基本介紹
- 中文名：伺服驅動控制
- 外文名：Servo Drive Control
- 套用領域：工業、軍事、宇航等
- 控制技術：單片機、DSP以及FPGA
- 控制策略：矢量控制以及SVPWM原理
- 所屬學科：控制科學
簡介,交流伺服驅動系統,主要控制技術,單片機控制,DSP控制,可程式單晶片電機控制器,控制策略,矢量控制,SVPWM的實現,發展趨勢,
簡介
伺服驅動控制，主要針對交流伺服驅動系統。伺服驅動是一門包含著豐富內容的綜合性技術。它的發展離不開電力電子技術、大功率驅動技術、電機製造技術、計算機控制技術和控制理論學科的發展。伴隨各項技術的發展和完善，伺服驅動控制的研究也在不斷深入，其套用領域日益廣泛。
隨著交流伺服驅動系統在工業、軍事、宇航等各種領域的廣泛套用，相應的研究工作也再不斷深入。分析世界先進交流伺服驅動產品的功能設定和結構設計，研究其控制策略，對於在工程實際中，充分套用其功能，或者自主研製交流伺服驅動產品，都是非常有意義的。
交流伺服驅動系統
自二十世界七十年代以來，隨著電力電子技術、大功率驅動技術、電機製造技術、計算機控制技術和控制理論學科的發展，高速、高集成度、低成本的微處理器問世及商品化，全數位化的交流伺服系統進入全面發展的階段。目前，在交流伺服驅動系統中，普遍套用的交流伺服電動機有兩大類。一類稱為無刷直流電動機（The Brushless DC Motor，簡稱 BLDCM），另一類稱為永磁同步電動機（Permanent Magnet Synchronous Motor，簡稱 PMSM）。在高性能伺服領域，由於永磁交流伺服系統在轉矩/慣量比、單位電流轉矩、功率密度、轉矩波動、調速範圍、損耗、熱容量和效率等方面都具有明顯的優勢，因此，在實際系統中得到了廣泛的套用。
主要控制技術
在高精度伺服系統中,研究各種控制方法的最終目的是為了提高定位精度、減小位置跟隨誤差。針對進給機構中各個環節中影響加工精度的各種因素,如電氣傳動環節中的諧波問題,磁鏈、電阻等參數時變問題,機械傳動環節中的摩擦問題,負載擾動等問題,國內外學者進行了大量的研究。
單片機控制
對於採用單片機來實現對電機的控制,需要配置大量的外圍數字積體電路來進行各種邏輯控制和擴展口或存儲器來存儲大量的數據同時也需要花大量時間選擇相應的大量元器件,故基於單片機的數字交流伺服控制存在可靠性程度不高的缺點此外,基於單片機程式軟體的伺服控制,學習難度大、速度慢、開發周期長,己越來越很難適應現代複雜高性能伺服控制的要求以及不斷快速更新的需要同時,在實時性和精度要求高、處理的數據量大的套用中,如採用矢量控制的交流伺服控制,用單片機來作為電機控制器實現的難度比較大。因此越來越多的交流伺服控制研究開發人員逐漸選用DSP晶片作為控制器實現。
DSP控制
與單片機相比,DSP晶片採用改進的哈佛結構,具有獨立的程式與數據空間,允許同時存取程式和數據。內置的高速硬體乘法器,增強的多級流水線,使晶片具有高速的數據運算能力,單指令執行時間比單片機執行所需時間快一倍,可以實現基於複雜算法的伺服控制晶片取代單片機實現交流伺服控制減少外接元器件的數量,提高伺服控制系統的可靠性。
可程式單晶片電機控制器
隨著微電子晶片技術的發展,出現了可程式單晶片電機控制器的一設計方法。採用這種方法將伺服控制系統的控制功能和通信監控等功能集成到一塊晶片上,簡化系統複雜的構成結構,提高系統的可靠性和運行處理的快速實時性,是交流伺服控制未來的發展趨勢之一。
控制策略
矢量控制
矢量控制理論的提出從根本上解決了交流電動機轉矩的高性能控制問題。基本思想就是利用電動機外部的控制系統，對定子磁動勢相對勵磁磁動勢的空間角度（也就是定子電流空間矢量的相位）和定子電流幅值進行控制，從而在三相永磁同步動機上模擬直流電機轉矩控制的規律，在磁場定向坐標上，將定子電流矢量分解成產生磁通的勵磁電流分量di 和產生轉矩的轉矩電流分量qi ,並使兩分量互相垂直，彼此獨立，然後分別進行調節。這樣實現的轉矩控制，從原理和特性上就和直流電動機相似了。因此，矢量控制的關鍵仍是對電流矢量的幅值和空間位置的控制。由於定子側的各物理量（電壓，電流，電動勢，磁動勢）都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉速旋轉，因此，需要藉助於坐標變換，使各物理量從靜止坐標系變換到同步旋轉坐標系，在同步旋轉坐標繫上，各物理量都變成直流量，根據轉矩與定子電流矢量各分量的關係，計算轉矩控制所需的被控矢量的各分量值。由於各直流量是假想的，實際上不存在，還必須經過坐標逆變換，從旋轉坐標系回到靜止坐標系，把所需的直流給定量變換成交流給定量。
SVPWM的實現
交流伺服系統通常採用空間電壓矢量脈寬調製SVPWM控制方式。普通的運動系統中,逆變器是根據控制信號將直流電轉換成電壓、頻率可調的正弦功率變換裝置。在高性能的運動系統中,需要考慮逆變機制的影響,包括由於脈衝調製產生的諧波和波形畸變。SVPWM把逆變器和電動機視為一體,按照跟蹤圓形磁場來控制電壓,從而能取得更好的控制效果。在基於SVPWM的數位化矢量控制系統中,載波頻率可以通過設定中斷周期控制,而脈寬指令的產生卻和電動機運行速度、系統載波頻率、母線電壓等因素有關。
發展趨勢
伺服電機自身是具有一定的非線性、強耦合性及時變性的系統，同時伺服對象也存在較強的不確定性和非線性，加之系統運行時受到不同程度的干擾，因此按常規控制策略很難滿足高性能伺服系統的控制要求，基於常規控制理論設計的電機控制系統存在缺陷和不足。傳統控制器的設計通常需要被控對象有非常精確的數學模型，而永磁電機是一個非線性多變數系統，難以精確的確定其數學模型，按照近似模型得到的最優控制在實際上往往不能保證最優，受建模動態，非線性及其他一些不可預見參數變化的影響，有時甚至會引起控制品質嚴重下降，魯棒性得不到保證。為此，如何結合控制理論新的發展，引進一些先進的複合型控制策略以改進控制器性能是當前發展高性能交流伺服系統的一個主要突破口。由於高性能的微處理器套用於交流伺服系統，在控制上由通常所採用的 PID 控制規律，開始轉向現代控制理論，自適應控制、人工智慧、模糊控制、變結構控制、神經元網路等新成果開始套用於交流伺服驅動控制方面。
