1 引言        伺服控制系統(tǒng)是一種由反饋控制實現(xiàn)的高精度跟蹤與定位隨動系統(tǒng)，是雷達(dá)、火炮等軍事裝備和數(shù)控機床、機器人、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。位置檢測元件對機床工作臺位移或伺服電動機轉(zhuǎn)子角位移進(jìn)行檢測，將信號反饋到伺服控制器，既實現(xiàn)位置閉環(huán)控制又實現(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)自動控制系統(tǒng)。         按照目前的應(yīng)用現(xiàn)狀，伺服位置檢測技術(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。無位置傳感器技術(shù)則與所采用的伺服電動機類型密切相關(guān)，直流無刷電動機和永磁同步電動機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角元件，早期用作模擬計算機的解算部件，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值決定，因而抗干擾能力很強。此外還具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、檢測精度較高，尤其是對環(huán)境適應(yīng)能力較強的特點，被廣泛地應(yīng)用到航空、軍事、工業(yè)等隨動系統(tǒng)中。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)變壓器也開始應(yīng)用到混合動力汽車和電動汽車的驅(qū)動控制中。         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、工作更可靠。旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號是連續(xù)變化的正余弦模擬信號，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數(shù)的增加而提高，其分辨率則與勵磁頻率的高低成正比。采用的極對數(shù)有1、2、4、8、16、32和64，極對數(shù)較少的精度為1角分，極對數(shù)較多的精度可達(dá)10角秒，極對數(shù)更多的精度接近1角秒。通常的勵磁頻率為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位置編碼之外，還提供A、B、Z增量信號輸出，如AU6802N1提供12位的絕對位置數(shù)字量和每圈1024脈沖的增量信號。從直觀數(shù)字上看，增量信號輸出的每圈脈沖數(shù)較少，但考慮到正交信號4倍頻后，增量信號的分辨率實際為1/4096，與絕對位置數(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)行長度和角度測量的光柵傳感器已經(jīng)普遍應(yīng)用于計量和控制系統(tǒng)中。用于長度測量的光柵傳感器稱為光柵尺，用于角度測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，這種正交編碼可以實現(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)分只是在兩個基本脈沖之間插入多個計數(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)分能充分利用這個精度，但不能超過這個精度。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，常用4倍光學(xué)細(xì)分加上32倍電子細(xì)分就是考慮了這個道理。         絕對值式光電編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，對于一個具有N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。由于信號電路復(fù)雜，絕對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，一組是絕對信息，用于磁極的粗略定位；另一組則是增量信息，實現(xiàn)對運轉(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，但也有抗振差、耐溫低、怕潮濕、位置記憶困難、價格高的缺點。使用時要極為小心，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)簡單、響應(yīng)速度快、不怕灰塵油污和水露、抗振動和沖擊、壽命長、價格低，但分辨率都比較低。增加相數(shù)可以提高單對磁極式磁性編碼器的精度和分辨率。對于多磁極式編碼器，制造工藝較復(fù)雜，價格較高。增加磁極對數(shù)可以提高多磁極式編碼器的精度和分辨率。         單對磁極式磁性編碼器是在芯片中嵌入4個、6個或8個按圓周排列的霍爾傳感器。