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全数字交流伺服系统及其控制策略综述

  全数字交流伺服系统及其控制策略综述


转载自: 轻松数控网 [http://www.cnctechnet.com/]

       本文对交流伺服系统及其控制策略进行了较为全面的综述和比较,力图反映其在近些年的最新研究进展。

引言

    永磁交流伺服技术是研制开发各种先进的机电一体化设备,如工业机器人、数控机床、加工中心等的关键性技术,目前高性能数控机床和工业机器人所采用的电机伺服系统仍然主要依靠进口,这种现状限制了我国高科技产业的发展。因此,通过借鉴国外研究工作的先进经验,从高起点出发,尽早研制出具有当今国际水平的高性能、实用化的交流伺服系统,对于促进我国航空、航天、国防及工业自动化等领域的发展,跟踪和赶上世界先进水平均有重要意义。

    随着电力电子学、微电子学、传感技术、永磁技术和控制理论的惊人发展,尤其是先进控制策略的成功应用,交流伺服系统的研究和应用,自上世纪80年代末以来的短短二十几年间,取得了举世瞩目的发展,已具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能,其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美,多年来的“交流伺服取代直流伺服”这一愿望正逐渐变为现实。可以预见,交流伺服系统的研究将继续成为电气传动领域的一个研究热点,并将带动相关产业的迅猛发展,因此有必要对交流伺服系统及其先进控制策略的发展有一个全面了解。本文正是基于此目的,对交流伺服系统及其控制策略进行了较为全面的综述和比较,力图反映其在近些年的最新研究进展。
    伺服系统发展阶段

    伺服系统的发展紧密地与伺服电动机的不同发展阶段相联系,伺服电动机至今已有五十多年的发展历史,经历了三个主要发展阶段:

    第一发展阶段(20世纪60年代以前),此阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马达或以功率步进电机直接驱动为中心的时代,伺服系统的位置控制为开环系统。

    第二个发展阶段(20世纪60-70年代),这一阶段是直流伺服电动机的诞生和全盛发展的时代,由于直流电动机具有优良的调速性能,很多高性能驱动装置采用了直流电动机,伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。

    第三个发展阶段(20世纪80年代至今),这一阶段是以机电一体化时代作为背景的,由于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展,出现了无刷直流伺服电动机(方波驱动),交流伺服电动机(正弦波驱动)等种种新型电动机。

    进入20世纪80年代后,因为微电子技术的快速发展,电路的集成度越来越高,对伺服系统产生了很重要的影响,交流伺服系统的控制方式迅速向微机控制方向发展,并由硬件伺服转向软件伺服,智能化的软件伺服将成为伺服控制的一个发展趋势。伺服系统控制器的实现方式在数字控制中也在由硬件方式向着软件方式发展;在软件方式中也是从伺服系统的外环向内环、进而向接近电动机环路的更深层发展。

    伺服系统的控制策略

    在一些动态性能要求不高的场所,由于开环变压变频控制方式控制规律简单,至今仍在一般调速度系统中普遍应用。

    · 恒压频比控制

    恒压频比控制方式是一种开环控制,它根据系统的给定,利用空间矢量脉宽调制转化为期望的输出Uout进行控制,使电机以一定的转速运转。但它是依据电机的稳态模型,从而得不到理想的动态控制性能。

    要获得很高的动态性能,必须依据电机的动态数学模型。永磁同步电机的动态数学模型是非线性多变量,它含有角速度ω与电流id或iq的乘积项,因此要得到精确控制性能必须对角速度和电流进行解耦。近年来,研究了各种非线性控制器,来解决永磁同步电机非线性的特性。

    · 矢量控制

    1971年,由德国西门子的F.Blaschke提出的矢量控制理论将交流传动的发展方向向前推进了一大步,使交流电机控制理论获得第一次质的飞跃。其基本原理为:以转子磁链的旋转空间矢量为参考坐标,将定子电流分解为相互正交的两个分量,一个与磁链同方向,代表定子电流励磁分量,另一个与磁链方向正交,代表定子电流转矩分量,然后分别对其进行独立控制,获得像直流电机一样良好的动态特性。永磁同步电机d-q模型的转矩方程为:

