機器人系統中交流伺服電機控制研究

莊 麗

（包頭職業技術學院，包頭 014030）

0 引言

工業機器人是集合了多個學科的高新技術設備，在各個領域應用廣泛，最近幾十年發展迅速，在當今經濟發展中起到至關重要的作用，并且對未來的工業發展起到關鍵的促進作用。當前工業機器人技術使其自動化程度很高，可靈活應用，同時抗干擾能力強，可以勝任大多數的生產環境，可以一定程度上代替人類的體力和腦力勞動[1]。機器人動作的實現歸根結底是伺服電機來實現的，從一定意義上講，工業機器人的性能取決于伺服驅動控制系統的性能。在工業機器人應用中，對交流伺服系統提出了較高的性能要求，可以歸納為啟動速度快，動態性能好，適應頻繁啟停并且可以最大轉矩啟動，調速范圍要求寬并且在整個調速范圍內平滑連續，抗干擾能力強等。交流永磁同步電機能夠滿足上述的性能要求，已經逐漸成為工業機器人驅動電機的首選[2]。

為了實現更好的電機控制性能，各種伺服控制策略大量出現，各控制策略都有各自的特點。恒壓頻比控制是控制輸出電壓和輸出頻率之比為常數，使電機的磁通量為固定值來控制電機速度，控制實現方法簡單、運行穩定。但是該方法不能直接控制轉矩，性能較低；矢量控制方法是將電機定子電流矢量經過坐標變換分解為相互正交的交直軸分量，可以等效成直流電機控制，該方法原理較簡單，動態性能較好，但也存在計算量大，不能完全解耦的問題；直接轉矩控制是采用定子磁場定向的控制方式，對交流電機的電磁轉矩進行直接控制，其優點是轉矩動態響應快，缺點是在轉速較低時轉矩脈動大。

本文在對上述控制方法研究的基礎上，將矢量控制與模糊控制理論結合實現伺服控制器的參數自整定。自主設計了硬件工作電路，通過專用微控制器軟件設計完成具體的算法設計。實現了機器人交流永磁同步電機的快速穩定控制。

1 永磁同步電機矢量控制

永磁同步電機（PMSM）通常定子上有A、B、C三相對稱繞組，轉子上裝有永磁體。定轉子相對運動，電磁關系復雜。為簡化分析，假設忽略磁路飽和、磁滯及渦流損耗，忽略轉子上的阻尼繞組，忽略溫度影響，并假設氣隙磁場為理想正弦分布。

當永磁同步電動機（PMSM）定子繞組中通三相交流電時，可以得到基于電磁感應定律和基爾霍夫定律的定子電壓，定子磁鏈與轉子耦合磁鏈的方程式[3]。首先約定UA、UB、UC分別為定子繞組相電壓；iA、iB、iC分別為定子繞組相電流；ΨA、ΨB、ΨC為定子繞組磁鏈；ΨrA、ΨrB、ΨrC為各繞組耦合磁鏈；RS為定子繞組電阻；Ls為定子繞組電感；Ψr為轉子磁鏈幅值。則方程式可以表示為，

經過CLARK和PARK坐標變換，可以得到兩相同步旋轉dq坐標系下的方程式[4]，

其中電壓方程為

另外，磁鏈方程可表示為

根據上述坐標系變換后的方程，可以對永磁同步電機的定子電流矢量進行解耦。解耦后的方程可以使用矢量控制的方法進行控制。其中id=0的方法最為簡單，在該方法中直軸勵磁電流分量為零，根據系統的性能要求來控制交軸分量的幅值和方向就可以實現對永磁同步電機的實時控制[5,6]。交流永磁同步電機的矢量控制結構圖如圖1所示。

2 控制器參數模糊自整定

從PMSM的矢量控制結構圖可以容易看出，交流伺服驅動通常需要電流內環和速度外環的雙閉環控制器。這種控制通常采用PID控制器，可以得到較好的控制效果和魯棒性（robustness）[7]。交流伺服驅動系統具有二階系統的特征，PID控制器設計時引入微分作用可能使系統抗干擾能力下降，使系統不穩定產生振蕩，因此在電流環及速度環設計中舍去微分環節，僅保留比例和積分環節。