相對的兩個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。全部霍爾傳感器處理后得到兩相、三相或四相信號。內(nèi)嵌的DSP對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波，最后計算輸出角度的數(shù)字量。讓與電機轉(zhuǎn)軸相連的一對旋轉(zhuǎn)磁極在磁性編碼器芯片的上方旋轉(zhuǎn)即可實現(xiàn)無接觸角位置測量。         據(jù)報道，單對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實現(xiàn)磁性編碼器的信號處理與驅(qū)動控制。 3 準(zhǔn)無位置傳感器技術(shù)         有學(xué)者采用一個到三個鎖定型霍爾傳感器獲得轉(zhuǎn)子定位信息，經(jīng)過軟件計算，從中提取出較高精度的轉(zhuǎn)子位置信號和速度信號，并產(chǎn)生正弦波參考電壓信號。將該方法用于正弦波驅(qū)動的永磁伺服穩(wěn)速系統(tǒng)中，在穩(wěn)速時，檢測的轉(zhuǎn)子位置信號誤差很小。         將開關(guān)型霍爾元件安裝在永磁電機定子槽口或端部構(gòu)成的簡易磁開關(guān)式編碼器，實際上已經(jīng)在永磁無刷直流電動機中獲得廣泛的應(yīng)用。在正弦波驅(qū)動的永磁伺服系統(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)。即通過簡易磁開關(guān)式編碼器的粗定位來減低無傳感器位置辨識的難度，并能校正無傳感器位置辨識的誤差。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候使用的名稱是“波形檢測方法”，后來更名為“非直接檢測方法”，接著又發(fā)生爭論，認(rèn)為應(yīng)更名為“直接檢測方法”，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、電流傳感器實現(xiàn)波形檢測，而不是取消所有傳感器。因此該項技術(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)直接計算法         這一類方法這要包括反電動勢積分法、動態(tài)速度估計器法和滑差頻率估計法，其中在實際應(yīng)用中，反電動勢法最為常用。這一類方法的特點是應(yīng)用電機電壓或者電流方程，結(jié)合所在控制系統(tǒng)在線估算出電機定子磁鏈的大小和空間位置，計算出相應(yīng)的功率角，得出轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。以反電動勢積分法為例，通過計算電樞中的反電動勢，對反電動勢進(jìn)行積分就可以推出電機磁鏈軌跡，進(jìn)而求得電機的轉(zhuǎn)速。從中我們不難發(fā)現(xiàn)，該類方法計算簡單，易于實現(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)。缺點是電機不能夠自啟，無法檢測到電機的轉(zhuǎn)子初始位置，低速效果差。 (2)觀測器法         這一類方法主要包括模型參考自適應(yīng)法、滑模觀測器法、自適應(yīng)速度觀測法、擴(kuò)展卡爾曼濾波法等。觀測器法是建立在現(xiàn)代控制理論上的一種狀態(tài)觀測法。依據(jù)電動機的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建一個觀測器模型，將測得已知變量輸入到觀測器模型中，通過計算修正求的控制系統(tǒng)的反饋量，使估算值趨于實際值。         觀測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)型的觀測器還可以提高低速段運行的觀測精度，相對于直接計算法來說，電機的調(diào)速范圍變寬。同時降低了控制系統(tǒng)的硬件成本。這一類方法的不足之處是過分依賴電機參數(shù)，算法復(fù)雜，軟件開發(fā)成本高，電機無法自啟。近年來，高速數(shù)字處理芯片的相繼問世，解決了觀測器法算法復(fù)雜的難題，使得觀測器法從理論逐步走向現(xiàn)實，工業(yè)中也出現(xiàn)了部分使用觀測器法的無位置傳感器控制產(chǎn)品。 (3)利用電機結(jié)構(gòu)特性的檢測法         這一類方法主要包括諧波檢測法和凸極跟蹤法，它的特點是轉(zhuǎn)子位置信息的跟蹤是根據(jù)電機自身的結(jié)構(gòu)特性來進(jìn)行估測的。利用電機結(jié)構(gòu)特性的檢測法大多不依賴電機本體的參數(shù)，可以在較寬范圍內(nèi)實現(xiàn)電動機的調(diào)速，而且在低速時可以保持較高的檢測精度。從這類方法的特點不難看出，它是針對有特殊結(jié)構(gòu)的電動機而研發(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)實現(xiàn)，大大增加了控制系統(tǒng)的硬件成本，實現(xiàn)難度大，實際應(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，不需要精確的電動機數(shù)學(xué)模型，具有良好的抗擾動特性。