伺服位置檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用

1 引言        伺服控制系統(tǒng)是一種由反饋控制實(shí)現(xiàn)的高精度跟蹤與定位隨動(dòng)系統(tǒng)，是雷達(dá)、火炮等軍事裝備和數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、生產(chǎn)線等工業(yè)數(shù)控系統(tǒng)的主要組成部分。其系統(tǒng)原理如圖1所示。位置檢測(cè)元件對(duì)機(jī)床工作臺(tái)位移或伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子角位移進(jìn)行檢測(cè)，將信號(hào)反饋到伺服控制器，既實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制又實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制。考慮到電流內(nèi)環(huán)或轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)控制的存在，伺服控制系統(tǒng)是一種三回路閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。         按照目前的應(yīng)用現(xiàn)狀，伺服位置檢測(cè)技術(shù)可分為有位置傳感器技術(shù)、準(zhǔn)無位置傳感器技術(shù)和無位置傳感器技術(shù)三種。有位置傳感器技術(shù)中所使用的位置傳感器包括旋轉(zhuǎn)變壓器、光柵傳感器和磁性編碼器。準(zhǔn)無位置傳感器技術(shù)利用開關(guān)型霍爾元件提供的定位信息，通過預(yù)估算法獲得轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。無位置傳感器技術(shù)則與所采用的伺服電動(dòng)機(jī)類型密切相關(guān)，直流無刷電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)都有多種無位置傳感器算法。

2 有位置傳感器技術(shù) 2.1旋轉(zhuǎn)變壓器         旋轉(zhuǎn)變壓器是一種模擬式測(cè)角元件，早期用作模擬計(jì)算機(jī)的解算部件，后來逐漸用于伺服系統(tǒng)。它是一種低阻抗輸出元件，且傳送的角度信息由輸出電壓的比值而不是電壓的絕對(duì)值決定，因而抗干擾能力很強(qiáng)。此外還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、檢測(cè)精度較高，尤其是對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)的特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用到航空、軍事、工業(yè)等隨動(dòng)系統(tǒng)中。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)變壓器也開始應(yīng)用到混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)控制中。         旋轉(zhuǎn)變壓器分有刷和無刷兩種結(jié)構(gòu)。廣泛應(yīng)用的是無刷旋轉(zhuǎn)變壓器，它通過一套環(huán)形變壓器代替普通電刷滑環(huán)，使得旋轉(zhuǎn)變壓器的壽命更長(zhǎng)、工作更可靠。旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號(hào)是連續(xù)變化的正余弦模擬信號(hào)，角度信息寄生在載波的調(diào)制上，需要配合專用的解碼芯片才能得到位置的數(shù)字信號(hào)輸出。常用的解碼芯片如多摩川的AU6802N1或AU6803解碼芯片，AD公司的AD2S83或AD2S1200解碼芯片，DDC公司的RDC-1922X解碼芯片等。         旋轉(zhuǎn)變壓器的精度隨著極對(duì)數(shù)的增加而提高，其分辨率則與勵(lì)磁頻率的高低成正比。采用的極對(duì)數(shù)有1、2、4、8、16、32和64，極對(duì)數(shù)較少的精度為1角分，極對(duì)數(shù)較多的精度可達(dá)10角秒，極對(duì)數(shù)更多的精度接近1角秒。通常的勵(lì)磁頻率為400Hz、1kHz、2kHz、3kHz和10kHz，分辨率從12位到16位之間不等。值得注意的是，有些解碼芯片輸出絕對(duì)位置編碼之外，還提供A、B、Z增量信號(hào)輸出，如AU6802N1提供12位的絕對(duì)位置數(shù)字量和每圈1024脈沖的增量信號(hào)。