引言 　　 永磁交流伺服技術是研制開發各種先進的機電一體化設備，如工業機器人、數控機床、加工中心等的關鍵性技術，目前高性能數控機床和工業機器人所采用的電機伺服系統仍然主要依靠進口，這種現狀限制了我國高科技產業的發展。因此，通過借鑒國外研究工作的先進經驗，從高起點出發，盡早研制出具有當今國際水平的高性能、實用化的交流伺服系統，對于促進我國航空、航天、國防及工業自動化等領域的發展，跟蹤和趕上世界先進水平均有重要意義。 　　 隨著電力電子學、微電子學、傳感技術、永磁技術和控制理論的驚人發展，尤其是先進控制策略的成功應用，交流伺服系統的研究和應用，自上世紀80年代末以來的短短二十幾年間，取得了舉世矚目的發展，已具備了寬調速范圍、高穩速精度、快速動態響應及四象限運行等良好的技術性能，其動、靜態特性已完全可與直流伺服系統相媲美，多年來的“交流伺服取代直流伺服”這一愿望正逐漸變為現實。可以預見，交流伺服系統的研究將繼續成為電氣傳動領域的一個研究熱點，并將帶動相關產業的迅猛發展，因此有必要對交流伺服系統及其先進控制策略的發展有一個全面了解。本文正是基于此目的，對交流伺服系統及其控制策略進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展。 伺服系統發展階段 　　 伺服系統的發展緊密地與伺服電動機的不同發展階段相聯系，伺服電動機至今已有五十多年的發展歷史，經歷了三個主要發展階段： 　　 第一發展階段（20世紀60年代以前），此階段是以步進電動機驅動的液壓伺服馬達或以功率步進電機直接驅動為中心的時代，伺服系統的位置控制為開環系統。 　　 第二個發展階段（20世紀60－70年代），這一階段是直流伺服電動機的誕生和全盛發展的時代，由于直流電動機具有優良的調速性能，很多高性能驅動裝置采用了直流電動機，伺服系統的位置控制也由開環系統發展成為閉環系統。 　　 第三個發展階段（20世紀80年代至今），這一階段是以機電一體化時代作為背景的，由于伺服電動機結構及其永磁材料、控制技術的突破性進展，出現了無刷直流伺服電動機（方波驅動），交流伺服電動機（正弦波驅動）等種種新型電動機。 　　 進入20世紀80年代后，因為微電子技術的快速發展，電路的集成度越來越高，對伺服系統產生了很重要的影響，交流伺服系統的控制方式迅速向微機控制方向發展，并由硬件伺服轉向軟件伺服，智能化的軟件伺服將成為伺服控制的一個發展趨勢。伺服系統控制器的實現方式在數字控制中也在由硬件方式向著軟件方式發展；在軟件方式中也是從伺服系統的外環向內環、進而向接近電動機環路的更深層發展。 伺服系統的控制策略 　　 在一些動態性能要求不高的場所，由于開環變壓變頻控制方式控制規律簡單，至今仍在一般調速度系統中普遍應用。 恒壓頻比控制 　　 恒壓頻比控制方式是一種開環控制，它根據系統的給定，利用空間矢量脈寬調制轉化為期望的輸出Uout進行控制，使電機以一定的轉速運轉。但它是依據電機的穩態模型，從而得不到理想的動態控制性能。 　　 要獲得很高的動態性能，必須依據電機的動態數學模型。永磁同步電機的動態數學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展方向向前推進了一大步，使交流電機控制理論獲得第一次質的飛躍。其基本原理為：以轉子磁鏈的旋轉空間矢量為參考坐標，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，代表定子電流轉矩分量，然后分別對其進行獨立控制，獲得像直流電機一樣良好的動態特性。永磁同步電機d-q模型的轉矩方程為： Te=P[λfiq+（Ld-Lq）idiq] （1） 　　 矢量控制實際上是對電動機定子電壓或電流矢量的相位和幅值同時進行控制。從式（1）可以看出，當永磁體的勵磁磁鏈和直-交軸電感確定后，電動機的轉矩便取決于定子電流空間矢量is=id+jiq。也就是說控制id，iq就可以控制轉矩，從而控制轉速。但矢量控制方法在實現時要進行復雜的坐標變換，而且對電機的參數依賴性很大，難以保證完全解耦，使控制效果打了折扣。 直接轉矩控制 　　 上世紀80年代，Depenbrock教授提出了異步電機直接轉矩控制方法。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雜的坐標變換，定子磁鏈的估計僅涉及定子電阻，減速弱了對電機參數的依賴性，該控制方法簡單，轉矩響應快，動態性能好。目前已有一些學者致力于該控制方法應用于永磁同步電機，已取得了很大的發展。在定子上的旋轉坐標為x，y；轉子的旋轉坐標為d，q；它們都互為90度。X軸與d軸的夾角為負載角δ，可以證明在定子磁鏈幅值|λs|保持恒定的條件下，電磁轉矩正比于轉子磁鏈λr及其與λs間夾角δ的正弦。在穩態情況下，δ恒定，對應于相應的轉矩，定、轉子磁鏈以同步速度旋轉；在動態過程中，δ隨負載變化，定、轉子磁鏈瞬時速度會出現差異，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，調節定子磁鏈的速度和運動方向同時通過調節負載角δ來完成對電磁轉矩的控制。 反饋線性化控制 　　 以上三種控制策略都已經獲得成熟的應用，然而它們都只是從物理關系上構成轉矩與磁鏈的近似解耦控制，沒有或較少應用控制理論。