同樣它的缺點是計算繁瑣、算法復(fù)雜，而且需要有豐富的專家知識，因此在當(dāng)前國內(nèi)外尚處于理論研究階段，沒有任何實際的產(chǎn)品應(yīng)用。 4.1無刷直流電動機無位置傳感器技術(shù)         與無刷直流電動機相關(guān)的無位置傳感器技術(shù)包括反電勢法、續(xù)流二極管法、電感法、渦流效應(yīng)法和狀態(tài)觀測器法。某種方法很難適應(yīng)各種場合下的無刷直流電機，甚至不能適應(yīng)同一應(yīng)用場合的不同負(fù)載條件，因此實際應(yīng)用中必須根據(jù)具體情況選用適當(dāng)?shù)目刂品椒ā?        反電勢法原理簡單，實現(xiàn)方便，但也有弱點：起動困難和相位補償。電機通常要進(jìn)行三段式起動。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，得到無需相位補償?shù)霓D(zhuǎn)子位置信號。         續(xù)流二極管法又稱“第三相導(dǎo)通法”，其本質(zhì)還是反電勢法，只是在“斷開相”反電勢過零點檢測上有了一定的改變。這種改變在一定程度上能夠拓寬電機的調(diào)速范圍，尤其是能拓寬電機調(diào)速的下限。         電感法是考慮繞組電感會因為轉(zhuǎn)子位置的改變而發(fā)生相應(yīng)變化，通過檢測這些變化，再經(jīng)過一定計算，即可得到轉(zhuǎn)子位置信號。         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的利用，因而能保證起動和低速時的可靠運行。 狀態(tài)觀測器法即轉(zhuǎn)子位置計算法，一般只適用于感應(yīng)電勢為正弦波的永磁無刷直流電機，且計算繁瑣，對處理器要求較高，所以這種方法應(yīng)用不是很廣泛。 4.2永磁同步電動機無位置傳感器技術(shù)         與永磁同步電動機相關(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：一類是基于電機理想模型的開環(huán)計算方法；另一類是基于各種觀測器模型的閉環(huán)算法；最后是以高頻注入法為代表的基于電機非理想特性的算法。這些方法各有優(yōu)缺點。         基于電機理想模型的開環(huán)計算方法包括直接計算法、電感法、反電勢積分法和擴(kuò)展反電勢法?；谟^測器模型的閉環(huán)算法有擴(kuò)展卡爾曼濾波器法、滑模觀測器法和模型參考自適應(yīng)算法。基于電機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)算法計算過程簡單，在電機參數(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)等引起電機參數(shù)變化時，觀測的精度隨之下降，因而無法滿足一些高性能控制場合的要求。         基于觀測器模型的閉環(huán)算法使觀測精度和系統(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中提取位置信號。由于反電勢幅值與速度成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)速很低甚至到零速時反電勢的信噪比會很小，導(dǎo)致不能精確地估算轉(zhuǎn)子速度和位置。         基于電機非理想特性的算法利用凸極電機自身的凸極特性或者在高頻信號下隱極電機所表現(xiàn)出來的凸極特性來估算電機轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，可以解決低速下的位置觀測問題。是目前發(fā)展勢頭很強勁的一類方法。 5 結(jié)束語         伺服系統(tǒng)中的位置檢測技術(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一方面說明這是受關(guān)注的熱點，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)子位置估計算法復(fù)雜、計算量大，需要高速運算處理器，成本也不低。只是將成本由電機側(cè)轉(zhuǎn)移到了控制器側(cè)。         從應(yīng)用規(guī)模看，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，讓無位置傳感器技術(shù)徹底取代有位置傳感器技術(shù)，還需假以時日。 作者簡介 張春喜(1964-)男 教授，博士。主要研究方向為電機調(diào)速與電力控制。 戴麗莉(1985-)女 碩士研究生。主要研究方向為智能儀表與測控系統(tǒng)。 參考文獻(xiàn) [1]李永東，朱昊. 永磁同步電機無速度傳感器控制綜述[J].電氣傳動，2009，39(9): 3-10. 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