    Te=P[λfiq+(Ld-Lq)idiq]   (1)

    矢量控制实际上是对电动机定子电压或电流矢量的相位和幅值同时进行控制。从式(1)可以看出,当永磁体的励磁磁链和直-交轴电感确定后,电动机的转矩便取决于定子电流空间矢量is=id+jiq。也就是说控制id,iq就可以控制转矩,从而控制转速。但矢量控制方法在实现时要进行复杂的坐标变换,而且对电机的参数依赖性很大,难以保证完全解耦,使控制效果打了折扣。

    · 直接转矩控制

    上世纪80年代,Depenbrock教授提出了异步电机直接转矩控制方法。该方法摒弃了矢量控制的解耦思想,实行定子磁场定向,避免了矢量控制中复杂的坐标变换,定子磁链的估计仅涉及定子电阻,减速弱了对电机参数的依赖性,该控制方法简单,转矩响应快,动态性能好。目前已有一些学者致力于该控制方法应用于永磁同步电机,已取得了很大的发展。在定子上的旋转坐标为x,y;转子的旋转坐标为d,q;它们都互为90度。X轴与d轴的夹角为负载角δ,可以证明在定子磁链幅值|λs|保持恒定的条件下,电磁转矩正比于转子磁链λr及其与λs间夹角δ的正弦。在稳态情况下,δ恒定,对应于相应的转矩,定、转子磁链以同步速度旋转;在动态过程中,δ随负载变化,定、转子磁链瞬时速度会出现差异,以配合δ的变化。因此,可以通过选择合适的电压空间矢量U来保证定子磁链幅值恒定,调节定子磁链的速度和运动方向同时通过调节负载角δ来完成对电磁转矩的控制。

    · 反馈线性化控制

    以上三种控制策略都已经获得成熟的应用,然而它们都只是从物理关系上构成转矩与磁链的近似解耦控制,没有或较少应用控制理论。永磁同步电机从本质上是一个非线性、多变量系统,反馈线性控制是研究非线性控制系统的一种有效方法,它通过非线性状态反馈和非线性变换,实现系统的动态解耦和全局线性化,从而控线性控制理论来设计,以使系统达到预期的性能指标。反馈线性化控制一般分二大类:(1)微分几何反馈线性化方法,它通过微分同胚坐标和一个非线性状态反馈给出解耦结构,需将问题变换到“几何域”,因而方法抽象,不利于工程应用。但它从较高的数学高度考虑问题,在理论上比较容易展开。(2)动态逆控制,它采用非线性逆系统理论来设计控制律,有人也称它为直接反馈线性化方法,该方法物理概念明确,用到数学简单。

    · 反推控制

    1992年,KOKOTOVIC P提出了反推控制,它是一种有效的非线性控制,它主要分以下几步来设计:

    (1) 选取系统的一个状态,构成子系统,构造子系统的Lyapunov函数,设计假定控制函数,使子系统稳定;

    (2) 基于(1)的假定控制,设计误差变量,由误差变量和前面的子系统组成新的子系统,构造新的子系统的Lyapunov函数,再设计假定控制,使新的子系统稳定;

    (3) 如果还没有得到系统的实际控制,则返回(1)继续设计,如果得到系统的实际控制,则向下设计;

    (4) 设计系统的实际控制,保证整个系统稳定。

    反推控制能够实现永磁同步电动机系统的完全解耦,而且设计方法比较简单,能够保证系统稳定。

    · 滑模变结构控制

    滑模变结构控制是变结构控制的一种控制策略,它与常规控制的根本区别在于控制的不连续性,即一种使系统“结构”随时变化的开关特性,它也属于Bang— Bang控制的范畴。其主要特点是,根据被调量的偏差及其导数,有目的地使系统沿着设计好的“滑动模态”的轨迹运动,与被控制对象的参数和扰动无关,因而使系统具有很强的鲁棒性。但它在系统中不可避免地带来“颤抖”问题。