永磁同步電機從本質上是一個非線性、多變量系統，反饋線性控制是研究非線性控制系統的一種有效方法，它通過非線性狀態反饋和非線性變換，實現系統的動態解耦和全局線性化，從而控線性控制理論來設計，以使系統達到預期的性能指標。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和一個非線性狀態反饋給出解耦結構，需將問題變換到“幾何域”，因而方法抽象，不利于工程應用。但它從較高的數學高度考慮問題，在理論上比較容易展開。（2）動態逆控制，它采用非線性逆系統理論來設計控制律，有人也稱它為直接反饋線性化方法，該方法物理概念明確，用到數學簡單。 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計： （1） 選取系統的一個狀態，構成子系統，構造子系統的Lyapunov函數，設計假定控制函數，使子系統穩定； （2） 基于（1）的假定控制，設計誤差變量，由誤差變量和前面的子系統組成新的子系統，構造新的子系統的Lyapunov函數，再設計假定控制，使新的子系統穩定； （3） 如果還沒有得到系統的實際控制，則返回（1）繼續設計，如果得到系統的實際控制，則向下設計； （4） 設計系統的實際控制，保證整個系統穩定。 反推控制能夠實現永磁同步電動機系統的完全解耦，而且設計方法比較簡單，能夠保證系統穩定。 滑模變結構控制 　　 滑模變結構控制是變結構控制的一種控制策略，它與常規控制的根本區別在于控制的不連續性，即一種使系統“結構”隨時變化的開關特性，它也屬于Bang—Bang控制的范疇。其主要特點是，根據被調量的偏差及其導數，有目的地使系統沿著設計好的“滑動模態”的軌跡運動，與被控制對象的參數和擾動無關，因而使系統具有很強的魯棒性。但它在系統中不可避免地帶來“顫抖”問題。 自適應控制 　　 在以上控制策略中，或多或少由于電機模型參數的變化，使系統控制性能變差。因此，提出了自適應控制，它在系統的運行過程中不斷提取有關模型的信息，讓控制策略根據新的信息來調整，它是克服參數變化影響的有力手段。現在應用于控制的自適應方法有模型參考自適應、參數辯識自校正控制及其新發展的各種非線性自適應控制。但所有這些方法都存在的問題：一是數學模型和運算繁瑣，使控制系統復雜化；二是辯識和校正都需要一個過程，對一些參數變化較快的系統，就會因來不及校正而難以產生很好的效果。隨著DSP控制器的出現，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學模型的依賴，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應用中較為成熟的，當數模糊控制和神經網絡控制，而且大多是在模型控制基礎上增加一定的智能控制手段，以消除參數變化和擾動的影響。 模糊控制 　　 其中模糊控制是利用模糊集合來刻畫人們日常所使用的概念中的模糊性，使控制器能更逼真地模仿熟練操作人員和專家的控制經驗與方法，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PID控制器為目的，魯棒性雖有所加強，但一般模糊控制器沒有積分作用，在伺服系統有負載擾動時會出現靜差。而增加了積分效應的模糊控制器，雖相當于變系數PID調節器，可以實現無靜差控制，但是單純地將一個簡單的傳統模糊控制器用于高精度電機伺服系統，還不能得到令人十分滿意的性能。模糊控制系統只有與其他控制方法相結合，才能獲得優良的性能。如模糊PID等。 神經網絡控制 　　 神經網絡控制在交流伺服中的應用主要有下面幾個方面：（1）代替傳統的PID控制；（2）由于實際的矢量控制效果對伺服系統參數很敏感，將神經網絡用于電機參數的在線辨識、跟蹤，并對磁通及轉速控制器進行自適應調整；（3）無速度傳感器矢量控制需要知道轉速，神經網絡被用來精確估計位置及轉速；（4）結合模型參考自適應控制，將神經網絡控制器用于自適應速度控制器。 雖然將智能控制用于交流伺服系統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驗設計，對系統性能（如穩定性和魯棒性）缺少客觀的理論預見性，且設計一個系統需獲取大量數據，設計出的系統容易產生振蕩。 當前交流伺服發展方向 　　 綜合交流伺服系統的發展與現狀，可以十分清楚地看出其發展趨勢，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交流伺服，但仍存在許多問題待解決，如系統精度、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：提高轉速估計精度的同時改進控制性能，增強系統抗參數變化等。 　　 實用化 　　 目前高性能的交流伺服系統主要依靠進口，這種現狀限制了我國高科技產業化的發展。因此，通過借鑒國外研究工作的先進經驗，從高起點出發，盡早研制出具有國際水平的高性能、產品化的交流伺服系統。 　　 網絡化 在國外，以以太網為基礎的工業自動化得到長足的發展，為適應這一發展趨勢，最新的伺服系統都配置了標準的串行接口和專用的局域網接口，它增強了伺服單元與其它控制設備間的互聯能力，從而與CNC系統間的連接也變得簡單。