【門窗幕墻網(wǎng)】隨著自動(dòng)化行業(yè)的不斷發(fā)展，自動(dòng)門系統(tǒng)發(fā)展迅速在電梯、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi)外各種門控系統(tǒng)都采用交流異步電機(jī)、減速機(jī)和變頻器組成的自動(dòng)門系統(tǒng)。交流異步電機(jī)配變頻器解決方案有著成本低的優(yōu)勢，但也存在著能耗高、控制性能差、缺乏安全性的缺點(diǎn)，在關(guān)門過程中即使有人卡在門里面也無法自動(dòng)停止，容易造成人員傷亡和電機(jī)燒毀事故，存在安全隱患。近幾年交流伺服電機(jī)的大批量使用，使其成本不斷降低，它在自動(dòng)門系統(tǒng)的應(yīng)用成為今后自動(dòng)門發(fā)展的方向。由于伺服電機(jī)有著良好的控制性能，能夠?qū)崿F(xiàn)柔性無沖擊開關(guān)門，在關(guān)門途中如果有人卡住了能夠自動(dòng)檢測并停止關(guān)門，保證了人員的安全，對于提高自動(dòng)門的安全性具有重要意義。
　　一、伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　伺服控制系統(tǒng)主要包括主控電路，功率驅(qū)動(dòng)電路按鍵顯示電路和伺服電機(jī)。主控電路以CPU為核心，外圍電路包括串行通信接口電路、電源轉(zhuǎn)換電路，光電編碼器速度位置檢測電路。功率驅(qū)動(dòng)電路包括逆變器主回路，IGBT驅(qū)動(dòng)電路，電流電壓檢測電路，過流指示保護(hù)電路。伺服電機(jī)用來控制門的開關(guān)。
　　二、伺服控制的現(xiàn)狀
　　(1)電機(jī)的發(fā)展
　　從上個(gè)世紀(jì)六十年代起，電伺服系統(tǒng)開始逐漸取代液壓伺服系統(tǒng)。但是七十年代以前的伺服系統(tǒng)大多采用步進(jìn)電機(jī)，雖然控制方式簡單，但是控制精度較差。而八十年代之后的伺服系統(tǒng)則大量開始采用直流電機(jī)，由于直流伺服系統(tǒng)控制方式簡單，響應(yīng)速度快，定位精度和跟隨精度較高，速度穩(wěn)定性高，并具有良好的輸出特性，因而直流伺服系統(tǒng)一度處于主導(dǎo)地位。但是，由于直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、故障多、維護(hù)困難而影響生產(chǎn)；機(jī)械換向器的換向能力限制了電機(jī)的容最、電壓和轉(zhuǎn)速，接觸式的電流傳輸方式和電刷產(chǎn)生的火花又限制了直流電機(jī)的使用場合；電樞在轉(zhuǎn)子上造成電機(jī)效率低下，轉(zhuǎn)子散熱條件差。這些直流電機(jī)固有的缺點(diǎn)限制了直流伺服系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。
　　從80年代開始，交流伺服技術(shù)的進(jìn)步使交流伺服系統(tǒng)開始逐漸取代直流伺服系統(tǒng)。在電機(jī)本體方面，交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較直流電機(jī)小；其容量與體積之比較直流電機(jī)大。但是在控制策略上，采用交流電機(jī)的交流伺服系統(tǒng)更復(fù)雜，其伺服控制效果的好壞與采用的控制策略的優(yōu)劣有較大的關(guān)系。對于不同種類的交流電機(jī)須采用不同的控制策略。按電機(jī)的類型分類，目前的交流伺服系統(tǒng)主要包括感應(yīng)電機(jī)交流伺服系統(tǒng)、同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)和永磁電機(jī)交流伺服系統(tǒng)三大類。
　　感應(yīng)電機(jī)成本低、工藝簡單、維護(hù)方便，其控制方式常采用矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等控制策略，易實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行下的弱磁控制。但是由于轉(zhuǎn)子磁場的位置常常靠數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算得到，誤差較大，造成侗服控制的精度不高。使得感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)常常運(yùn)用于對控制精度要求不高的領(lǐng)域，如皮帶傳送機(jī)構(gòu)，排風(fēng)系統(tǒng)等。
　　相對于感應(yīng)電機(jī)，同步電機(jī)具有功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)子參數(shù)和轉(zhuǎn)子磁場可測、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的使用也越來越廣泛。由于同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由電樞電流頻率和電機(jī)極對數(shù)共同決定的，改變電機(jī)的電樞電流頻率就可以直接改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。但是同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用直流勵(lì)磁，故仍然配備滑環(huán)和炭刷裝置，加上需要配備直流勵(lì)磁電源，加大了運(yùn)行成本和維護(hù)負(fù)擔(dān)。
