伺服位置检测技术现状与应用

1 引言        伺服控制系统是一种由反馈控制实现的高精度跟踪与定位随动系统，是雷达、火炮等军事装备和数控机床、机器人、生产线等工业数控系统的主要组成部分。其系统原理如图1所示。位置检测元件对机床工作台位移或伺服电动机转子角位移进行检测，将信号反馈到伺服控制器，既实现位置闭环控制又实现速度闭环控制。考虑到电流内环或转矩内环控制的存在，伺服控制系统是一种三回路闭环自动控制系统。         按照目前的应用现状，伺服位置检测技术可分为有位置传感器技术、准无位置传感器技术和无位置传感器技术三种。有位置传感器技术中所使用的位置传感器包括旋转变压器、光栅传感器和磁性编码器。准无位置传感器技术利用开关型霍尔元件提供的定位信息，通过预估算法获得转子位置信号。无位置传感器技术则与所采用的伺服电动机类型密切相关，直流无刷电动机和永磁同步电动机都有多种无位置传感器算法。

2 有位置传感器技术 2.1旋转变压器         旋转变压器是一种模拟式测角元件，早期用作模拟计算机的解算部件，后来逐渐用于伺服系统。它是一种低阻抗输出元件，且传送的角度信息由输出电压的比值而不是电压的绝对值决定，因而抗干扰能力很强。此外还具有结构简单、成本低、检测精度较高，尤其是对环境适应能力较强的特点，被广泛地应用到航空、军事、工业等随动系统中。随着汽车工业的发展，旋转变压器也开始应用到混合动力汽车和电动汽车的驱动控制中。         旋转变压器分有刷和无刷两种结构。广泛应用的是无刷旋转变压器，它通过一套环形变压器代替普通电刷滑环，使得旋转变压器的寿命更长、工作更可靠。旋转变压器的输出信号是连续变化的正余弦模拟信号，角度信息寄生在载波的调制上，需要配合专用的解码芯片才能得到位置的数字信号输出。常用的解码芯片如多摩川的AU6802N1或AU6803解码芯片，AD公司的AD2S83或AD2S1200解码芯片，DDC公司的RDC-1922X解码芯片等。         旋转变压器的精度随着极对数的增加而提高，其分辨率则与励磁频率的高低成正比。采用的极对数有1、2、4、8、16、32和64，极对数较少的精度为1角分，极对数较多的精度可达10角秒，极对数更多的精度接近1角秒。通常的励磁频率为400Hz、1kHz、2kHz、3kHz和10kHz，分辨率从12位到16位之间不等。值得注意的是，有些解码芯片输出绝对位置编码之外，还提供A、B、Z增量信号输出，如AU6802N1提供12位的绝对位置数字量和每圈1024脉冲的增量信号。从直观数字上看，增量信号输出的每圈脉冲数较少，但考虑到正交信号4倍频后，增量信号的分辨率实际为1/4096，与绝对位置数字量的分辨率(12位)相同。 2.2光栅传感器         光栅技术出现得很早，特别是经过近二三十年的快速发展，刻制技术、莫尔条纹细分技术和光电转换技术都得到了充分的改进，利用光栅技术进行长度和角度测量的光栅传感器已经普遍应用于计量和控制系统中。用于长度测量的光栅传感器称为光栅尺，用于角度测量的光栅传感器称为光电编码器，或称旋转编码器。         在细分技术的作用下，光栅尺精度的最高水平可以做到0.5μm，分辨率0.1μm。光电编码器精度的最高水平可以做到0.15角秒，分辨率0.1角秒。不考虑细分技术，光栅尺的最小栅距只能做到4μm，光电编码器的最小栅距角只能做到20角秒。                                                                                                                                                                                         光电编码器分为增量式、绝对值式和混合式三种。增量式光电编码器输出A，A，B，B ，Z ，Z 六路脉冲信号，这种正交编码可以实现脉冲4倍频，即直接的光学4倍细分技术。这种光学细分是由内部的4路光电元件的安放所保证的，是同时提高精度和分辨率的有效手段。而所谓的电子细分只是在两个基本脉冲之间插入多个计数脉冲，可以提高分辨率，进而提高响应速度，减小控制延迟。但指望电子细分提高精度是不现实的。精度是由基本脉冲精度决定的，电子细分能充分利用这个精度，但不能超过这个精度。目前多数高性能交流伺服系统采用光栅细分技术时，常用4倍光学细分加上32倍电子细分就是考虑了这个道理。         绝对值式光电编码器是直接输出数字量的传感器，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。由于信号电路复杂，绝对值式光电编码器的位数难以做得很高，一般有10、12、14位。 