引言 　　 永磁交流伺服技術(shù)是研制開發(fā)各種先進(jìn)的機(jī)電一體化設(shè)備，如工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、加工中心等的關(guān)鍵性技術(shù)，目前高性能數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人所采用的電機(jī)伺服系統(tǒng)仍然主要依靠進(jìn)口，這種現(xiàn)狀限制了我國高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，通過借鑒國外研究工作的先進(jìn)經(jīng)驗，從高起點出發(fā)，盡早研制出具有當(dāng)今國際水平的高性能、實用化的交流伺服系統(tǒng)，對于促進(jìn)我國航空、航天、國防及工業(yè)自動化等領(lǐng)域的發(fā)展，跟蹤和趕上世界先進(jìn)水平均有重要意義。 　　 隨著電力電子學(xué)、微電子學(xué)、傳感技術(shù)、永磁技術(shù)和控制理論的驚人發(fā)展，尤其是先進(jìn)控制策略的成功應(yīng)用，交流伺服系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，自上世紀(jì)80年代末以來的短短二十幾年間，取得了舉世矚目的發(fā)展，已具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動態(tài)響應(yīng)及四象限運行等良好的技術(shù)性能，其動、靜態(tài)特性已完全可與直流伺服系統(tǒng)相媲美，多年來的“交流伺服取代直流伺服”這一愿望正逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實。可以預(yù)見，交流伺服系統(tǒng)的研究將繼續(xù)成為電氣傳動領(lǐng)域的一個研究熱點，并將帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，因此有必要對交流伺服系統(tǒng)及其先進(jìn)控制策略的發(fā)展有一個全面了解。本文正是基于此目的，對交流伺服系統(tǒng)及其控制策略進(jìn)行了較為全面的綜述和比較，力圖反映其在近些年的最新研究進(jìn)展。 伺服系統(tǒng)發(fā)展階段 　　 伺服系統(tǒng)的發(fā)展緊密地與伺服電動機(jī)的不同發(fā)展階段相聯(lián)系，伺服電動機(jī)至今已有五十多年的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了三個主要發(fā)展階段： 　　 第一發(fā)展階段（20世紀(jì)60年代以前），此階段是以步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動的液壓伺服馬達(dá)或以功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動為中心的時代，伺服系統(tǒng)的位置控制為開環(huán)系統(tǒng)。 　　 第二個發(fā)展階段（20世紀(jì)60－70年代），這一階段是直流伺服電動機(jī)的誕生和全盛發(fā)展的時代，由于直流電動機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，很多高性能驅(qū)動裝置采用了直流電動機(jī)，伺服系統(tǒng)的位置控制也由開環(huán)系統(tǒng)發(fā)展成為閉環(huán)系統(tǒng)。 　　 第三個發(fā)展階段（20世紀(jì)80年代至今），這一階段是以機(jī)電一體化時代作為背景的，由于伺服電動機(jī)結(jié)構(gòu)及其永磁材料、控制技術(shù)的突破性進(jìn)展，出現(xiàn)了無刷直流伺服電動機(jī)（方波驅(qū)動），交流伺服電動機(jī)（正弦波驅(qū)動）等種種新型電動機(jī)。 　　 進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，因為微電子技術(shù)的快速發(fā)展，電路的集成度越來越高，對伺服系統(tǒng)產(chǎn)生了很重要的影響，交流伺服系統(tǒng)的控制方式迅速向微機(jī)控制方向發(fā)展，并由硬件伺服轉(zhuǎn)向軟件伺服，智能化的軟件伺服將成為伺服控制的一個發(fā)展趨勢。