圖1 矢量控制結構圖

其中比例環節增益kp主要是增加系統的跟蹤能力，影響系統的控制精度。當kp增大時，控制系統的響應能力增強，反饋與給定參考值的誤差減小，控制精度得到提高。不過比例增益過大時，系統會出現較大的超調量，甚至控制系統出現震蕩不能穩定運行。當kp減小時，控制系統的調節速度變慢，使系統的動、靜態性能都變差。積分環節增益ki主要是減小穩態系統誤差，使系統達到無靜差的控制效果。積分增益的特性與比例增益相似，過大會導致系統出現很大的超調，動態性能變差，過小使系統很難去除穩態誤差，靜態和動態性能都不好。

比例增益Kp和積分增益ki的合理選擇會影響伺服控制系統的整體穩定性和響應跟蹤能力。比例增益Kp和積分增益ki的設計通常是伺服控制系統的重點也是難點。傳統的PID控制器參數設定完成后，在系統運行過程中不可進行改變，當系統參數變化或者有負載突變的情況下，不可改變的控制參數對系統的動態性能有一定的影響。因此，控制參數自整定技術在實際應用中有一定的需求。

基于模糊理論的參數自整定方法在工業控制中得到了一定的應用。模糊理論是模仿人對系統的控制思維來對被控系統各參數變化及負載擾動做出改變，但是單獨使用模糊理論還不足以達到精度的高要求[8]。因此我們可以結合經典PI調節器高控制精度的特點，將模糊控制與經典PI控制器有機結合，使PI調節器可以在動態控制過程中調整控制參數得到更好的動態控制效果。圖2為模糊參數自整定控制結構。

圖2 模糊參數自整定控制結構

3 實驗驗證

為了驗證基于模糊理論參數自整定的伺服控制方法的優越性，本文設計了一套實驗方案來檢驗。采用可控智能整流模塊及逆變模塊的背靠背硬件結構。硬件主要包括三菱1200V等級IPM功率模塊，德州儀器F28377D雙核微控制器等。交流伺服電機選用Siemens 1FK7高動態型（HD）永磁同步電機。在同樣的硬件平臺下分別采用模糊參數自整定PI控制和經典PI控制兩種方案對PMSM進行控制實驗，比較速度表現及轉矩表現。

首先觀測電機突然加速過程中兩種控制方法的速度表現，圖3為突然加速到1500r/min的情況。從圖中我們可以看到模糊參數自整定PI控制方式在平穩性和穩態誤差方面有一定的優勢。

圖3 突加轉速速度波形

實驗在固定轉速下突加負載時兩種控制方法的轉速變化情況，圖4給出了突加負載轉速擾動的情況。不難看出，模糊參數自整定PI控制方法轉速更快的恢復穩態，動態控制效果更優于經典PI控制器方式。

4 結論

圖4 突加負載時速度表現

本文概述了機器人系統中交流伺服電機控制理論及設計方法。分析了經典PID控制器應對機器人交流伺服電機啟動速度快，動態性能好，適應頻繁啟停并且可以最大轉矩啟動等要求表現出的不足，設計了模糊理論參數自整定與經典PI控制器有機結合的方法，可以有效的改善交流伺服電機的穩態速度穩定性及負載擾動的快速恢復性。通過對比試驗驗證了本文所涉及方法的有效性。本文所設計的方法不局限于工業機器人交流伺服電機控制，更可以擴展到諸如數控機床等對伺服電機有高性能要求的應用中，具有一定的使用價值，對于推動工業機器人在工業上的應用起到一定的積極作用。

[1]李瑞峰.中國工業機器人產業化發展戰略[J].航空制造技術,2010:32-37.

[2]寇寶泉,程樹康.交流伺服電機及其控制[M].機械工業出版社,2008.

[3]李崇堅.交通同步電機調速系統[M].科學出版社,2006.

[4]廖曉鐘,劉向東.控制系統分析與設計[M].清華大學出版社,2008.

[5]Lin F J, Lin C H.A Permanent-magnet Synchronous Motor Servo Drive Using Self-Constructing Fuzzy network controller[J].IEEE transactions on energy conversion,2004:66-72.

[6]牛洪海,趙榮祥,吳茂剛.基于模糊PI參數自整定的永磁同步電動機矢量控制系統[J].電氣應用,2005,24(12):79-82.

[7]黃峰,岳峰,顧軍,等.模糊參數自整定PID控制器的設計與仿真研究[J].光學精密工程,2004,12(2):235-239.

[8]孫增圻,鄧志東,張再興.智能控制理論與技術[M].清華大學出版社,2011.