混合式光电编码器输出两组信息，一组是绝对信息，用于磁极的粗略定位；另一组则是增量信息，实现对运转位置的准确分辨。         光栅传感器有高精度、高分辨率、大量程和小惯量的优点，但也有抗振差、耐温低、怕潮湿、位置记忆困难、价格高的缺点。使用时要极为小心，否则易出现意外损坏的情况。 2.3磁性编码器         磁性编码器是近年发展起来的一种新型编码器。有单对磁极式和多磁极式(磁敏电阻式)两种。与光电编码器相比，其结构简单、响应速度快、不怕灰尘油污和水露、抗振动和冲击、寿命长、价格低，但分辨率都比较低。增加相数可以提高单对磁极式磁性编码器的精度和分辨率。对于多磁极式编码器，制造工艺较复杂，价格较高。增加磁极对数可以提高多磁极式编码器的精度和分辨率。         单对磁极式磁性编码器是在芯片中嵌入4个、6个或8个按圆周排列的霍尔传感器。相对的两个霍尔传感器通过差分放大器连接在一起，输出一相模拟信号。全部霍尔传感器处理后得到两相、三相或四相信号。内嵌的DSP对信号进行A/D转换和数字滤波，最后计算输出角度的数字量。让与电机转轴相连的一对旋转磁极在磁性编码器芯片的上方旋转即可实现无接触角位置测量。         据报道，单对磁极式磁性编码器的体积和重量都比光电编码器小几十倍，分辨率10-12位，精度8-10位。也出现了为空间应用研制的高精度磁性编码器，分辨率16位，精度12位，靠FPGA实现磁性编码器的信号处理与驱动控制。 3 准无位置传感器技术         有学者采用一个到三个锁定型霍尔传感器获得转子定位信息，经过软件计算，从中提取出较高精度的转子位置信号和速度信号，并产生正弦波参考电压信号。将该方法用于正弦波驱动的永磁伺服稳速系统中，在稳速时，检测的转子位置信号误差很小。         将开关型霍尔元件安装在永磁电机定子槽口或端部构成的简易磁开关式编码器，实际上已经在永磁无刷直流电动机中获得广泛的应用。在正弦波驱动的永磁伺服系统中，这种编码器的分辨率则显得太粗糙，而且只适合于稳速和高速场合。但这种粗分辨率的编码器可以支持无传感器位置控制技术。即通过简易磁开关式编码器的粗定位来减低无传感器位置辨识的难度，并能校正无传感器位置辨识的误差。这种方案在永磁伺服系统中应该有一定的发展前途。 换一个角度，准无位置传感器技术与磁性编码器的原理很接近，可以看作是定制的磁性编码器。 4 无位置传感器技术         最先提出无位置传感器控制方法的时候使用的名称是“波形检测方法”，后来更名为“非直接检测方法”，接着又发生争论，认为应更名为“直接检测方法”，最后统一到“无传感器技术”的提法上。现在看来，“无传感器技术”的提法也有歧义，该技术仅仅是取消了位置传感器，还是需要电压传感器、电流传感器实现波形检测，而不是取消所有传感器。因此该项技术称为“无位置传感器技术”更加准确直观。 参阅大量的文献，分析伺服控制系统无位置传感器控制技术上所提出的研究方法，可以归纳为一下四类： (1)直接计算法         这一类方法这要包括反电动势积分法、动态速度估计器法和滑差频率估计法，其中在实际应用中，反电动势法最为常用。这一类方法的特点是应用电机电压或者电流方程，结合所在控制系统在线估算出电机定子磁链的大小和空间位置，计算出相应的功率角，得出转子位置和转速。以反电动势积分法为例，通过计算电枢中的反电动势，对反电动势进行积分就可以推出电机磁链轨迹，进而求得电机的转速。从中我们不难发现，该类方法计算简单，易于实现，是当前无传感器技术在工业应用中最多的一类技术。缺点是电机不能够自启，无法检测到电机的转子初始位置，低速效果差。 (2)观测器法         这一类方法主要包括模型参考自适应法、滑模观测器法、自适应速度观测法、扩展卡尔曼滤波法等。观测器法是建立在现代控制理论上的一种状态观测法。依据电动机的数学模型构建一个观测器模型，将测得已知变量输入到观测器模型中，通过计算修正求的控制系统的反馈量，使估算值趋于实际值。         观测器法大大的提高了系统参数的鲁棒性和抗干扰能力，改进型的观测器还可以提高低速段运行的观测精度，相对于直接计算法来说，电机的调速范围变宽。同时降低了控制系统的硬件成本。这一类方法的不足之处是过分依赖电机参数，算法复杂，软件开发成本高，电机无法自启。近年来，高速数字处理芯片的相继问世，解决了观测器法算法复杂的难题，使得观测器法从理论逐步走向现实，工业中也出现了部分使用观测器法的无位置传感器控制产品。 (3)利用电机结构特性的检测法         这一类方法主要包括谐波检测法和凸极跟踪法，它的特点是转子位置信息的跟踪是根据电机自身的结构特性来进行估测的。利用电机结构特性的检测法大多不依赖电机本体的参数，可以在较宽范围内实现电动机的调速，而且在低速时可以保持较高的检测精度。