從直觀數(shù)字上看，增量信號(hào)輸出的每圈脈沖數(shù)較少，但考慮到正交信號(hào)4倍頻后，增量信號(hào)的分辨率實(shí)際為1/4096，與絕對(duì)位置數(shù)字量的分辨率(12位)相同。 2.2光柵傳感器         光柵技術(shù)出現(xiàn)得很早，特別是經(jīng)過近二三十年的快速發(fā)展，刻制技術(shù)、莫爾條紋細(xì)分技術(shù)和光電轉(zhuǎn)換技術(shù)都得到了充分的改進(jìn)，利用光柵技術(shù)進(jìn)行長(zhǎng)度和角度測(cè)量的光柵傳感器已經(jīng)普遍應(yīng)用于計(jì)量和控制系統(tǒng)中。用于長(zhǎng)度測(cè)量的光柵傳感器稱為光柵尺，用于角度測(cè)量的光柵傳感器稱為光電編碼器，或稱旋轉(zhuǎn)編碼器。         在細(xì)分技術(shù)的作用下，光柵尺精度的最高水平可以做到0.5μm，分辨率0.1μm。光電編碼器精度的最高水平可以做到0.15角秒，分辨率0.1角秒。不考慮細(xì)分技術(shù)，光柵尺的最小柵距只能做到4μm，光電編碼器的最小柵距角只能做到20角秒。                                                                                                                                                                                         光電編碼器分為增量式、絕對(duì)值式和混合式三種。增量式光電編碼器輸出A，A，B，B ，Z ，Z 六路脈沖信號(hào)，這種正交編碼可以實(shí)現(xiàn)脈沖4倍頻，即直接的光學(xué)4倍細(xì)分技術(shù)。這種光學(xué)細(xì)分是由內(nèi)部的4路光電元件的安放所保證的，是同時(shí)提高精度和分辨率的有效手段。而所謂的電子細(xì)分只是在兩個(gè)基本脈沖之間插入多個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，可以提高分辨率，進(jìn)而提高響應(yīng)速度，減小控制延遲。但指望電子細(xì)分提高精度是不現(xiàn)實(shí)的。精度是由基本脈沖精度決定的，電子細(xì)分能充分利用這個(gè)精度，但不能超過這個(gè)精度。目前多數(shù)高性能交流伺服系統(tǒng)采用光柵細(xì)分技術(shù)時(shí)，常用4倍光學(xué)細(xì)分加上32倍電子細(xì)分就是考慮了這個(gè)道理。         絕對(duì)值式光電編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，對(duì)于一個(gè)具有N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。由于信號(hào)電路復(fù)雜，絕對(duì)值式光電編碼器的位數(shù)難以做得很高，一般有10、12、14位。 混合式光電編碼器輸出兩組信息，一組是絕對(duì)信息，用于磁極的粗略定位；另一組則是增量信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)位置的準(zhǔn)確分辨。         光柵傳感器有高精度、高分辨率、大量程和小慣量的優(yōu)點(diǎn)，但也有抗振差、耐溫低、怕潮濕、位置記憶困難、價(jià)格高的缺點(diǎn)。使用時(shí)要極為小心，否則易出現(xiàn)意外損壞的情況。 2.3磁性編碼器         磁性編碼器是近年發(fā)展起來的一種新型編碼器。有單對(duì)磁極式和多磁極式(磁敏電阻式)兩種。與光電編碼器相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、不怕灰塵油污和水露、抗振動(dòng)和沖擊、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低，但分辨率都比較低。增加相數(shù)可以提高單對(duì)磁極式磁性編碼器的精度和分辨率。對(duì)于多磁極式編碼器，制造工藝較復(fù)雜，價(jià)格較高。增加磁極對(duì)數(shù)可以提高多磁極式編碼器的精度和分辨率。         單對(duì)磁極式磁性編碼器是在芯片中嵌入4個(gè)、6個(gè)或8個(gè)按圓周排列的霍爾傳感器。相對(duì)的兩個(gè)霍爾傳感器通過差分放大器連接在一起，輸出一相模擬信號(hào)。全部霍爾傳感器處理后得到兩相、三相或四相信號(hào)。內(nèi)嵌的DSP對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波，最后計(jì)算輸出角度的數(shù)字量。讓與電機(jī)轉(zhuǎn)軸相連的一對(duì)旋轉(zhuǎn)磁極在磁性編碼器芯片的上方旋轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)無接觸角位置測(cè)量。         