　　永磁電機(jī)是近幾年來發(fā)展比較快的一類新型電機(jī)，永磁同步電機(jī)具有其它類型電機(jī)無法比擬的優(yōu)勢：
　　與直流電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)去掉了機(jī)械換向器和電刷，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、運(yùn)行可靠、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)子發(fā)熱小、易實(shí)現(xiàn)大容量化等優(yōu)點(diǎn)。
　　與同步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)以轉(zhuǎn)子永磁磁鋼替代直流勵(lì)磁繞組并省去滑環(huán)和炭刷，減小了轉(zhuǎn)子損耗和發(fā)熱，提高了運(yùn)行可靠性和電機(jī)運(yùn)行效率。
　　與感應(yīng)電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有轉(zhuǎn)子無損耗、效率高、體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、快速響應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。此外，如果采用矢量控制方式，永磁同步電機(jī)的控制算法較感應(yīng)電機(jī)更簡單，更容易實(shí)現(xiàn)高精度控制。
　　與無刷直流電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩?zé)o脈動(dòng)，轉(zhuǎn)矩控制特性更好，在低速工況下運(yùn)行更穩(wěn)定，速度和位置控制精度都更高，能更好地實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)速。
　　這樣，在伺服控制領(lǐng)域中，永磁同步電機(jī)在運(yùn)行特性和控制方式上要大大地優(yōu)于傳統(tǒng)的直流電機(jī)、同步電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)和無刷直流電機(jī)；同時(shí)由于近幾年來稀土永磁材料和相應(yīng)控制技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機(jī)以其高轉(zhuǎn)矩／慣性比、高功率密度、高效率等優(yōu)勢在許多高性能高精度的伺服控制系統(tǒng)得到了廣泛地應(yīng)用。
　　(2)功率器件的發(fā)展
　　由五十年代出現(xiàn)的晶閘管(SCR)構(gòu)成的靜止變頻電源取代了旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組，實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速。然而，由于晶閘管屬于半控型器件，當(dāng)由其構(gòu)成的逆變器用于交流調(diào)試系統(tǒng)時(shí)必須附加強(qiáng)制換向電路。
　　從八十年代開始，以全控化、集成化、高頻化為特點(diǎn)的現(xiàn)代電力電子技術(shù)得到迅速發(fā)展，各種高頻、大電流、高可靠性的全控型功率器件，如功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效益晶體管(POWERMOSFET),門極絕緣雙極性晶體管(IGBT),靜電感應(yīng)晶體管(SIT)等先后間世。其中的MOSFET是單極性的電壓控制器件，不但具有場控自關(guān)斷能力，而且具有輸入阻抗大、管壓降小、工作頻率高、無二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挕岱€(wěn)定性好及驅(qū)動(dòng)電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。但是由于MOSFET的耐壓一般不高，在一些高電壓大功率場合中使用較少。
　　八十年代后期開始，高頻高壓高電流的新型復(fù)合器件的發(fā)展成為電力半導(dǎo)體器件發(fā)展的重要方向，其中尤以門極絕緣雙極性晶體管(IGBT)最為突出，在各個(gè)領(lǐng)域中有取代其它全控器件的趨勢。IGBT驅(qū)動(dòng)簡單，保護(hù)容易，開關(guān)頻率高，耐壓高。這些都使IGBT在實(shí)際運(yùn)用中具有了更大的吸引力。
　　九十年代中期出現(xiàn)的智能功率模塊(IPM)是將IGBT與其驅(qū)動(dòng)電路、控制電路和保護(hù)電路集成在一個(gè)模塊內(nèi)。這是向功率集成電路(PIC)的過渡產(chǎn)品。IPM不但能提供一定的功率輸出能力，而且具有邏輯、控制、傳感、檢測、保護(hù)和自診斷等功能，現(xiàn)今已成為功率器件發(fā)展中的一個(gè)重要分支。
　　(3)CPU的發(fā)展
　　在以前對電機(jī)的控制策略還不豐富，控制算法還不復(fù)雜的時(shí)候人們普遍使用一些8位或16位的微控制器來充當(dāng)系統(tǒng)的主控器。隨著控制策略和算法的發(fā)展，特別是矩陣運(yùn)算和矢量控制技術(shù)的提出，傳統(tǒng)的微控制器已經(jīng)越來越無法勝任這樣繁重的工作了。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的長足發(fā)展，數(shù)字信號處理器(DSP)的出現(xiàn)為人們提供了一個(gè)新的硬件平臺解決方案。
