交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制策略

以永磁同步電動(dòng)機(jī)為代表的交流伺服電動(dòng)機(jī)模型是強(qiáng)耦合、時(shí)變的非線性系統(tǒng)，其控制策略比較復(fù)雜，所以交流伺服系統(tǒng)的性能與它所采用的控制策略有著直接的關(guān)系。優(yōu)良的控制策略不但可以彌補(bǔ)硬件設(shè)計(jì)方面的不足，而且能進(jìn)一步的提高系統(tǒng)的性能，控制策略在交流伺服中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。高性能交流伺服系統(tǒng)對(duì)控制策略的要求可概括為：不但要使系統(tǒng)具有快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和高的動(dòng)、靜態(tài)精度，而且系統(tǒng)要對(duì)參數(shù)的變化和擾動(dòng)具有不敏感性。

具有代表性永磁同步電機(jī)的控制策略有以轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)恒壓頻比（u/f=常數(shù)）控制、經(jīng)典pid控制、磁場(chǎng)定向控制（矢量控制）為代表的傳統(tǒng)控制策略、以直接轉(zhuǎn)矩控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制、非線性反饋線性化理論等為代表的現(xiàn)代控制策略和以模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制為代表的智能控制等。

傳統(tǒng)控制策略

（1）恒壓頻比控制

帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制保證了同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁通恒定，調(diào)節(jié)頻率給定實(shí)現(xiàn)同步改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。此種控制策略為開(kāi)環(huán)控制，只控制了電機(jī)的氣隙磁通，不能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，容易產(chǎn)生轉(zhuǎn)子振蕩和失步等問(wèn)題。同時(shí)由于恒壓頻比控制依據(jù)的是電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，其動(dòng)態(tài)控制性能不高，不適合具有高性能要求的伺服驅(qū)動(dòng)控制場(chǎng)合。

為了獲得良好的動(dòng)態(tài)性能，必須依據(jù)電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。由于交流永磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變的多變量系統(tǒng)。要得到良好的控制性能，需對(duì)角速度和電流進(jìn)行解耦控制，即矢量控制技術(shù)。

（2）經(jīng)典pid控制

pid控制器就是利用比例、積分、微分對(duì)系統(tǒng)的誤差進(jìn)行計(jì)算得出控制量從而對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。pid控制器是目前應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，一直以來(lái)是工業(yè)控制的主要技術(shù)之一，能夠滿(mǎn)足多數(shù)伺服控制應(yīng)用領(lǐng)域。

但是經(jīng)典的交流伺服同步電動(dòng)機(jī)的三環(huán)pid調(diào)節(jié)控制方式仍然存在一些問(wèn)題，如調(diào)節(jié)器參數(shù)整定繁瑣且誤差較大，對(duì)系統(tǒng)模型及參數(shù)的依賴(lài)性較強(qiáng)等，在一些高精度應(yīng)用場(chǎng)合，很難滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

（3）磁場(chǎng)定向控制（id=0）

矢量控制是建立在被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型上，使交流電機(jī)控制由外部宏觀穩(wěn)態(tài)控制深入到電機(jī)內(nèi)部電磁過(guò)程的瞬態(tài)控制。矢量控制通過(guò)坐標(biāo)變換將交流電機(jī)內(nèi)部復(fù)雜耦合的非線性變量變換為相對(duì)坐標(biāo)系為靜止的直流變量（電流、磁鏈、電壓等），實(shí)現(xiàn)近似解耦控制，并從中找到約束條件，獲得某一目標(biāo)的最佳控制策略，id=0控制是矢量控制的一種特定的控制策略，在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系內(nèi)實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)交直軸電流解耦，由于id、iq雙電流閉環(huán)的存在，使電機(jī)iq電流動(dòng)態(tài)跟隨系統(tǒng)力矩給定（te=ktiq，kt為電機(jī)力矩系數(shù)），實(shí)現(xiàn)電機(jī)電磁力矩控制。