據(jù)報(bào)道，單對(duì)磁極式磁性編碼器的體積和重量都比光電編碼器小幾十倍，分辨率10-12位，精度8-10位。也出現(xiàn)了為空間應(yīng)用研制的高精度磁性編碼器，分辨率16位，精度12位，靠FPGA實(shí)現(xiàn)磁性編碼器的信號(hào)處理與驅(qū)動(dòng)控制。 3 準(zhǔn)無位置傳感器技術(shù)         有學(xué)者采用一個(gè)到三個(gè)鎖定型霍爾傳感器獲得轉(zhuǎn)子定位信息，經(jīng)過軟件計(jì)算，從中提取出較高精度的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和速度信號(hào)，并產(chǎn)生正弦波參考電壓信號(hào)。將該方法用于正弦波驅(qū)動(dòng)的永磁伺服穩(wěn)速系統(tǒng)中，在穩(wěn)速時(shí)，檢測(cè)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)誤差很小。         將開關(guān)型霍爾元件安裝在永磁電機(jī)定子槽口或端部構(gòu)成的簡(jiǎn)易磁開關(guān)式編碼器，實(shí)際上已經(jīng)在永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)中獲得廣泛的應(yīng)用。在正弦波驅(qū)動(dòng)的永磁伺服系統(tǒng)中，這種編碼器的分辨率則顯得太粗糙，而且只適合于穩(wěn)速和高速場(chǎng)合。但這種粗分辨率的編碼器可以支持無傳感器位置控制技術(shù)。即通過簡(jiǎn)易磁開關(guān)式編碼器的粗定位來減低無傳感器位置辨識(shí)的難度，并能校正無傳感器位置辨識(shí)的誤差。這種方案在永磁伺服系統(tǒng)中應(yīng)該有一定的發(fā)展前途。 換一個(gè)角度，準(zhǔn)無位置傳感器技術(shù)與磁性編碼器的原理很接近，可以看作是定制的磁性編碼器。 4 無位置傳感器技術(shù)         最先提出無位置傳感器控制方法的時(shí)候使用的名稱是“波形檢測(cè)方法”，后來更名為“非直接檢測(cè)方法”，接著又發(fā)生爭(zhēng)論，認(rèn)為應(yīng)更名為“直接檢測(cè)方法”，最后統(tǒng)一到“無傳感器技術(shù)”的提法上?，F(xiàn)在看來，“無傳感器技術(shù)”的提法也有歧義，該技術(shù)僅僅是取消了位置傳感器，還是需要電壓傳感器、電流傳感器實(shí)現(xiàn)波形檢測(cè)，而不是取消所有傳感器。因此該項(xiàng)技術(shù)稱為“無位置傳感器技術(shù)”更加準(zhǔn)確直觀。 參閱大量的文獻(xiàn)，分析伺服控制系統(tǒng)無位置傳感器控制技術(shù)上所提出的研究方法，可以歸納為一下四類： (1)直接計(jì)算法         這一類方法這要包括反電動(dòng)勢(shì)積分法、動(dòng)態(tài)速度估計(jì)器法和滑差頻率估計(jì)法，其中在實(shí)際應(yīng)用中，反電動(dòng)勢(shì)法最為常用。這一類方法的特點(diǎn)是應(yīng)用電機(jī)電壓或者電流方程，結(jié)合所在控制系統(tǒng)在線估算出電機(jī)定子磁鏈的大小和空間位置，計(jì)算出相應(yīng)的功率角，得出轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。以反電動(dòng)勢(shì)積分法為例，通過計(jì)算電樞中的反電動(dòng)勢(shì)，對(duì)反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行積分就可以推出電機(jī)磁鏈軌跡，進(jìn)而求得電機(jī)的轉(zhuǎn)速。從中我們不難發(fā)現(xiàn)，該類方法計(jì)算簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，是當(dāng)前無傳感器技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中最多的一類技術(shù)。缺點(diǎn)是電機(jī)不能夠自啟，無法檢測(cè)到電機(jī)的轉(zhuǎn)子初始位置，低速效果差。 (2)觀測(cè)器法         這一類方法主要包括模型參考自適應(yīng)法、滑模觀測(cè)器法、自適應(yīng)速度觀測(cè)法、擴(kuò)展卡爾曼濾波法等。觀測(cè)器法是建立在現(xiàn)代控制理論上的一種狀態(tài)觀測(cè)法。依據(jù)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建一個(gè)觀測(cè)器模型，將測(cè)得已知變量輸入到觀測(cè)器模型中，通過計(jì)算修正求的控制系統(tǒng)的反饋量，使估算值趨于實(shí)際值。         