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　　【摘要】文章從交流伺服系統的基本結構入手，簡單介紹各單元的基本功能，并對永磁同步電機調速系統(PMSM)和無刷直流電機調速系統(BLDCM)進行了分析比較，最后介紹了永磁同步伺服系統的國內外發展現狀。

　　【關鍵詞】中國機械,伺服系統,永磁同步電機,直流無刷電機

　　一、概述

　　從70年代后期到80年代初期，隨著微處理技術，大功率高性能半導體功率器件技術和電機永磁材料制造工藝的發展，其性能價格比的日益提高，交流伺服技術-交流伺服電機和交流伺服控制系統逐漸成為主導產品。目前，高性能的伺服系統大多采用永磁同步型交流伺服電機，永磁同步電機交流伺服系統在技術上已趨于完全成熟，具備了十分優良的低速性能并可實現弱磁高速控制，能快速、準確定位的控制驅動器組成的全數字位置伺服系統。并且隨著永磁材料性能的大幅度提高和價格的降低，特別是釹鐵硼永磁的熱穩定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低以及電力電子器件的進一步發展，加上永磁電機研究開發經驗的逐步成熟，經大力推廣和應用已有研究成果，其在工業生產領域中的領域也越來越廣泛，正向大功率化(高轉速、高轉矩)、高功能化和微型化方面發展。

　　二、永磁同步電機伺服系統的基本結構

　　永磁同步電機伺服系統除電機外，系統主要包括驅動單元、位置控制系統、速度控制器、轉矩和電流控制器、位置反饋單元、電流反饋單元、通訊接口單元等。

　　1.永磁式交流同步伺服電機。永磁同步電機永磁式同步電機具有結構簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高的特點。和直流電機相比，它沒有直流電機的換向器和電刷等需要更多維護給應用帶來不便的缺點。相對異步電動機而言則比較簡單，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉子參數可測、控制性能好，但存在最大轉矩受永磁體去磁約束，抗震能力差，高轉速受限制，功率較小，成本高和起動困難等缺點。與普通同步電動機相比，它省去了勵磁裝置，簡化了結構，提高了效率。永磁同步電機矢量控制系統能夠實現高精度、高動態性能、大范圍的調速或定位控制，因此永磁同步電機矢量控制系統引起了國內外學者的廣泛關注。

　　2.驅動單元。驅動單元采用三相全橋自控整流，三相正弦PWM電壓型逆變器變頻的AC-DC-AC結構。設有軟啟動電路和能耗泄放電路可避免上電時出現過大的瞬時電流以及電機制動時產生很高的泵升電壓。逆變部分采用集驅動電路，保護電路和功率開關于一體的智能功率模塊(IPM)。

　　3.控制單元。控制單元是整個交流伺服系統的核心, 實現系統位置控制、速度控制、轉矩和電流控制器。具有快速的數據處理能力的數字信號處理器(DSP)被廣泛應用于交流伺服系統，集成了豐富的用于電機控制的專用集成電路，如A/D轉換器、PWM發生器、定時計數器電路、異步通訊電路、CAN總線收發器以及高速的可編程靜態RAM和大容量的程序存儲器等。

　　4.位置控制系統。對于不同的信號，位置控制系統所表現出的特性是不同的。典型的輸入信號有三種形式:位置輸入(位置階躍輸入)、速度輸入(斜坡輸入)以及加速度輸入(拋物線輸入)。位置傳感器一般采用高分辨率的旋轉變壓器、光電編碼器、磁編碼器等元件。旋轉變壓器輸出兩相正交波形，能輸出轉子的絕對位置，但其解碼電路復雜，價格昂貴。磁編碼器是實現數字反饋控制性價比較高的器件，還可以依靠磁極變化檢測位置，目前正處于研究階段，其分辨率較低。

　　5.接口通訊單元。接口包括鍵盤/顯示、控制I/O接口、串行通信等。伺服單元內部及對外的I/O接口電路中，有許多數字信號需要隔離。這些數字信號代表的信息不同，更新速度也不同。

　　三、對當前兩種不同的永磁同步電機伺服系統的分析

　　由于轉子磁鋼的幾何形狀不同，當轉子旋轉時，在定子上產生的反電動勢波形就有兩種：一種為正弦波;另一種為梯形波。這樣就造成同步電動機在原理、模型及控制方法上有所不同，為了區別由它們組成的永磁同步電動機交流調速系統，習慣上又把正弦波永磁同步電動機組成的調速系統稱為正弦型永磁同步電動機(PMSM)調速系統;而由梯形波(方波)永磁同步電動機組成的調速系統，在原理和控制方法上與直流電動機系統類似，故稱這種系統為無刷直流電動機(BLDCM)調速系統。

　　PMSM不需要勵磁電流，在逆變器供電的情況下不需要阻尼繞組，效率和功率因素都比較高，體積也較同容量的異步機小。PMSM通常采用矢量控制和直接轉矩兩種控制方式。矢量控制借助與坐標變換，將實際的三相電流變換成等效的力矩電流分量和勵磁電流分量，以實現電機的解耦控制，控制概念明確;而直接轉矩控制技術采用定子磁場定向，借助于離散的兩點是調節，直接對逆變器的開關狀態進行最佳控制，以獲得轉矩的高動態性能，其控制簡單，轉矩響應迅速。PMSM的矢量控制系統能夠實現高精度、高動態性能、大范圍的速度和位置控制，但是它的傳感器則給調速系統帶來了諸如成本較高、抗干擾性和可靠性不強、電動機的軸向尺寸較長等缺陷。另外，PMSM轉子磁路結構不同，則電動機的運行特性、控制系統等也不同。根據永磁體在轉子上的位置的不同，永磁同步電動機主要可分為：表面式和內置式。在表面式永磁同步電動機中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉子鐵心的外表面上，這種電機的重要特點是直、交軸的主電感相等;而內置式永磁同步電機的永磁體位于轉子內部，永磁體外表面與定子鐵心內圓之間有鐵磁物質制成的極靴，可以保護永磁體。這種永磁電機的重要特點是直、交軸的主電感不相等。