該控制策略使電機(jī)系統(tǒng)具有較好輸出力矩線性度，并可獲得最大線性轉(zhuǎn)矩。同時(shí)由于全部電流均用來(lái)產(chǎn)生電磁力矩，可以充分利用電機(jī)過(guò)載能力，提高電機(jī)啟、制動(dòng)速度，保證電機(jī)具有優(yōu)良的啟、制動(dòng)性能。

矢量控制技術(shù)經(jīng)歷二十多年研究完善歷程，在調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用所獲得的性能優(yōu)異，不論在低速（恒轉(zhuǎn)矩控制模式）還是在高速（恒功率控制模式），其抗擾特性、啟制動(dòng)特性、穩(wěn)速特性均達(dá)到或者超過(guò)直流調(diào)速系統(tǒng)。但是矢量控制模型及算法比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)時(shí)需要進(jìn)行坐標(biāo)變換等，很難保證電機(jī)系統(tǒng)的電壓、電流在直、交軸的完全解耦，進(jìn)而會(huì)影響電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和效率等指標(biāo)。

現(xiàn)代控制策略

傳統(tǒng)的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制策略多用于被控對(duì)象模型確定、不變化且為線性，以及操作條件、運(yùn)行環(huán)境確定不變的條件下。但交流永磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變的多變量系統(tǒng)，在高性能要求的場(chǎng)合，就必須考慮各種非線性的影響、對(duì)象的結(jié)構(gòu)與參數(shù)變化、運(yùn)行環(huán)境的改變以及環(huán)境干擾等時(shí)變和不確定性因素。現(xiàn)代控制理論的發(fā)展與應(yīng)用，一定程度上彌補(bǔ)了經(jīng)典控制理論對(duì)時(shí)變非線性隨機(jī)系統(tǒng)無(wú)能為力的缺點(diǎn)。

（1）直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制理論是在20世紀(jì)80年代由德國(guó)魯爾大學(xué)m.depenbrock教授和日本學(xué)者i.takahash分別提出的一種高性能的交流電機(jī)控制策略，其控制策略也是基于被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，但是與矢量控制不同，它直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，無(wú)需復(fù)雜的坐標(biāo)變換。

采用定子磁場(chǎng)定向，無(wú)需解耦電流，轉(zhuǎn)矩和磁鏈都采用直接反饋的雙位式砰砰控制，避免了將定子電流分解成轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁分量，直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，著眼于轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制磁場(chǎng)定向所用的是定子磁鏈，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響，只要知道定子電阻就可以把它觀測(cè)出來(lái)，對(duì)電機(jī)參數(shù)不敏感。

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)變頻控制領(lǐng)域獲得了成功應(yīng)用，瑞典abb公司已推出系列產(chǎn)品。但目前在永磁同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用方面，直接轉(zhuǎn)矩控制還存在著一些問(wèn)題。

直接轉(zhuǎn)矩控制采用磁鏈滯環(huán)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩存在脈動(dòng)，直接影響電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。直接轉(zhuǎn)矩控制需要觀測(cè)磁鏈和轉(zhuǎn)矩，低速情況下準(zhǔn)確性很差，致使電機(jī)低速運(yùn)行性能差、電機(jī)調(diào)速范圍較小。由于電機(jī)定子電感較小，電機(jī)啟動(dòng)和負(fù)載變動(dòng)時(shí)電流沖擊大，磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大。此外，由于電機(jī)靜止時(shí)無(wú)法估算磁鏈初始位置，電機(jī)啟動(dòng)困難。盡管近些年國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者不斷嘗試和改進(jìn)永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩直接控制策略，但目前這種控制方案很難滿(mǎn)足交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)要求。