伺服系統(tǒng)控制器的實現(xiàn)方式在數(shù)字控制中也在由硬件方式向著軟件方式發(fā)展；在軟件方式中也是從伺服系統(tǒng)的外環(huán)向內(nèi)環(huán)、進(jìn)而向接近電動機(jī)環(huán)路的更深層發(fā)展。 伺服系統(tǒng)的控制策略 　　 在一些動態(tài)性能要求不高的場所，由于開環(huán)變壓變頻控制方式控制規(guī)律簡單，至今仍在一般調(diào)速度系統(tǒng)中普遍應(yīng)用。 恒壓頻比控制 　　 恒壓頻比控制方式是一種開環(huán)控制，它根據(jù)系統(tǒng)的給定，利用空間矢量脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)化為期望的輸出Uout進(jìn)行控制，使電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。但它是依據(jù)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，從而得不到理想的動態(tài)控制性能。 　　 要獲得很高的動態(tài)性能，必須依據(jù)電機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。永磁同步電機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是非線性多變量，它含有角速度ω與電流id或iq的乘積項，因此要得到精確控制性能必須對角速度和電流進(jìn)行解耦。近年來，研究了各種非線性控制器，來解決永磁同步電機(jī)非線性的特性。 矢量控制 　　 1971年，由德國西門子的F.Blaschke提出的矢量控制理論將交流傳動的發(fā)展方向向前推進(jìn)了一大步，使交流電機(jī)控制理論獲得第一次質(zhì)的飛躍。其基本原理為：以轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)空間矢量為參考坐標(biāo)，將定子電流分解為相互正交的兩個分量，一個與磁鏈同方向，代表定子電流勵磁分量，另一個與磁鏈方向正交，代表定子電流轉(zhuǎn)矩分量，然后分別對其進(jìn)行獨立控制，獲得像直流電機(jī)一樣良好的動態(tài)特性。永磁同步電機(jī)d-q模型的轉(zhuǎn)矩方程為： Te=P[λfiq+（Ld-Lq）idiq] （1） 　　 矢量控制實際上是對電動機(jī)定子電壓或電流矢量的相位和幅值同時進(jìn)行控制。從式（1）可以看出，當(dāng)永磁體的勵磁磁鏈和直-交軸電感確定后，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩便取決于定子電流空間矢量is=id+jiq。也就是說控制id，iq就可以控制轉(zhuǎn)矩，從而控制轉(zhuǎn)速。但矢量控制方法在實現(xiàn)時要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換，而且對電機(jī)的參數(shù)依賴性很大，難以保證完全解耦，使控制效果打了折扣。 直接轉(zhuǎn)矩控制 　　 上世紀(jì)80年代，Depenbrock教授提出了異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法。該方法摒棄了矢量控制的解耦思想，實行定子磁場定向，避免了矢量控制中復(fù)雜的坐標(biāo)變換，定子磁鏈的估計僅涉及定子電阻，減速弱了對電機(jī)參數(shù)的依賴性，該控制方法簡單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，動態(tài)性能好。目前已有一些學(xué)者致力于該控制方法應(yīng)用于永磁同步電機(jī)，已取得了很大的發(fā)展。在定子上的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)為x，y；轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)為d，q；它們都互為90度。X軸與d軸的夾角為負(fù)載角δ，可以證明在定子磁鏈幅值|λs|保持恒定的條件下，電磁轉(zhuǎn)矩正比于轉(zhuǎn)子磁鏈λr及其與λs間夾角δ的正弦。在穩(wěn)態(tài)情況下，δ恒定，對應(yīng)于相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，定、轉(zhuǎn)子磁鏈以同步速度旋轉(zhuǎn)；在動態(tài)過程中，δ隨負(fù)載變化，定、轉(zhuǎn)子磁鏈瞬時速度會出現(xiàn)差異，以配合δ的變化。