觀測(cè)器法大大的提高了系統(tǒng)參數(shù)的魯棒性和抗干擾能力，改進(jìn)型的觀測(cè)器還可以提高低速段運(yùn)行的觀測(cè)精度，相對(duì)于直接計(jì)算法來說，電機(jī)的調(diào)速范圍變寬。同時(shí)降低了控制系統(tǒng)的硬件成本。這一類方法的不足之處是過分依賴電機(jī)參數(shù)，算法復(fù)雜，軟件開發(fā)成本高，電機(jī)無法自啟。近年來，高速數(shù)字處理芯片的相繼問世，解決了觀測(cè)器法算法復(fù)雜的難題，使得觀測(cè)器法從理論逐步走向現(xiàn)實(shí)，工業(yè)中也出現(xiàn)了部分使用觀測(cè)器法的無位置傳感器控制產(chǎn)品。 (3)利用電機(jī)結(jié)構(gòu)特性的檢測(cè)法         這一類方法主要包括諧波檢測(cè)法和凸極跟蹤法，它的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子位置信息的跟蹤是根據(jù)電機(jī)自身的結(jié)構(gòu)特性來進(jìn)行估測(cè)的。利用電機(jī)結(jié)構(gòu)特性的檢測(cè)法大多不依賴電機(jī)本體的參數(shù)，可以在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，而且在低速時(shí)可以保持較高的檢測(cè)精度。從這類方法的特點(diǎn)不難看出，它是針對(duì)有特殊結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)而研發(fā)的一種無位置傳感器法，這就造成了該類方法的適用范圍窄，而且由于采用硬件技術(shù)實(shí)現(xiàn)，大大增加了控制系統(tǒng)的硬件成本，實(shí)現(xiàn)難度大，實(shí)際應(yīng)用推廣較難。 (4)先進(jìn)的人工智能估算方法         進(jìn)入上個(gè)世紀(jì)九十年代，很多學(xué)者把人工智能的方法引入到無傳感器控制技術(shù)中，該類方法適用范圍廣，不需要精確的電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，具有良好的抗擾動(dòng)特性。同樣它的缺點(diǎn)是計(jì)算繁瑣、算法復(fù)雜，而且需要有豐富的專家知識(shí)，因此在當(dāng)前國(guó)內(nèi)外尚處于理論研究階段，沒有任何實(shí)際的產(chǎn)品應(yīng)用。 4.1無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置傳感器技術(shù)         與無刷直流電動(dòng)機(jī)相關(guān)的無位置傳感器技術(shù)包括反電勢(shì)法、續(xù)流二極管法、電感法、渦流效應(yīng)法和狀態(tài)觀測(cè)器法。某種方法很難適應(yīng)各種場(chǎng)合下的無刷直流電機(jī)，甚至不能適應(yīng)同一應(yīng)用場(chǎng)合的不同負(fù)載條件，因此實(shí)際應(yīng)用中必須根據(jù)具體情況選用適當(dāng)?shù)目刂品椒ā?        反電勢(shì)法原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，但也有弱點(diǎn)：起動(dòng)困難和相位補(bǔ)償。電機(jī)通常要進(jìn)行三段式起動(dòng)。在此又有學(xué)者提出了采用固定相位滯后的開關(guān)電容低通濾波器的方法，使得在電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的情況下，相位滯后90?電角度不變，得到無需相位補(bǔ)償?shù)霓D(zhuǎn)子位置信號(hào)。         續(xù)流二極管法又稱“第三相導(dǎo)通法”，其本質(zhì)還是反電勢(shì)法，只是在“斷開相”反電勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)上有了一定的改變。這種改變?cè)谝欢ǔ潭壬夏軌蛲貙掚姍C(jī)的調(diào)速范圍，尤其是能拓寬電機(jī)調(diào)速的下限。         電感法是考慮繞組電感會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)子位置的改變而發(fā)生相應(yīng)變化，通過檢測(cè)這些變化，再經(jīng)過一定計(jì)算，即可得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。         渦流效應(yīng)法是在永磁轉(zhuǎn)子的表面粘貼一些非磁性的導(dǎo)電材料，利用定子繞組高頻開關(guān)工作時(shí)非磁性材料上的渦流效應(yīng)，使開路相電壓的大小隨轉(zhuǎn)子位置角變化。