　　BLDCM組成的伺服系統具有轉速平滑，響應快，易于控制等特點，但若按照常規的控制方法，其轉速直接與電壓相關，易受電源波動和負載波動的影響。BLDCM類似于PMSM轉子上也有永磁磁極，定子電樞需要交變電流以產生恒定轉矩，其主要區別是前者的反電勢為梯形波，而后者的反電勢為正弦波。但由于電磁慣性，BLDCM的定子電流實際上為梯形波，而無法產生方波電流，并由集中繞組供電，所以BLDCM較PMSM脈動力矩大。在高精度伺服驅動中，PMSM有較大競爭力。另一方面，PMSM單位電流產生的力矩較BLDCM單位電流產生的力矩小。在驅動同容量的電動機時，PMSM所需逆變器容量大并且需要控制電流為正弦波，開關損耗也大很多。

　　PMSM的交軸電抗和直軸電抗隨電機磁路飽和等因素而變化，從而影響輸出力矩的磁阻力矩分量。PMSM對參數的變化較BLDCM敏感，但當PMSM工作于電流控制方式時，磁阻轉矩很小，其矢量控制系統對參數變化的敏感性與BLDCM基本相同。當電機轉速較高，無刷直流電機反電勢與直流母線電壓相同時，反電勢限制了定子電流。而永磁同步電機能夠采用弱磁控制，因此具有較大的調速范圍。

　　四、永磁同步電機伺服系統的國內外發展現狀

　　早期對永磁同步電機的研究主要為固定頻率供電的永磁同步電機運行特性的研究，特別是穩態特性和直接起動性能的研究。V.B.Honsinger和M.A.Rahman等人對永磁同步電機的直接起動方面做了大量的研究工作。在上個世紀八十年代國外開始對逆變器供電的永磁同步電機進行了深入的研究，其供電的永磁同步電機與直接起動的永磁同步電機的結構基本相同，但多數情況下無阻尼繞組。并在該時期發表了大量的有關永磁同步電機數學模型、穩態特性、動態特性的研究論文。A.V.Gumaste等研究了電壓型逆變器供電的永磁同步電動機穩態特性及電流型逆變器供電的永磁同步電動機穩態特性。

　　隨著對永磁同步電機調速系統性能要求的不斷提高，G.R.Slemon等人針對調速系統快速動態性能和高效率的要求，提出了現代永磁同步電機的設計方法。可設計出高效率、高力矩慣量比、高能量密度的永磁同步電機。

　　近年來微型計算機技術的發展，永磁同步電動機矢量控制系統的全數字控制也取得了很大的發展。D.Naunin等研制了一種永磁同步電動機矢量控制系統，采用了十六位單片機8097作為控制計算機，實現了高精度、高動態響應的全數字控制。八十年代末，九十年代初B.K.Bose等發表了大量關于永磁同步電動機矢量控制系統全數字控制的論文。

　　九十年代初期，R.B.Sepe首次在轉速控制器中采用自校正控制。早期自適應控制主要應用于直流電機調速系統。劉天華等也將魯棒控制理論應用于永磁同步電機伺服驅動。自適應控制技術能夠改善控制對象和運行條件發生變化時控制系統的性能，N.Matsui，J.H.Lang等人將自適應控制技術應用于永磁同步電機調速系統。仿真和實驗結果表明，自適應控制技術能夠使調速系統在電機參數發生變化時保持良好的性能。滑模變結構控制 由于其特殊的“切換”控制方式與電機調速系統中逆變器的“開關”模式相似，并且具有良好的魯棒控制特性，因此，在電機控制領域有廣闊的應用前景。

　　隨著人工智能技術的發展，智能控制已成為現代控制領域中的一個重要分支，電氣傳動控制系統中運用智能控制技術也已成為目前電氣傳動控制的主要發展方向，并且將帶來電氣傳動技術的新紀元。目前，實現智能控制的有效途徑有三條：基于人工智能的專家系統(ExpertSystem);基于模糊集合理論(FuzzyLogic)的模糊控制;基于人工神經網絡(ArtificialNeuralNetwork)的神經控制。B.K.Bose等人從八十年代后期一直致力于人工智能技術在電氣傳動領域的應用，并取得了可喜的研究成果。

　　【參考文獻】

　　[1]林正，鐘德剛，陳永校，等.同步型永磁交流伺服系統控制技術評述[J].微電機，2005，(38).

　　[2]高性能交流永磁同步電機伺服系統現狀[J].自動化控制系統，2007.

　　[3]劉嘉亮.交流永磁同步電動機伺服系統[J].

　　[4]劉亮喜.無刷直流電動機原理及其應用[J].技術培訓資料，2000，(10).

　　[5]李可，米婕，等.基于DSP的永磁同步電機的控制[J].河南紡織高等專科學校學報，2007，(4).