第1章机电伺服控制系统概述
机电伺服控制系统（Electromechanical Servo Control System）是实现从电能到机械能转换的有效装置，它广泛应用于仪表、飞行器、光电跟踪、机器人、航空航天等各种领域。典型的机电伺服控制系统组成如图1-1所示，其主要由电动机、功率变换器、调制器、控制器、负载、主控计算机和电源等组成。
下面对机电伺服控制系统的各主要组成部分进行简要介绍。
1）电动机
电动机是机电伺服控制系统的执行部件，它实现了电能到机械能的转换。典型的电动机分为两大类，即直流电机和交流电机。其中，交流电机由于取消了换向器，其结构更简单、更可靠，也更便于制造成高转速、高电压、大电流和大容量的电机。如图1-2所示，交流电机的功率覆盖范围很大，低至几瓦，高至几十兆瓦。因此，目前交流电机在机电伺服控制系统中得到了更为广泛的应用。交流电机包括交流感应电机、交流永磁同步电机以及交流开关磁阻电机等。
2）功率变换器功率变换器包括一系列的电力电子开关，这些开关主要用来实现电源与电机之间能源的传递。电力电子开关的打开和关闭都会产生开关损耗，因此功率变换器的效率不会达到100%，大功率电力电子器件的能量通常以发热的形式散失。近年来，电力电子器件技术迅速发展，设计人员可以根据设计需求，在众多类型的功率变换器中进行合理的选择。目前，工业上常用的功率变换器包括功率场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。
3）调制器
调制器主要用来控制功率变换器中电力电子开关的打开与关闭，其调制周期通常在微秒量级。调制器一般通过脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）的方式输出调制波形，脉宽调制的载波频率通常在几千赫兹到100kHz之间。
4）控制器
典型的控制器硬件是指数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）或者微控制器 （Microcontroller Unit，MCU）。在控制器中嵌入了一系列控制程序，包括电流闭环控制程序、速度闭环控制程序、位置闭环控制程序以及故障保护程序等。控制器通过采集各种传感器信号以及接收主控计算机的参考指令进行闭环运算，输出调制器所需要的控制参数，*终实现系统伺服控制的目标。
5）负载
负载是机电伺服控制系统的核心部件，是系统伺服控制的目标对象。负载与电机的连接一般根据应用需求进行设计，但其连接方式对整个机电伺服控制系统的性能具有一定的影响。在高动态响应的伺服控制系统中，通常选择基于大力矩电机的直驱形式，即电机转轴与负载直接连接；而在动态响应要求较低的应用场合，通常采用力矩相对较小的电机带动齿轮传动的间接驱动形式。此外，为了达到负载的控制性能要求，通常需要在电机或负载的转轴上安装传感器来实时检测它的位置、转速以及力矩等反馈信息。
6）主控计算机
主控计算机是机电伺服控制系统的操控者，它可以是一套嵌入式微型处理器，也可以是一台计算机。主控计算机与控制器通过数字通信连接进行远程控制和故障诊断。目前，工业伺服控制领域比较成熟的实时通信协议有 CAN总线协议、EtherCAT协议和 PowerLink协议等。
7）电源
这里的电源指的是功率变换器所需要的直流电源。直流电源通常通过对单相或者三相交流电进行整流和滤波的方式获得。
1.1 电机驱动控制技术的发展
一百多年前，电动机的出现使其成为工业革命后的主要驱动力。它在各种机电系统中的应用大力推动了电机及其驱动控制技术的快速发展。其中，交流电动机具有结构简单、制造方便等优点，在高转速、高电压、大电流、大容量的场合具有良好的应用性能。功率变换器的出现进一步促进了交流电动机的速度和转矩控制的发展。此外，高精密传感器、控制器以及数字控制技术的不断进步，使得电机驱动具有较强的鲁棒性并且可以实现高精度的位置和速度控制，这令其在电气自动化、数控机床、自动化生产线、工业机器人，以及各种军、民用装备等领域获得了广泛应用。本节将对机电伺服控制系统中的交流电动机、功率变换器、传感器以及嵌入式控制器等主要部件的技术发展情况进行介绍。