因此，可以通過選擇合適的電壓空間矢量U來保證定子磁鏈幅值恒定，調(diào)節(jié)定子磁鏈的速度和運動方向同時通過調(diào)節(jié)負(fù)載角δ來完成對電磁轉(zhuǎn)矩的控制。 反饋線性化控制 　　 以上三種控制策略都已經(jīng)獲得成熟的應(yīng)用，然而它們都只是從物理關(guān)系上構(gòu)成轉(zhuǎn)矩與磁鏈的近似解耦控制，沒有或較少應(yīng)用控制理論。永磁同步電機(jī)從本質(zhì)上是一個非線性、多變量系統(tǒng)，反饋線性控制是研究非線性控制系統(tǒng)的一種有效方法，它通過非線性狀態(tài)反饋和非線性變換，實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)解耦和全局線性化，從而控線性控制理論來設(shè)計，以使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)。反饋線性化控制一般分二大類：（1）微分幾何反饋線性化方法，它通過微分同胚坐標(biāo)和一個非線性狀態(tài)反饋給出解耦結(jié)構(gòu)，需將問題變換到“幾何域”，因而方法抽象，不利于工程應(yīng)用。但它從較高的數(shù)學(xué)高度考慮問題，在理論上比較容易展開。（2）動態(tài)逆控制，它采用非線性逆系統(tǒng)理論來設(shè)計控制律，有人也稱它為直接反饋線性化方法，該方法物理概念明確，用到數(shù)學(xué)簡單。 反推控制 　　 1992年，KOKOTOVIC P提出了反推控制，它是一種有效的非線性控制，它 主要分以下幾步來設(shè)計： （1） 選取系統(tǒng)的一個狀態(tài)，構(gòu)成子系統(tǒng)，構(gòu)造子系統(tǒng)的Lyapunov函數(shù)，設(shè)計假定控制函數(shù)，使子系統(tǒng)穩(wěn)定； （2） 基于（1）的假定控制，設(shè)計誤差變量，由誤差變量和前面的子系統(tǒng)組成新的子系統(tǒng)，構(gòu)造新的子系統(tǒng)的Lyapunov函數(shù)，再設(shè)計假定控制，使新的子系統(tǒng)穩(wěn)定； （3） 如果還沒有得到系統(tǒng)的實際控制，則返回（1）繼續(xù)設(shè)計，如果得到系統(tǒng)的實際控制，則向下設(shè)計； （4） 設(shè)計系統(tǒng)的實際控制，保證整個系統(tǒng)穩(wěn)定。 反推控制能夠?qū)崿F(xiàn)永磁同步電動機(jī)系統(tǒng)的完全解耦，而且設(shè)計方法比較簡單，能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定。 滑模變結(jié)構(gòu)控制 　　 滑模變結(jié)構(gòu)控制是變結(jié)構(gòu)控制的一種控制策略，它與常規(guī)控制的根本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性，即一種使系統(tǒng)“結(jié)構(gòu)”隨時變化的開關(guān)特性，它也屬于Bang—Bang控制的范疇。其主要特點是，根據(jù)被調(diào)量的偏差及其導(dǎo)數(shù)，有目的地使系統(tǒng)沿著設(shè)計好的“滑動模態(tài)”的軌跡運動，與被控制對象的參數(shù)和擾動無關(guān)，因而使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性。但它在系統(tǒng)中不可避免地帶來“顫抖”問題。 自適應(yīng)控制 　　 在以上控制策略中，或多或少由于電機(jī)模型參數(shù)的變化，使系統(tǒng)控制性能變差。因此，提出了自適應(yīng)控制，它在系統(tǒng)的運行過程中不斷提取有關(guān)模型的信息，讓控制策略根據(jù)新的信息來調(diào)整，它是克服參數(shù)變化影響的有力手段?，F(xiàn)在應(yīng)用于控制的自適應(yīng)方法有模型參考自適應(yīng)、參數(shù)辯識自校正控制及其新發(fā)展的各種非線性自適應(yīng)控制。但所有這些方法都存在的問題：一是數(shù)學(xué)模型和運算繁瑣，使控制系統(tǒng)復(fù)雜化；二是辯識和校正都需要一個過程，對一些參數(shù)變化較快的系統(tǒng)，就會因來不及校正而難以產(chǎn)生很好的效果。隨著DSP控制器的出現(xiàn)，高速的運算速度會減少計算慢的不足。 　　 近年來受到控制界十分重視的智能控制，它能擺脫對控制對象數(shù)學(xué)模型的依賴，已成為眾所矚目的解決魯棒性問題的重要方法。