了通常的電流反饋補償和電壓反饋補償，提出了一種基于dq旋轉坐標軸的前饋補償方案，其校正不被逆變器輸出的電壓幅值和電流畸變影響，很好的補償了逆變器輸出電壓的畸變。文獻[12>分析了死區的作用，只在電流過零時給出一段死區，可以減小死區產生的畸變。文獻[13>采用延時控制，在線實時估計死區引起的干擾電壓，反饋給參考電壓以補償其影響。在感應電機的SVPWM調制方式控制中，文獻[14>對定子電流進行預測，計算死區的影響，提出了預測補償的算法。文獻[15>通過仿真分析了逆變器死區的特性，建立死區的數學模型和整個系統的非線性模型，采用自適應變結構控制策略消除逆變死區的影響。不需要測量死區的參數 具有較強的魯棒性 可使系統全局穩定并且達到準確的位置跟蹤。
無傳感器控制技術發展現狀
無傳感器控制技術是近些年來在永磁交流電機驅動技術中最為活躍的一個領域。因為用于確定轉子位置的傳感器的成本幾乎可以占到整個控制器成本的三分之一，傳感器的軸向長度也幾乎是永磁電機軸向長度的三分之一。因此，借助于一些先進的控制算法在無位置傳感器的情況下，只提取電流或電壓信號，借以估計轉子位置，實現電機自同步運行的方案引起了研究者的極大興趣。這種設想對直流無刷電機尤為適用，因為它只需要每60°電角度提供一個換相信號。這一要求完全可以通過檢測三相繞組中未通電相的反電勢信號給出換相信號。 文獻[16>～[18>提出了一系列用以實現這一意圖的算法。通過檢測反電勢確定換相時間和順序，從而取消了原有的霍爾傳感器。文獻[18>中的算法已經成功的被應用到集成電路中，成為一種商業化的產品。
在永磁同步電機驅動系統中去掉位置傳感器更具有挑戰性，因為電機的三相始終通電，沒有反電勢信號可以利用，而且需要的位置信息也不僅僅局限于直流無刷電機的六個換向點。這樣就需要設計更為復雜的觀測器，利用測量的相電壓和相電流來估計準確的位置信息[19>-[21>。文獻[19>通過建立磁鏈方程設計了磁鏈觀測器。 文獻[20>和[21>利用了諧波無功功率中所包含的位置信息。凸極的永磁同步電機比非凸極的永磁同步電機在利用無傳感器技術上更有優勢[22>-[26>，這是因為凸極電機的電感隨著轉子的旋轉呈正弦變化，可以利用這一特性檢測低速下的轉子位置。
同樣出于降低成本的考慮，在永磁同步電機驅動系統中減少電流傳感器也受到關注。例如，文獻[27>中給出了一種方法，利用適當的方法只需1個電流傳感器檢測母線電流，而不是用3個電流傳感器分別檢測三相電流。對于直流無刷電機的電流檢測，文獻[28>提出了一種利用集成在逆變器中的電流傳感器取代單獨的電流傳感器的方法，該方法還可以減小電機換相時的過流現象。
PMSM魯棒控制發展現狀
應用于永磁同步電機的各種魯棒控制方法同樣引起了研究者的較大興趣。這是因為傳統的PID控制很可能在電機負載或電機參數發生變化時使控制系統動態特性變壞。而這種電機負載或電機參數的變化卻是不可避免的。這樣就需要設計一種具有魯棒性的控制器來抑制參數變化對控制性能的影響。為迎合這種需求，文獻[29>提出了滑模變結構的控制方案，文獻[30>和[31>則提出了自適應控制策略來設計永磁同步電機的位置和速度控制器。模糊控制策略作為一種令人樂觀的替代PID控制的方法也被引入永磁同步電機控制器，以提高永磁同步電機在面對負載轉矩變化時的魯棒性[32>。文獻[33>提出了一種用于永磁同步電機位置控制的魯棒控制器，用來提高系統的穩定性，增強其抗擾性能。
另外，利用空間矢量調制技術，文獻[34>和[35>提出了比較復雜的電流控制策略應用于永磁同步電機電流控制。這些先進的電流控制器引入預測控制的方法，并給出了全數字控制方案，以此來提高電流環的特性。神經網絡的方法也被作為一種實現自學習電流控制[36>和最優逆變控制[37>的手段引入永磁同步電機控制器。
各種轉矩和速度觀測器也被用于永磁同步電機魯棒控制系統設計當中，文獻[38>設計了一種僅利用速度信息的轉矩觀測器，但速度信息都是從位置傳感器間接得來的，通過單位采樣時間轉過的脈沖數計算得來的速度信息會給系統引入延遲和噪聲[39>。因為在低速下這種延遲和噪聲現象尤為明顯，文獻[38>提出的觀測器無法在較寬的調速范圍內使用。 Lorenz在文獻[40>中詳細說明了將線性觀測器用于瞬時速度估計的方法。
結束語
縱觀永磁同步電動機伺服系統的研究現狀，國內外學者從不同角度著手進行了大量的研究和實踐，并取得了較為豐富的成果; 尤其是近年來圍繞提高其伺服控制的性能、降低成本在系統控制策略上作了大膽的探索和研究，提出了一些新的思路，采用了一些具有智能性的先進控制策略并取得了一些具有實用性意義的成果。但是永磁同步電動機自身就是具有一定非線性、強耦合性及時變性的“系統”，同時其伺服對象也存在較強的不確定性和非線性，加之系統運行時還受到不同程度的干擾，因此按常規控制策略是很難滿足高性能永磁同步電動機伺服系統的控制要求。為此，如何結合控制理論新的發展，引進一些先進的“復合型控制策略”以改進作為永磁同步電動機伺服系統核心組成部件的“控制器”性能，來彌補系統中以“硬形式”存在的“硬約束”，理應是當前發展高性能PMSM伺服系統的一個主要“突破口”。