1.1.1 交流电动机
相比于直流有刷电动机，交流电动机在结构上取消了机械电刷，因此，消除了因为机械换向而产生的电火花，具有更高的可靠性。此外，交流电动机还具有较高的气隙磁通密度、功率密度和力矩惯量比。交流电动机的上述优点，有助于提高机电伺服控制系统的控制性能。因此，在当前的机电伺服控制领域，交流电动机的应用占据了主导地位。
常用的三种类型的交流电动机包括感应电机（也称异步电机）、永磁同步电机和开关磁阻电机，如图 1-3所示。从感应电机和永磁同步电机的结构图可以看出，电机主要由一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子组成。高性能、低成本的嵌入式控制器的出现，使得空间矢量控制方法广泛应用在交流电动机的伺服控制系统中。通过矢量控制方法可以将交流电动机的控制等效为直流有刷电机的控制，在提升伺服控制系统动态性能的同时，可降低电机力矩波动的影响。
功率密度是交流电动机的重要性能参数，它的物理意义是指电机的输出功率与电机质量的比值（单位是kW/kg）。电机的功率密度从20世纪初的0.02kW/kg发展到1970年的0.15kW/kg，呈现“S曲线”的增长走势。由于受到电机温升的限制，功率密度在当时稳定在0.16kW/kg左右。电机的平均使用寿命随温度变化的曲线如图 1-4所示，如果温度限制在200℃，预计平均使用寿命可达80000h，温度决定了目前交流电动机的功率密度水平。
近年来，在发展高效磁性材料以降低涡流和磁滞损耗的同时，通过改进绝缘材料，使得交流电动机能够在更高的温度下获得更长的工作时间，极大地提高了交流电动机的性能。目前，交流电动机的功率密度可以达到（1.2～3.5）kW/kg。
对交流电动机的发展趋势做如下简单归纳。
（1）高效率化：包括电机本体的高效率化和驱动系统的高效率化。电机本体的高效率化体现在对永磁体材料的改进和更好的磁铁结构安装设计；驱动系统的高效率化体现在加减速性能的优化、再生制动和能量反馈等方面。
（2）一体化和集成化：电动机、反馈、控制和通信一体化集成是当前交流电动机发展的趋势，这种集成方式使得电动机的设计、制造、运行和维护更为紧密地融为一体。
（3）专用化和多样化：利用磁性材料的不同性能、不同形状、不同表面黏接结构，满足特定应用场合的针对性定制设计要求。
（4）小型化和大型化：交流电动机在功率方面朝着两极分化的趋势发展，小功率的电机功率可以做到不足1W，大功率的电机可以到几兆瓦甚至几十兆瓦。
在交流电动机中，永磁同步电机具有良好的瞬态性能和机械特性，以及相对平滑的转矩控制性能，因此它比较适合应用于高精密的机电伺服控制系统。本书将以永磁同步电机为执行对象对机电伺服控制系统的设计进行介绍。
1.1.2 功率变换器
功率变换器是以弱电控制强电的功率转换接口，是电机驱动控制硬件装置中必不可少的一部分。如图1-5所示，工业上常见的功率变换器包括巨型晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和绝缘栅双极型门控晶闸管（IGCT）等。随着大功率半导体技术的发展和完善，功率变换器在电子工程的各个领域得到广泛的应用。随着对资源保护需求的不断提高，对功率变换器的生产成本和功耗也提出了更高的要求。因此，发展低成本和高效率的功率半导体器件对未来电机驱动的发展具有十分重要的意义。