目前智能控制在交流伺服系統(tǒng)應(yīng)用中較為成熟的，當(dāng)數(shù)模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，而且大多是在模型控制基礎(chǔ)上增加一定的智能控制手段，以消除參數(shù)變化和擾動的影響。 模糊控制 　　 其中模糊控制是利用模糊集合來刻畫人們?nèi)粘Ｋ褂玫母拍钪械哪：?，使控制器能更逼真地模仿熟練操作人員和專家的控制經(jīng)驗與方法，它包括精確量的模糊化、模糊推理、模糊判決三部分。早期的模糊控制器只是以取代傳統(tǒng)PID控制器為目的，魯棒性雖有所加強(qiáng)，但一般模糊控制器沒有積分作用，在伺服系統(tǒng)有負(fù)載擾動時會出現(xiàn)靜差。而增加了積分效應(yīng)的模糊控制器，雖相當(dāng)于變系數(shù)PID調(diào)節(jié)器，可以實現(xiàn)無靜差控制，但是單純地將一個簡單的傳統(tǒng)模糊控制器用于高精度電機(jī)伺服系統(tǒng)，還不能得到令人十分滿意的性能。模糊控制系統(tǒng)只有與其他控制方法相結(jié)合，才能獲得優(yōu)良的性能。如模糊PID等。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 　　 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在交流伺服中的應(yīng)用主要有下面幾個方面：（1）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID控制；（2）由于實際的矢量控制效果對伺服系統(tǒng)參數(shù)很敏感，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于電機(jī)參數(shù)的在線辨識、跟蹤，并對磁通及轉(zhuǎn)速控制器進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整；（3）無速度傳感器矢量控制需要知道轉(zhuǎn)速，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被用來精確估計位置及轉(zhuǎn)速；（4）結(jié)合模型參考自適應(yīng)控制，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器用于自適應(yīng)速度控制器。 雖然將智能控制用于交流伺服系統(tǒng)的研究已取得了一些成果，但是有許多問題尚待解決，如智能控制器主要憑經(jīng)驗設(shè)計，對系統(tǒng)性能（如穩(wěn)定性和魯棒性）缺少客觀的理論預(yù)見性，且設(shè)計一個系統(tǒng)需獲取大量數(shù)據(jù)，設(shè)計出的系統(tǒng)容易產(chǎn)生振蕩。 當(dāng)前交流伺服發(fā)展方向 　　 綜合交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀，可以十分清楚地看出其發(fā)展趨勢，主要有以下幾個方面： 　　 不斷完善理論的研究 　　 盡管目前已有很多方法可以實現(xiàn)交流伺服，但仍存在許多問題待解決，如系統(tǒng)精度、可靠性、低速性能的提高等。另外，無傳感器控制也是一個研究方向：提高轉(zhuǎn)速估計精度的同時改進(jìn)控制性能，增強(qiáng)系統(tǒng)抗參數(shù)變化等。 　　 實用化 　　 目前高性能的交流伺服系統(tǒng)主要依靠進(jìn)口，這種現(xiàn)狀限制了我國高科技產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。因此，通過借鑒國外研究工作的先進(jìn)經(jīng)驗，從高起點出發(fā)，盡早研制出具有國際水平的高性能、產(chǎn)品化的交流伺服系統(tǒng)。 　　 網(wǎng)絡(luò)化 在國外，以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的工業(yè)自動化得到長足的發(fā)展，為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，最新的伺服系統(tǒng)都配置了標(biāo)準(zhǔn)的串行接口和專用的局域網(wǎng)接口，它增強(qiáng)了伺服單元與其它控制設(shè)備間的互聯(lián)能力，從而與CNC系統(tǒng)間的連接也變得簡單。