伺服控制—人类驾驭运动的基础

——访哈尔滨工业大学深圳研究院总工程师李铁才教授

为此，就有关伺服控制的研究背景、采用的新技术、以及未来研究计划，记者专访了哈尔滨工业大学深圳研究院（深圳国际技术创新研究院）总工程师李铁才教授。

记者：现在工业控制中，伺服控制系统用得相当普遍。李教授您是伺服控制方面的专家，能否给伺服控制下个比较准确的定义?

李教授：伺服控制概念的提法很多，其实概念的提法并不重要。
为满足某种目的，产生运动和对物体运动进行控制是我们人类最重要的活动之一。所谓伺服控制指对物体运动的有效控制，即对物体运动的速度、位置、加速度进行控制。这种控制正在变得随处可见和越来越普遍。

[B]记者：[/B]李教授，您现在是哈尔滨工业大学深圳研究院的总工程师，能否介绍一下您的工作背景？

[B]李教授：[/B]2002年以前我们主要在哈尔滨工业大学从事运动仿真转台的驱动控制系统的研制工作。这些仿真转台的交流伺服电动机的内径（中空）最大达到了1.2米，以方便装入大型被仿真物体，伺服电动机的力矩最大达数万牛米，功率达数十千瓦。仿真转台通常有三个正交的回转轴，以便实现三维运动控制。这类运动伺服控制系统追求高动态响应指标，需要对速度、位置、加速度进行精确控制。位置精度最高的达到0.5角秒，因此，位置传感器采用感应同步器或特殊定制的光电编码器。运动仿真转台的伺服控制器，如果选用当前市场上的工业伺服单元是无法满足要求的，其主要原因是，工业伺服单元的位置环的动态响应指标不高，其数据刷新率一般只有1ms，最高也只有0.5ms，而我们通常要求0.1ms以上。仿真转台的用途主要在航空航天领域，用于飞行器或空间运动装置、运动测试仪表、运动器部件、运动传感器的性能测试和功能仿真。也有个别仿真转台用于民用领域，例如：汽车及特殊运动部件，民用导航器件的测试和标定等等。

2002年以后我们在深圳国际技术创新研究院（哈尔滨工业大学深圳研究院）组建了深圳市网络信息电器重点实验室，并把研究方向转向民用。实验室有三个研究方向：（1）运动控制及应用研究方向。从事伺服电动机、传感器、伺服单元、伺服组件、微小型CNC加工中心等研究和产品开发，（2）穿戴式计算机及应用研究方向，（3）嵌入式系统及应用研究方向。运动控制及应用研究方向是最重要的，在项目研究或产品中采用了一些新的技术，愿意与业界交流。

[B]记者：[/B]现在您在伺服控制的研究中，开展哪些研究课题？采用哪些新技术？

[B]李教授：[/B]我们现在采用的新技术主要有：

1、伺服电动机
伺服电动机有两项技术值得注意，一是高密度电机，采用一种叫“大极电机”的设计思想。例如六极九槽电机，定子由九个独立的极构成，在每个极上绕制集中线圈，然后再将九个极拼装起来，形成九个槽的电机铁芯。由于每个极是独立绕制和整形，所以即使采用自动机绕，也能保持槽满率高达90%。这类电机制造工艺好，空间利用和体积都达到了最小化，故称为高密度电机。从运行原理上讲，这类电机不属于旋转磁场电机，它在三相脉振磁场下工作，因此，它的适用性、设计方法和运行方式都有一定特殊性，例如这类电机不适合方波电流驱动。电机界眼光都是一致的，目前，安川、松下、富士、科比、台达等小功率伺服电动机产品中均采用高密度电机设计方案，当然我们也不例外。

另一类是嵌入式磁钢速率伺服电动机，它可利用凸极效应引起的交、直轴电感随位置变化的特点，构成真正意义上的、可靠的无位置传感器速率伺服电动驱动系统。

2、传感器
除了各类光电编码器以外，磁编码器值得关注。磁编码器的体积和重量都比光电编码器小几十倍，温度范围更宽，几乎不怕冲击和振动。其工作原理非常简单，它的定子是一颗内嵌霍尔磁敏元件和DSP的芯片，体积可以小到MSOP-24封装，它的转子是一颗两极磁钢。它的分辨率10─12位，精度8─10位。这种磁编码器目前已有供应。

作为空间应用，为了满足-35 0C ─ 80 0C环境要求，几乎难以采用传统的光电编码器，为此我们自行研制了磁编码器，分辨率16位，精度12位。磁编码器信号处理电路共存于驱动控制电路(FPGA)中，形成传感器与驱动控制电路一体化。

电流传感器是伺服控制必不可少的，小功率系统可以采用电阻采样，一般可采用霍尔电流传感器。两种方法都要将模拟信号转换成数字信号，然后参于数字伺服控制。上述A/D转换的输出形式通常是串行数字脉冲或脉宽调制信号。美国IR公司专门为电阻采样设计了一款电流反馈专用芯片IR2175。它具有12位分辨率，600V原副边耐压，使用非常方便。为了提高耐压等级和有效分辨率，我们研制出一种极小体积的，基于霍尔磁平衡原理的电流传感器。它分辨率12位，耐压2500V，脉宽调制信号频率168KHz。

