高性能交流伺服系统中的控制方法

0 引言

　　交流伺服电动机模型是一种强耦合、时变的非线性系统，并且运行时会受到不同程度的外界干扰，其控制技术十分复杂，所以交流伺服系统性能的好坏直接受所采用控制技术的影响，高质量的控制技术可以弥补硬件设计的不足，同时还能改善伺服系统的控制性能。高性能交流伺服系统对控制技术的要求主要表现在：如何使系统具有较高的动静态精度和较快的响应速度，并且如何使系统对参数变化以及外界扰动具有不敏感性。因此，交流伺服系统控制技术的研究具有十分重要的意义。

　　控制方法是高性能伺服控制系统控制的核心，有必要对交流伺服系统及其先进的控制方法的发展有一个全面的了解，本文正是基于这一目的，对高性能交流伺服系统的控制方法做了较为全面的综述，分析了经典控制方法、现代控制方法、智能控制方法以及复合控制方法，尽可能反应近几年来的最新研究，了解各种控制方法的优劣性，并对高性能伺服系统控制技术的发展进行了展望。

1 经典控制方法

　　经典控制方法以单输入一单输出的线性定常系统为基础，描述系统时采用传递函数法，利用拉普拉斯变换作为数学工具，以控制系统的时间响应和频率特性为着眼点来进行系统分析和设计。它主要包括PID控制、矢量控制和恒压频比控制等，下面以前两种为例介绍在实际中的应用。

　　1.1 PID控制

　　工业控制中常用的方法是PID调节器，尽管随着现代交流调速技术的发展，出现了一些新型的控制算法，从理论上分析，许多控制方法都能实现良好的电机动静态特性，但是算法本身的复杂性，并且对系统进行模型辨识比较繁琐，然而传统的PID控制器具有稳定性好、工作可靠和调节方便的优点，使用中不需精确的系统模型等先决条件，使得在数控系统控制中，PID调节器更容易实现预期的效果。PID的控制原理框图如图1所示。

　　Karam等，提出了一种PID控制器，是电动液压伺服驱动系统(EHSAS)用来控制摇动液压缸的角位置的，PID增益参数利用遗传算法(GA)进行优化，相对于常规PID控制器和补偿控制器，基于遗传算法的PID控制器在控制摇动液压缸的角位置上的具有良好性能。

　　但是PID控制的问题在于参数整定，一旦整定计算好后，在整个控制过程中都是固定不变的，而实际系统的状态和参数会发生变化，过程中会出现状态和参数的改变，而且常规PID控制参数仅凭借技术人员的经验进行调节的，具有一定的局限性。李等，在EtherCAT网络伺服运动控制系统平台下，研究了基于DSP的电机伺服控制，并采用模糊PID控制方法，实时自动调整PID控制参数以修正电机的运行误差，保证系统的输出在一定精度内跟随指令变化，提高了伺服的跟踪精度以使控制达到较好的效果。

　　1.2 矢量控制

　　矢量控制，也称为磁场定向控制。上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。

　　矢量控制具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。它是基于电动机的动态数学模型，具有与直流电动机调速类似或者更优越的控制性能，图2是矢量控制系统原理结构图。

　　薛等，提出的控制系统中的电流环采用的是I_d=0的矢量控制策略，这样，可实现最大转矩电流比。依据的原理是:PMSM的电枢反应主要是由定子电流的q轴分量I_q引起的，在实际应用中，对永磁同步伺服电动机的电枢反应一般忽略不计。定子电流的d轴分量I_d 相当于激励电流。在额定转速下，采用恒定转矩调速方式，在一定的定子电流幅值下能够输出最大的转矩，因此最佳的控制方式是使定子电流与d轴正交，也就是保持I_d =0。

　　此外，矢量控制可以使得变频器根据频率和负载情况实时的改变输出频率和电压，因此其动态性能相对完善，矢量控制具有能对转矩进行精确控制、系统响应快、调速范围广、加减速性能好等特点。在现代电机驱动器中广泛应用矢量控制，目的就是得到快速动态响应和更有效的操作。矢量控制方法的提出具有划时代的意义，然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用转换较为复杂，使得实际的控制效果难以达到理想的分析效果。

　　随着生产过程自动化水平的提高，控制系统的任务越来越复杂，控制精度要求也越来越高，因此，建立在状态空间分析方法基础上的现代控制理论便迅速地发展起来。

2 现代控制方法

　　经典控制方法隐含着两个前提，一是要求对象的模型是精确的、不变化的、线性的；二是操作条件和运行环境是确定不变的。随着应用对控制精度和性能要求的提高，考虑控制对象变化和非线性的影响等，才能达到预期效果。在这种需求的推动下，一些新的控制方法得以产生，并在工业控制中得到应用和发展。下面以滑模控制和自适应控制为例，介绍它们在工业控制中的应用。