交流伺服系统控制研究综述

交流伺服系统控制研究综述

李方舟 郝巨东 李丽 李阳 梁海峰

北方自动控制技术研究所 030006

摘要：随着对交流伺服系统控制精度要求的不断提高，相应的控制方法和算法也在不断优化和改进。针对目前常用于交流伺服系统控制的策略和方法进行了简要归纳和分析，并对其未来的发展进行了总结和展望。

关键词：交流伺服系统;控制策略

随着技术的发展，以永磁同步电机为执行机构的全数字伺服系统，正在逐步取代以直流电机、步进式电机作为驱动的模拟式伺服系统。全数字控制的伺服系统克服了以往存在的零点漂移、系统柔性不足等方面的问题。但是，永磁同步电机的控制过程中存在非线性、强耦合、参数时变等问题^[1]，在运行过程中永磁同步电机还会受到外界负载变化扰动、恶劣环境条件等因素的影响。为了提高对交流伺服系统的控制性能，数十年来国内外的众多学者对交流永磁同步电机的模型进行了解析，提出并改进了许多先进的控制策略和方法，使交流伺服系统的稳定性、抗扰动能力、环境适应性不断提高。

1控制策略

1.1矢量控制

矢量控制策略在1971年提出，坐标变换是矢量控制策略的基础，交流永磁同步电机的定子电流经过坐标变换矩阵后，被分解到同步旋转坐标系中。控制同步旋转坐标系中的电流幅值和方向，能够对电机磁场和转矩解耦并分别控制。矢量控制策略的提出将交流永磁同步电机等效为了直流电机进行控制，这使交流伺服系统的控制能力迈上了一个新的台阶。目前结合永磁同步电机矢量控制策略而设计的控制方法，包括了电机转速控制、定子电流控制和PWM控制算法的设计3个主要方面。

1.2直接转矩控制

直接转矩控制在1985年由德国鲁尔大学教授提出，该策略吸取了矢量控制中坐标变换的思想。直接转矩控制将转矩视为直接控制量，磁链被作为观测量计算电机转速，形成速度反馈闭环，完成伺服控制。与矢量控制相比，直接转矩控制策略对定子电阻之外的其他电机内部参数变化具有更好的控制效果。但在转矩扰动和磁链扰动的小转速情况下，直接转矩控制由于难以得到精确的速度反馈量而导致系统稳定性较差。目前直接转矩控制策略大多与以对磁链和转矩精确观测、补偿和抑制为目标的控制方法结合，提高电机低速控制性能。

2 控制方法

2.1 PID控制

PID控制是最早得到发展和应用的控制策略之一，其控制原理是将系统误差过去、现在和将来的变化趋势组合并加权转化为对被控对象的控制量，使误差不断降低，最终维持系统稳定。

PID控制的优势在于其软件控制算法简单，容易实现，并具有较强的鲁棒性。长期以来，PID控制经受住了各种先进控制算法的挑战，在各种工业控制中的应用率最高。但对于大时滞、参数时变的被控对象，其往往无法达到令人满意的控制效果。而且在复杂系统中，PID控制也无法保证对设定值的跟踪精度以及无法将外界扰动抑制在很小范围内。

2.2模糊控制

模糊控制以模糊数学、模糊逻辑等学科为理论基础，将系统误差和误差变化反馈量输入到模糊规则控制器中，通过已设计好的规则语句处理后得到相应的控制量，对系统进行实时控制，最终让系统达到稳态。模糊控制实现方法简单、处理速度快、实时性强，但也存在着精度不高、环境适应性有限等问题。随着计算机控制技术的不断发展，许多研究学者采用模糊控制的思想对其他的控制方法进行优化，或是将其与智能算法相结合，动态调节模糊控制率，从而达到更好的控制效果^[2]。

2.3滑膜控制

滑膜控制是一种变结构控制方法，这种控制方法不关注被控对象特性，只考虑控制器本身的滑模面和滑模面趋近率的设计，所以其具有较强的鲁棒性。

在控制器设计过程中，首先需要确定滑膜面函数，根据其求解滑膜控制器函数，并依据滑动模态可达性条件选择合适的滑膜趋近率，即滑膜面函数的一阶导数，以保证控制过程中系统不断趋近给定值。但是普通滑膜控制的系统在规定的状态面上来回运动时，因惯性作用而存在抖振并无法在短时间内达到平衡点。目前研究中通常采用改进滑模面函数以及趋近率的方法进行研究，包括目前使用的快速终端滑膜控制、非奇异终端滑膜控制等方法，使系统对目标的跟踪效率和抗扰动能力极大提升。

2.4自抗扰控制

非线性自抗扰控制是在PID控制误差反馈的控制思想上改进而形成。控制过程中，扩张状态观测器实时观测并估计被控对象输出及输出量的多阶状态，并与系统实际信号量进行比较得到观测误差，非线性反馈控制器根据多阶反馈误差输出相应的控制量，最终使系统达到既定目标值^[4]。非线性自抗扰控制器在设计过程中，控制函数复杂且需要整定大量参数。

21世纪初，高志强教授通过线性化的方法将其跟踪微分器和非线性反馈控制器替换为线性控制器，并提出了带宽整定法将需要整定的参数减少为3个，进一步推动了自抗扰控制的发展和应用。虽然需整定的参数数量减少、模型得到了简化，但这也限制了线性自抗扰控制对被控对象的适用性，在设计过程中需考虑被控对象的数学模型的阶数等特点。

2.5复合控制

通过对比可以发现，不同的控制方法的控制需求、控制效果各有优劣。因此，目前对控制方法的研究过程中，以上提到的控制方法已不再是单一系列理论，研究学者将不同的控制方法互相融合，再使用神经网络、粒子群等智能算法进一步对控制器进行优化，从而得到更好的控制效果。比如有学者采用RBF神经网络对被控对象工作过程中的参数时变问题进行观测或预测，实现控制器参数的动态调整；有学者采用粒子群算法在控制器参数设计过程中寻找最优的参数，以提升控制器性能；再有学者通过灰色预测理论对扰动或误差进行实时预测，根据预测量对控制量实时补偿。

3 结束语

本文对常用的交流伺服系统控制方法特点进行了分析，明确了各种方法存在的优缺点。交流伺服系统控制未来的发展方向必然是将多种控制方法相结合的控制策略，目前对与神经网络、智能算法相结合的复合控制方法的理论研究已取得了一定成绩，但实际的工程应用和推广还任重道远。

参考文献

[1]林伟杰. 永磁同步电机伺服系统控制策略的研究[D].浙江大学,2005.

[2]崔家瑞,李擎,张波,刘广一.永磁同步电机变论域自适应模糊PID控制[J].中国电机工程学报,2013,33(S1):190-194.DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2013.s1.030.

[3]魏维. 基于滑模控制的永磁交流伺服系统研究[D].北京交通大学,2018.

[4]朱儒,刘鲲鹏,崔恒彬,王永.自抗扰控制技术在永磁同步电动机速度控制中的应用[J].微特电机,2014,42(05):60-62+65.