随着半导体工艺技术的进步，功率变换器正不断向着高速低耗、高集成度微型化和高智能化的方向发展，因此出现了智能功率模块（Intelligent Power Module，IPM）。IPM采用IGBT作为功率开关元件，IGBT驱动功率小并且饱和压降低，非常适合应用于交流电机的驱动控制。此外，IPM模块中含有三相逆变桥路，集成了过温、欠压、短路等故障保护电路，可以实现故障诊断、电路保护等多种功能，是一种经济实用的智能型功率集成器件。电机驱动的功率变换器使用范围分布如图1-6所示。可以看出，通过对功率半导体和半导体器件的并联与串联连接，几乎可以满足所有电机驱动功率的需要。对功率变换器的未来总体发展方向做如下归纳。
（1）扩大功率模块的集成规模；
（2）降低半导体控制和开关时的损耗；
（3）扩展工作温度的范围；
（4）提高使用寿命、稳定性和可靠性；
（5）提高控制、监测和保护功能的集成；
（6）降低系统成本。
1.1.3 传感器
交流电动机的转矩闭环控制需要采集电机的三相正弦波电流作为反馈信号。电机相电流信号通常采用电流传感器进行检测，高性能的交流电机转矩控制对电流传感器提出了以下要求：①出色的精度；②良好的线性度；③低温漂；④高频带宽度；⑤强电流过载能力。瑞士莱姆公司的高精度电流传感器如图1-7所示，它们通过采用霍尔原理的闭环补偿传感器，能够实现对直流、交流、混合和脉冲等多种电流进行检测。此外，LEM公司的高精度电流传感器的原边和副边是绝缘隔离的，具有抗外界干扰能力强的优点。
图1-7瑞士莱姆公司的高精度电流传感器另外，高精度的位置传感器，可以为机电伺服控制系统提供高精度的速度和位置反馈信号，是实现高性能位置控制系统的重要基础。旋转变压器、磁性编码器和光电编码器是三种常见的位置传感器。旋转变压器的特点是通过改变控制电路，便可改变其分辨率。它本身坚固，适应环境能力强，同时有较强的抗振动冲击能力，但是也存在原理不易掌握、信号处理电路复杂等缺点。磁性编码器的特点是其适合用于高速运动场合的电机速度和位置检测，环境适应性较强，缺点主要体现在磁鼓的惯性大以及分辨率低。光电编码器的主要部件是圆光栅和读数头，根据是否能够检测转轴绝对位置，分为绝对式和增量式两种。可以实时检测转轴绝对位置的为绝对式光电编码器，它采用二进制的编码方式，编码位数越高，分辨率越高。增量式光电编码器因其自身检测原理，分辨率更加容易提高，但是无法输出转轴的绝对位置。图 1-8所示为德国海德汉公司的密封式高精度位置编码器，该系列编码器能够适应高速度、高加速度的机电伺服控制系统，是高性能伺服控制系统的良好选择。
对机电伺服控制系统传感器的发展方向做如下简单归纳。
（1）提高传感器的可靠性和使用寿命；
（2）提高传感器的重复精度和线性度；
（3）提高传感器的速度和加速度响应带宽；
（4）提高传感器对复杂使用环境的抗干扰能力；
（5）降低传感器的成本。
1.1.4 嵌入式控制器
近年来，微型计算机和大规模集成电路得到了迅速发展，伺服控制系统也从模拟控制方式转换到数字控制方式，逐渐走向高频化和智能化。机电伺服控制系统中信号采集、处理和传输，控制算法计算，系统故障监测和保护等功能均由伺服控制器来完成。微处理器是控制模块的中心大脑，负责所有信息的传输和处理，它的性能基本可以代表控制器的性能。
在伺服控制领域中常用数字微处理器，其发展经历了从专用集成电路，到单片机，再到数字信号处理器（DSP）以及现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）几个阶段。目前，交流电机伺服控制系统普遍采用DSP作为控制芯片，设计相应的外围电路以完成对电机的控制。DSP芯片的时钟频率高，CPU运算速度快，同时具有独立的程序和数据空间，在对数字信号实时处理要求较高的场合可轻松地完成复杂控制算法。此外，DSP芯片还集成了A/D转换模块、PWM输出模块以及串口通信模块等，可以很方便地实现数据的采集和通信，降低了硬件驱动的复杂程度。目前，交流电机控制领域广泛使用的数字信号处理器（DSP）是美国德州仪器公司（简称：TI公司）的定点式的 TMS320F2812、浮点式的 TMS320F28335
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