　　在電機(jī)控制領(lǐng)域，DSP體現(xiàn)出越來越突出的優(yōu)勢。相對于傳統(tǒng)的處理器而言，一個(gè)裝有DSP芯片的嵌入式系統(tǒng)，在執(zhí)行一些復(fù)雜軟件和高級算法方面，有著更高的效率。在電機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，早期的DSP主要用于控制算法的運(yùn)算，現(xiàn)在，DSP可以處理幾乎所有的工作。許多控制算法，包括自適應(yīng)、多變量尋優(yōu)、學(xué)習(xí)、自校正、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法和模糊邏輯，都可以用DSP實(shí)現(xiàn)。對于許多系統(tǒng)，必須估計(jì)系統(tǒng)參數(shù)，DSP有足夠的能力在處理其它任務(wù)的同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)辨識和參數(shù)估算。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，故障的診斷和保護(hù)功能是必不可少的，有DSP作控制器的系統(tǒng)能夠輕松地實(shí)現(xiàn)這些功能。另外，在許多控制系統(tǒng)中DSP還可以實(shí)現(xiàn)非控制功能，包括與上位機(jī)的通信、界面任務(wù)和總線操作協(xié)議等。
　　三、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方法
　　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)要對參數(shù)的變化和擾動(dòng)具有不敏感性。
　　(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)控制場合。
　　(2)經(jīng)典PID控制
　　PID控制器就是利用比例、積分、微分對系統(tǒng)的誤差進(jìn)行計(jì)算得出控制量從而對被控對象進(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)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，一直以來是工業(yè)控制的主要技術(shù)之一，能夠滿足多數(shù)伺服控制應(yīng)用領(lǐng)域。但在一些高程度應(yīng)用場合，很難滿足系統(tǒng)要求。
　　(3)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象精確的數(shù)學(xué)模型，但是與矢顯控制不同，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，無需復(fù)雜的坐標(biāo)變換。采用定子磁場定向，無需解耦電流轉(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，直接對逆變器的開關(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出來，對電機(jī)參數(shù)不敏感。
　　(4)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)、對參數(shù)及擾動(dòng)變化不敏感、無需在線辯識與設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)具有降階、解禍的功能，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)制在開關(guān)平面附近滑動(dòng)，具有完全的自適應(yīng)性和魯棒餅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。
　　(5)智能控制策略
　　經(jīng)典的或現(xiàn)代的控制策略都依賴于電機(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)的控制問題。智能控制策略具有非線性的特性，能夠解決控制對象、環(huán)境和任務(wù)更為復(fù)雜的系統(tǒng)。智能控制擺脫了對被控對象模型的依賴，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題。智能控制策略包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家系統(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。
　　四、結(jié)語
　　綜上所述，隨著電子技術(shù)、電機(jī)技術(shù)以及控制技術(shù)的發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)將待續(xù)得到提高，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)U(kuò)展到前所未有的空間。交流伺服系統(tǒng)將繼續(xù)作為工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)發(fā)展最快的分支，在門業(yè)控制系統(tǒng)中扮演極為重要的角色。
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