（2）滑模變結(jié)構(gòu)控制

變結(jié)構(gòu)控制屬于非線性控制范疇，其非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性，即一種使系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”變化的開(kāi)關(guān)特性。滑模變結(jié)構(gòu)控制不需要知道系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，只需要了解系統(tǒng)參數(shù)及其變化的大致范圍，使得變結(jié)構(gòu)控制具有快速響應(yīng)、對(duì)參數(shù)及擾動(dòng)變化不敏感、無(wú)需在線辯識(shí)與設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，具有降階、解耦的功能，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入滑模狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移就不再受系統(tǒng)原有的參數(shù)變化和外部擾動(dòng)的影響，而是強(qiáng)制在開(kāi)關(guān)平面附近滑動(dòng)，具有完全的自適應(yīng)性和魯棒性，因而滑模變控制在永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用。但由于采用的是bang-bang控制，不可避免的造成抖振問(wèn)題，而抖振問(wèn)題是滑模變結(jié)構(gòu)控制廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要困難。目前在交流伺服電機(jī)系統(tǒng)中通過(guò)改變滑模結(jié)構(gòu)，如采用高階滑模結(jié)構(gòu)及濾波處理等方法一定程度上解決了滑模變結(jié)構(gòu)控制帶來(lái)的抖振問(wèn)題。

（3）自適應(yīng)控制

自適應(yīng)控制是50年代初由考德威爾（golcl-well）提出的。它將反饋控制與辨識(shí)理論相結(jié)合，針對(duì)被控對(duì)象特性的變化、漂移和環(huán)境干擾對(duì)系統(tǒng)的影響而提出來(lái)的，或者當(dāng)對(duì)被控過(guò)程的參數(shù)了解不多或這些參數(shù)在正常運(yùn)行期間有變化，特別是存在緩慢的變化因素時(shí)，通過(guò)尋求某些性能指標(biāo)最優(yōu)來(lái)完成對(duì)被控對(duì)象調(diào)節(jié)的。

現(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(shí)自校正控制及其新發(fā)展的各種非線性自適應(yīng)控制。模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)不需要控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，也無(wú)須進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。其關(guān)鍵問(wèn)題是設(shè)計(jì)自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整律，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)使誤差信號(hào)趨于零，主要優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)和自適應(yīng)速度快。但自適應(yīng)算法存在一些問(wèn)題，如數(shù)學(xué)模型和運(yùn)算繁瑣，使控制系統(tǒng)復(fù)雜化。又如參數(shù)辯識(shí)和校正都需要一段時(shí)間，對(duì)于參數(shù)變化較快的系統(tǒng)，控制性能受系統(tǒng)計(jì)算速度影響較大。在交流伺服驅(qū)動(dòng)中應(yīng)用系統(tǒng)硬件需要較高，一般采用32位數(shù)字信號(hào)處理器（dsp）或現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（fpga）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（4）非線性反饋線性化控制

反饋線性化是一種非線性控制設(shè)計(jì)方法，其核心思想就是把一個(gè)非線性系統(tǒng)代數(shù)的轉(zhuǎn)化為一個(gè)（全部或部分）線性系統(tǒng)，以便可以應(yīng)用線性系統(tǒng)的技巧。它與普通線性化的根本區(qū)別在于，反饋線性化并不是通過(guò)系統(tǒng)的線性逼近而是通過(guò)狀態(tài)變換和反饋得到的。近幾年的非線性控制系統(tǒng)理論研究成果表明：采用非線性狀態(tài)反饋和適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換，在一定條件下，可以將一個(gè)仿射非線性系統(tǒng)進(jìn)行精確線性化，并且這個(gè)狀態(tài)反饋可保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且有好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。在精確反饋線性化控制方法的基礎(chǔ)上，建立永磁同步電動(dòng)機(jī)的線性化控制模型，采用反饋線性化控制后，能夠?qū)崿F(xiàn)d、q軸的解耦控制，電流跟蹤性能好，力矩響應(yīng)快，且速度階躍響應(yīng)能漸進(jìn)收斂到給定值，無(wú)靜差，超調(diào)小和過(guò)渡過(guò)程短等優(yōu)點(diǎn)。