    · 自适应控制

    在以上控制策略中,或多或少由于电机模型参数的变化,使系统控制性能变差。因此,提出了自适应控制,它在系统的运行过程中不断提取有关模型的信息,让控制策略根据新的信息来调整,它是克服参数变化影响的有力手段。现在应用于控制的自适应方法有模型参考自适应、参数辩识自校正控制及其新发展的各种非线性自适应控制。但所有这些方法都存在的问题:一是数学模型和运算繁琐,使控制系统复杂化;二是辩识和校正都需要一个过程,对一些参数变化较快的系统,就会因来不及校正而难以产生很好的效果。随着DSP控制器的出现,高速的运算速度会减少计算慢的不足。

    近年来受到控制界十分重视的智能控制,它能摆脱对控制对象数学模型的依赖,已成为众所瞩目的解决鲁棒性问题的重要方法。目前智能控制在交流伺服系统应用中较为成熟的,当数模糊控制和神经网络控制,而且大多是在模型控制基础上增加一定的智能控制手段,以消除参数变化和扰动的影响。

    · 模糊控制

    其中模糊控制是利用模糊集合来刻画人们日常所使用的概念中的模糊性,使控制器能更逼真地模仿熟练操作人员和专家的控制经验与方法,它包括精确量的模糊化、模糊推理、模糊判决三部分。早期的模糊控制器只是以取代传统PID控制器为目的,鲁棒性虽有所加强,但一般模糊控制器没有积分作用,在伺服系统有负载扰动时会出现静差。而增加了积分效应的模糊控制器,虽相当于变系数PID调节器,可以实现无静差控制,但是单纯地将一个简单的传统模糊控制器用于高精度电机伺服系统,还不能得到令人十分满意的性能。模糊控制系统只有与其他控制方法相结合,才能获得优良的性能。如模糊PID等。

    · 神经网络控制

    神经网络控制在交流伺服中的应用主要有下面几个方面:(1)代替传统的PID控制;(2)由于实际的矢量控制效果对伺服系统参数很敏感,将神经网络用于电机参数的在线辨识、跟踪,并对磁通及转速控制器进行自适应调整;(3)无速度传感器矢量控制需要知道转速,神经网络被用来精确估计位置及转速;(4)结合模型参考自适应控制,将神经网络控制器用于自适应速度控制器。

    虽然将智能控制用于交流伺服系统的研究已取得了一些成果,但是有许多问题尚待解决,如智能控制器主要凭经验设计,对系统性能(如稳定性和鲁棒性)缺少客观的理论预见性,且设计一个系统需获取大量数据,设计出的系统容易产生振荡。
    当前交流伺服发展方向

    综合交流伺服系统的发展与现状,可以十分清楚地看出其发展趋势,主要有以下几个方面:

    · 不断完善理论的研究

    尽管目前已有很多方法可以实现交流伺服,但仍存在许多问题待解决,如系统精度、可靠性、低速性能的提高等。另外,无传感器控制也是一个研究方向:提高转速估计精度的同时改进控制性能,增强系统抗参数变化等。

    · 实用化

    目前高性能的交流伺服系统主要依靠进口,这种现状限制了我国高科技产业化的发展。因此,通过借鉴国外研究工作的先进经验,从高起点出发,尽早研制出具有国际水平的高性能、产品化的交流伺服系统。

    · 网络化

    在国外,以以太网为基础的工业自动化得到长足的发展,为适应这一发展趋势,最新的伺服系统都配置了标准的串行接口和专用的局域网接口,它增强了伺服单元与其它控制设备间的互联能力,从而与CNC系统间的连接也变得简单。



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