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1、永磁交流伺服系统研究背景意义及现状1 研究背景及意义伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标或给定值任意变化的自动控制系统，是控制理论、电力电子技术、电机技术、微电子技术、检测技术等学科相互发展融合的产物，是自动化学科及工业生产领域重要的分支。在机械制造行业、冶金工业，交通运输以及军事上都得到了广泛的应用。伺服系统强调对控制命令的快速跟踪和响应，所以伺服控制系统可以认为是随动控制系统，既可以是转速的随动控制，也可以是位置的随动控制。在广义的角度上看，电动机的调速系统也可以认为是伺服控制的一种，只不过在调速系统中，强调的被调量是电动机的转速，更加有效的实现功率变换。而伺服系
2、统则强调忠实跟踪给定信号，即按控制器发出的控制命令而动作，并产生足够的力或力矩，使被驱动的机械获得期望的运动速度和位姿。伺服系统的发展经历了由液压伺服到电气伺服的过程。在电气伺服系统中，按驱动装置的执行元件电动机类型来分，通常分为直流伺服系统和交流伺服系统两大类。六十年代以后，特别是七十年代以来，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取得了举世瞩目的发展，己具备良好的技术性能，其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美，交流伺服系统取代直流伺服系统己成定局。其中交流永磁同步电机 (PMSM)又以其结构简单、气隙磁
3、密高、功率密度大、转动惯量小的优点，成为研究的热点。和直流电机相比，交流永磁同步电机没有直流电机的换向器和电刷等缺点，和其他类型交流电动机相比，它由于没有励磁电流，因而功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好。现已广泛用于数控机床、工业机器人、超大规模集成电路制造、柔性制造系统、载人宇宙飞船、电动工具以及家用电器等高科技领域。另一方面，高速数字信号处理芯片(DSP) 的快速发展也对伺服系统的发展起到了推动作用。DSP 强大的数据处理能力和高运行速度使得先进的控制技术如矢量控制、直接转矩控制等得以实现。并且 DSP 芯片内部集成了 A/D 转换、数字输入/
4、输出、串口通信、电机控制 PWM 信号输出等接口，使得伺服系统硬件设计更加灵活、简易。鉴于以上情况，本文对基于 DSP 的永磁同步伺服电机的速度伺服系统进行了研究。对交流伺服系统的深入研究，对于我国制造业，国防工业，空间技术的发展，缩小与世界先进国家的差距，能源节约都有着重要的意义。2 国内外发展现状以前对永磁同步电机的研究由于条件的限制主要停留在固定频率下对电机运行状态的控制研究，主要针对是电机速度稳定以后的一些特性的研究以及在起动过程中的变化性能研究。同步电机起动时是通过对三相绕组供电产生磁场从而先提供了转矩来对转子实现加速，并且逐渐将转子速度与输入的电压频率同步，从而实现了电机的同步旋转
5、。1980年以后随着逆变器的发展壮大，国外的一些科研工作者把目光投向利用逆变器对永磁同步电机的控制。逆变器供电的永磁同步电机与直接起动的永磁同步电机的结构基本相同，但在大多数情况下无阻尼绕组。在逆变器供电情况下，永磁同步电机的原有特性将会受到影响，其稳态特性和暂态特性与恒定频率下的永磁同步电机相比有不同的特点。随着对永磁同步电机调速系统性能要求的不断提高，需要设计出高效率、高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电机，G.R.Slemon等人针对调速系统快速动态性能和高效率的要求，提出了现代永磁同步电机的设计方法。80 年代以来，国外很多大公司，如美国的 AE 公司、德国的西门子公司、科尔摩根公司，
6、日本的富士通、松下、安川等对交流伺服控制器作了深入的研究，并推出一系列的产品，和国内相比领先一步并占据多年的交流伺服驱动市场。为了打破这种局面，而后在我国的各个大学及研究所加强对这方面的研发和投入，以华中科技大学为首的高校、以北京机床研究所、中科院沈阳自动化研究所为主的国家高科技研究所等也逐步开始研究伺服驱动控制器，而且小有成果，适时地推出我们自主研发的交流伺服系统，这样才彻底打破了坚冰，结束了外国公司一统天下的局面。但是在国内毕竟伺服驱动仍然是一个难题，也只有少数有能力单位才能开发以正弦波为反电动势的永磁伺服系统而且只能做成小功率级的，不能满足大型工业控制的要求，很多高科技企业由于多种原因的
7、制约，其生产地东西是以无刷直流伺服系统为主，定位在低端用户上，可靠性较差，并不能完全满足要求。在技术壁垒的妨碍下，我国当时在高性能、大功率、高精度的正弦波 PMSM 电机伺服系统研发方面显得很苍白，无法和日本，德国，美国的大公司相竞争，从而导致国内大型性能高的永磁伺服市场被这些公司占据。这样看来，尽管取得了一些成绩，但是我国伺服控制器的研发及设计还在起步阶段，和外国先进技术厂商和集团企业里还有很大的差距，尤其是在控制算法上海需要更多人的努力，一些先进技矢量控制方法还落后很多，以至于控制效率不高。在这里，就需要国内从事这方面开发的技术骨干能够加倍努力，奋勇前进，为集体为国家在交流伺服驱动的领域里打下中国人的印记，最终在世界伺服控制的领域占据一席之地。