這種方法排除了反電勢(shì)的利用，因而能保證起動(dòng)和低速時(shí)的可靠運(yùn)行。 狀態(tài)觀測(cè)器法即轉(zhuǎn)子位置計(jì)算法，一般只適用于感應(yīng)電勢(shì)為正弦波的永磁無刷直流電機(jī)，且計(jì)算繁瑣，對(duì)處理器要求較高，所以這種方法應(yīng)用不是很廣泛。 4.2永磁同步電動(dòng)機(jī)無位置傳感器技術(shù)         與永磁同步電動(dòng)機(jī)相關(guān)的無位置傳感器技術(shù)，文獻(xiàn)中進(jìn)行了很好的總結(jié)，在此引用其中的分類方法。         永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制方法大體可以分為三類：一類是基于電機(jī)理想模型的開環(huán)計(jì)算方法；另一類是基于各種觀測(cè)器模型的閉環(huán)算法；最后是以高頻注入法為代表的基于電機(jī)非理想特性的算法。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。         基于電機(jī)理想模型的開環(huán)計(jì)算方法包括直接計(jì)算法、電感法、反電勢(shì)積分法和擴(kuò)展反電勢(shì)法。基于觀測(cè)器模型的閉環(huán)算法有擴(kuò)展卡爾曼濾波器法、滑模觀測(cè)器法和模型參考自適應(yīng)算法?；陔姍C(jī)非理想特性的算法是指旋轉(zhuǎn)高頻注入法、脈振高頻注入法和低頻注入法。         最早應(yīng)用的開環(huán)算法計(jì)算過程簡(jiǎn)單，在電機(jī)參數(shù)正確的前提下能夠得到較為準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置估算結(jié)果。當(dāng)由于溫度變化、磁路飽和效應(yīng)等引起電機(jī)參數(shù)變化時(shí)，觀測(cè)的精度隨之下降，因而無法滿足一些高性能控制場(chǎng)合的要求。         基于觀測(cè)器模型的閉環(huán)算法使觀測(cè)精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性有很大提高。但是這些閉環(huán)算法都直接或間接地從反電勢(shì)中提取位置信號(hào)。由于反電勢(shì)幅值與速度成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)速很低甚至到零速時(shí)反電勢(shì)的信噪比會(huì)很小，導(dǎo)致不能精確地估算轉(zhuǎn)子速度和位置。         基于電機(jī)非理想特性的算法利用凸極電機(jī)自身的凸極特性或者在高頻信號(hào)下隱極電機(jī)所表現(xiàn)出來的凸極特性來估算電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，可以解決低速下的位置觀測(cè)問題。是目前發(fā)展勢(shì)頭很強(qiáng)勁的一類方法。 5 結(jié)束語         伺服系統(tǒng)中的位置檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域呈現(xiàn)一片繁榮的景象。各種類型的位置傳感器都在不斷地推陳出新，增加種類，提高性能和可靠性，降低價(jià)格。多種無位置傳感器算法也正在被深入地研究。         無位置傳感器算法很多的事實(shí)一方面說明這是受關(guān)注的熱點(diǎn)，另一方面也說明該技術(shù)還未成熟，沒有哪一種算法脫穎而出，一勞永逸地解決所有問題。而且這些轉(zhuǎn)子位置估計(jì)算法復(fù)雜、計(jì)算量大，需要高速運(yùn)算處理器，成本也不低。只是將成本由電機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)移到了控制器側(cè)。         從應(yīng)用規(guī)?？?，有位置傳感器技術(shù)仍占據(jù)大部分江山，無位置傳感器技術(shù)的性能還不盡如人意。要重現(xiàn)交流調(diào)速取代直流調(diào)速的形勢(shì)，讓無位置傳感器技術(shù)徹底取代有位置傳感器技術(shù)，還需假以時(shí)日。 作者簡(jiǎn)介 張春喜(1964-)男 教授，博士。主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)調(diào)速與電力控制。 戴麗莉(1985-)女 碩士研究生。主要研究方向?yàn)橹悄軆x表與測(cè)控系統(tǒng)。 參考文獻(xiàn) [1]李永東，朱昊. 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