从这类方法的特点不难看出，它是针对有特殊结构的电动机而研发的一种无位置传感器法，这就造成了该类方法的适用范围窄，而且由于采用硬件技术实现，大大增加了控制系统的硬件成本，实现难度大，实际应用推广较难。 (4)先进的人工智能估算方法         进入上个世纪九十年代，很多学者把人工智能的方法引入到无传感器控制技术中，该类方法适用范围广，不需要精确的电动机数学模型，具有良好的抗扰动特性。同样它的缺点是计算繁琐、算法复杂，而且需要有丰富的专家知识，因此在当前国内外尚处于理论研究阶段，没有任何实际的产品应用。 4.1无刷直流电动机无位置传感器技术         与无刷直流电动机相关的无位置传感器技术包括反电势法、续流二极管法、电感法、涡流效应法和状态观测器法。某种方法很难适应各种场合下的无刷直流电机，甚至不能适应同一应用场合的不同负载条件，因此实际应用中必须根据具体情况选用适当的控制方法。         反电势法原理简单，实现方便，但也有弱点：起动困难和相位补偿。电机通常要进行三段式起动。在此又有学者提出了采用固定相位滞后的开关电容低通滤波器的方法，使得在电机转速变化的情况下，相位滞后90�电角度不变，得到无需相位补偿的转子位置信号。         续流二极管法又称“第三相导通法”，其本质还是反电势法，只是在“断开相”反电势过零点检测上有了一定的改变。这种改变在一定程度上能够拓宽电机的调速范围，尤其是能拓宽电机调速的下限。         电感法是考虑绕组电感会因为转子位置的改变而发生相应变化，通过检测这些变化，再经过一定计算，即可得到转子位置信号。         涡流效应法是在永磁转子的表面粘贴一些非磁性的导电材料，利用定子绕组高频开关工作时非磁性材料上的涡流效应，使开路相电压的大小随转子位置角变化。这种方法排除了反电势的利用，因而能保证起动和低速时的可靠运行。 状态观测器法即转子位置计算法，一般只适用于感应电势为正弦波的永磁无刷直流电机，且计算繁琐，对处理器要求较高，所以这种方法应用不是很广泛。 4.2永磁同步电动机无位置传感器技术         与永磁同步电动机相关的无位置传感器技术，文献中进行了很好的总结，在此引用其中的分类方法。         永磁同步电机无位置传感器控制方法大体可以分为三类：一类是基于电机理想模型的开环计算方法；另一类是基于各种观测器模型的闭环算法；最后是以高频注入法为代表的基于电机非理想特性的算法。这些方法各有优缺点。         基于电机理想模型的开环计算方法包括直接计算法、电感法、反电势积分法和扩展反电势法。基于观测器模型的闭环算法有扩展卡尔曼滤波器法、滑模观测器法和模型参考自适应算法。基于电机非理想特性的算法是指旋转高频注入法、脉振高频注入法和低频注入法。         最早应用的开环算法计算过程简单，在电机参数正确的前提下能够得到较为准确的转子位置估算结果。当由于温度变化、磁路饱和效应等引起电机参数变化时，观测的精度随之下降，因而无法满足一些高性能控制场合的要求。         基于观测器模型的闭环算法使观测精度和系统稳定性有很大提高。但是这些闭环算法都直接或间接地从反电势中提取位置信号。由于反电势幅值与速度成正比，当转速很低甚至到零速时反电势的信噪比会很小，导致不能精确地估算转子速度和位置。         基于电机非理想特性的算法利用凸极电机自身的凸极特性或者在高频信号下隐极电机所表现出来的凸极特性来估算电机转子位置和转速，可以解决低速下的位置观测问题。是目前发展势头很强劲的一类方法。 5 结束语         伺服系统中的位置检测技术领域呈现一片繁荣的景象。各种类型的位置传感器都在不断地推陈出新，增加种类，提高性能和可靠性，降低价格。多种无位置传感器算法也正在被深入地研究。         无位置传感器算法很多的事实一方面说明这是受关注的热点，另一方面也说明该技术还未成熟，没有哪一种算法脱颖而出，一劳永逸地解决所有问题。而且这些转子位置估计算法复杂、计算量大，需要高速运算处理器，成本也不低。只是将成本由电机侧转移到了控制器侧。         从应用规模看，有位置传感器技术仍占据大部分江山，无位置传感器技术的性能还不尽如人意。要重现交流调速取代直流调速的形势，让无位置传感器技术彻底取代有位置传感器技术，还需假以时日。 作者简介 张春喜(1964-)男 教授，博士。主要研究方向为电机调速与电力控制。 戴丽莉(1985-)女 硕士研究生。主要研究方向为智能仪表与测控系统。 参考文献 [1]李永东，朱昊. 永磁同步电机无速度传感器控制综述[J].电气传动，2009，39(9): 3-10. 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