（5）智能控制策略

經(jīng)典的或現(xiàn)代的控制策略都依賴(lài)于電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，不能從根本上解決復(fù)雜和不確定系統(tǒng)的控制問(wèn)題。智能控制策略具有非線性的特性，能夠解決控制對(duì)象、環(huán)境和任務(wù)更為復(fù)雜的系統(tǒng)。智能控制擺脫了對(duì)被控對(duì)象模型的依賴(lài)，只按實(shí)際效果進(jìn)行控制，在控制中可以解決系統(tǒng)的不確定性和不精確性問(wèn)題。

智能控制策略包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專(zhuān)家系統(tǒng)控制、以及魯棒控制和遺傳算法控制等，其中模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略在永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)應(yīng)用中較為成熟。

（6）模糊控制

模糊控制是以模糊集合化、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。模糊控制將數(shù)學(xué)和模糊性統(tǒng)一起來(lái)，以模糊集合、模糊語(yǔ)言變量、模糊推理為其理論基礎(chǔ)，即利用模糊集合來(lái)刻畫(huà)人們?nèi)粘Ｋ褂玫母拍钪械哪：裕韵闰?yàn)知識(shí)和專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)作為控制規(guī)則，用機(jī)器模擬人對(duì)系統(tǒng)的控制，能逼真地模仿熟練操作人員和專(zhuān)家的控制經(jīng)驗(yàn)與方法模糊控制。

模糊推理不依賴(lài)于精確的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的輸入輸出結(jié)果數(shù)據(jù)，參考現(xiàn)場(chǎng)操作人員的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，就可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，因此適于解決非線性系統(tǒng)的控制問(wèn)題；模糊控制的魯棒性好、自適應(yīng)性強(qiáng)，適用于時(shí)變、時(shí)滯系統(tǒng)。但是模糊控制自學(xué)習(xí)能力不強(qiáng)，設(shè)計(jì)時(shí)控制規(guī)則依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)家知識(shí)，易造成系統(tǒng)精確度不高。單純地采用模糊控制策略需要較多的控制規(guī)則，需要工作人員的大量經(jīng)驗(yàn)，控制精度相對(duì)較低。模糊控制技術(shù)在交流伺服電機(jī)系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)中獲得較好的應(yīng)用。但在動(dòng)態(tài)要求較高的伺服系統(tǒng)中，目前該項(xiàng)技術(shù)還有待于進(jìn)一步提高。

（7）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究從20世紀(jì)40年代初開(kāi)始，80年代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論取得了突破性進(jìn)展，成為智能控制的一個(gè)重要分支。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指用工程技術(shù)手段模擬人腦神經(jīng)的結(jié)構(gòu)和功能的一種信息處理系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制將計(jì)算函數(shù)嵌入物理網(wǎng)絡(luò)之中，在計(jì)算過(guò)程中，每一個(gè)基本操作都與之有對(duì)應(yīng)的連接。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模擬人腦神經(jīng)元的活動(dòng)過(guò)程，包括信息的加工、處理、存儲(chǔ)等。每個(gè)神經(jīng)元存儲(chǔ)多種信息的部分內(nèi)容，部分神經(jīng)元的損壞和信息破壞只導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的部分功能減弱。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有信息分布存儲(chǔ)、并行處理、非線性逼近、自學(xué)習(xí)及自組織能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠充分逼近任意復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，能夠?qū)W習(xí)和適應(yīng)嚴(yán)重不確定性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，具有較強(qiáng)的魯棒性，具有模擬人的形象思維的能力，適合于處理難于用模型或規(guī)則描述的系統(tǒng)。近年來(lái)人們開(kāi)始嘗試將神經(jīng)網(wǎng)路控制技術(shù)（或稱(chēng)人工智能ai）應(yīng)用于交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中，用于解決傳統(tǒng)方法難以解決的問(wèn)題。使用ai調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有很好的噪聲抑制特性、容錯(cuò)性和擴(kuò)展性，且對(duì)參數(shù)具有魯棒性。是未來(lái)電機(jī)控制技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。