3、伺服单元
2003年美国IR公司推出单芯片速率伺服控制系统，它内部包括：
电机矢量FOC控制器、电流PI调节器、速度PI调节器、SVPWM调制器、传感器接口、SPI和并行通信接口等。IR公司推出的单芯片速率伺服控制系统的最重要特点是，允许用户对上百种参数进行实时的和初始化给定。下图所示速率伺服控制系统是我们利用IR公司芯片构建的应用系统。
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我们在伺服控制系统方面有几十年的积累，并通过与美国IR公司、美国AD公司等的合作研制出具有自主知识产权的单芯片高精度运动控制系统方案。

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该技术在一片FPGA中实现了FOC控制器、电流PI调节器、速度PI调节器、位置PID调节器、速度前馈控制器、IIR滤波器、SVPWM调制器、梯形速度轨迹生成器、位置指令处理器、监控与保护环节、通讯模块、寄存器堆等所有伺服控制模块，并且在内部集成了CPU，可以完成键盘、显示及外部通讯控制，为真正的数字可编程片上系统（SOPC）。

由于所有控制算法均用硬件实现，所以伺服控制器可以达到相当高的性能，其电流环与速度环采样频率均可达到20kHz，位置环采样频率可达10kHz以上，频率指标主要由芯片本身性能限制。通过上位机可以访问所有内部寄存器，能实现各种控制目的。所有参数可以进行在线修改，包括开关频率、死区时间、调节器参数、滤波器参数等。适应于PMSM、IM、BLDCM等不同电机的驱动控制，并兼容霍尔传感器、增量式/绝对式码盘、磁编码器、旋转变压器等各类传感器接口信号。可以接收脉冲指令、模拟指令以及数字指令等各种输入信号，并可通过上位机或控制面板完成所有操作功能。具有控制器识别码接口，易于实现多轴控制。

这种单片控制器大大减少了系统体积，提高了抗干扰性，加上完善的保护措施，保证了系统运行的可靠性。

4、伺服组件
伺服组件指：由伺服电动机、机械减速或耦合机构、伺服控制器、传感器等组成的一体化伺服机构。例如：光驱主轴驱动模块、机器人的关节、汽车电动助力机构等等。对组件的基本要求是：体积小、重量轻（即高密度），一体化独成系统，互换性、可复用性和高可靠性等等。伺服组件是我们的重要研究方向。其中三轴和四轴组件更有特色，这些多轴伺服控制器通常可以由一个FPGA运动控制IP核来实现。另外，伺服组件中的电磁兼容、热分析与设计非常重要。

5、微小型CNC加工中心
CNC加工中心是伺服控制技术的大集成。小型CNC加工中心系统由轻巧型机床主体、高密度交流伺服电机、高精度编码器、伺服单元和基于DSP+PC的数控系统五大部分组成，其显著特点是拥有轻巧的外型，除采用自动虚拟刀库外，具有常规CNC加工中心的功能和性能指标。与常规的CNC加工中心相比，该多轴加工系统具有更高的运行效率和更低的使用成本，在操作方便性、产品价格以及功能重组等许多方面都具有竞争力。它是一种能满足计算机数字控制、自动化作业、高精度加工等普遍需求的普及型产品，是生产、教学、个人创造和劳动的有力助手。CNC加工中心是伺服控制技术应用的典范。

小型CNC加工中心的X,Y,Z运动轴的分辨率0.001 (mm)，重复精度0.01 (mm)，主轴（速率控制）转速24000rpm，连动轴数4或5，支持DNC、 AUTO、EDIT等工作方式，支持G代码及 Mastercam、 AutoCAD、 Pro/E 等加工数据。
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[B]记者：[/B]请分享一下您的未来研究计划？

[B]李教授：[/B]深圳市网络信息电器重点实验室是一个开放式的研究部门，我们接受硕士、博士和博士后研究人员进来从事复杂和先进伺服控制系统的研究工作。

运动控制及应用研究方向的未来研究项目如下：

1、高密度精确运动控制组件
高密度、多轴，高环境，高度集成的IP核，高可靠性。

2、电动汽车新能源系统
解决电动汽车的电池及快速能源转换和回收，使能源利用率达到90%。

3、智能运动控制
含智能控制策略的系统级IP芯片（SOC），AI运动控制应用研究。

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[B]李铁才教授[/B]，[color=#999999]1950年出生于上海，博士生导师，硕士学历，研究方向：一体化电机及运动控制系统、控制用IP芯核、穿戴式计算机。主持多项863、航天部课题；1996年获航天突出贡献专家称号；获国家科技进步二等奖、三等奖；获航天部、电子部、国防科技 一、二、三等奖共14次。领导和参与完成几十个工程项目和研肯钅浚哂蟹岣坏拇邮驴蒲а芯亢妥橹こ滔钅靠沟哪芰ΑＯ旨嫒紊钲诠始际醮葱卵芯吭海ü豕ひ荡笱钲谘芯吭海┳芄こ淌Α/color]