【研究前沿】现代高性能永磁交流伺服系统综述——传感装置与技术篇

西安微电机研究所的研究人员莫会成、闵琳，在2015年第6期《电工技术学报》上撰文，现代高性能永磁交流伺服系统由永磁电机、传感器及驱动控制器三大部分构成，本文针对现代伺服系统用传感装置及技术进行了较为全面的总结介绍。简要概括了伺服系统各传感物理量的分类；重点针对机械量传感器，分别介绍了其种类、特点及传感新技术；并对无位置传感技术进行了讨论；最后根据现代运动控制技术的发展，概略性的讨论了传感装置与技术的发展趋势。

1 概述

一般而言，伺服系统是指利用负反馈原理通过各种控制方法或策略，使输出服从于输入的运动控制系统。伺服系统的组成如图1所示。它的主要任务是按控制命令的要求使输出能够自动地、连续地、精确地、快速地复现输入信号地变化规律。通过机械位移、机械角度、转矩、速度或加速度等输出量达到各种各样的控制目的。

永磁交流伺服系统是一种用永磁交流伺服电动机作为执行电机，以伺服电机的速度、机械位置或角度作为控制对象的运动控制系统，由此可知伺服系统主要由电机、传感器与驱动控制器三大主要部分组成。

传感器是能感受被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成[1]，用于满足系统信息传输、存储、显示、记录或控制等要求。伺服系统的传感器必须能够准确地测量出反映伺服系统工作的各个物理量，并且迅速地传递给控制器。传感器的水平在一定程度上决定了系统的水平，有时甚至成为影响系统工作的关键。

因此，伺服系统中传感装置与技术的作用非常重要。如果把驱动控制器比做人的大脑，电动机本体为人的四肢，那么传感器则是人的眼耳等各种感知器官，只有感知器官的精确定位，才可能使人通过大脑指挥四肢准确地完成各种动作。因此，传感器的性能好坏也直接影响着伺服系统的整体性能。

永磁交流伺服系统中使用的传感器和传感技术就是将与执行电机或控制对象相关的电流、速度、位置、加速度、温度等各种旋转的或直线的机械、电气等输出量反馈给驱动控制器，使之与输入的命令进行比较，驱动控制器根据这些信息做出决定，发布指令，指示执行电机完成相应动作。

永磁交流伺服系统中所使用的传感器和传感技术种类繁多，内容十分丰富，根据伺服驱动控制的工作原理，从图1的系统框图中可以看到，伺服系统大致接收处理四类信息：

第一部分A：是指能从电动机输入端所能直接或间接得到的信息，如电机的电压u、电流i、电压变化率du/(dt)、电流变化率di/(dt)、电机的反电动势e和电机磁链等一些重要的电气参数。

第二部分B：是从电机本体可获得的有关参量，如电机的温度或温升、机械振动、噪声等各种环境监测物理量。

第三部分C：主要输出的是电机各种机械物理量，如机械角度、电气角度、角速度、角加速度、直线位置和速度以及电机的磁场位置等。

第四部分D：主要是反馈被控对象的各物理量，除了直接的机械量如位置、速度、角度等以外，还有许多根据被控对象的性质而提供给上位控制器的各种监测控制参数。

要想全面的总结归纳上述所涉及到的各种类型物理量的传感器及传感技术是很困难的，也并非完全必要，本文将重点描述上述第三部分的机械量传感器和传感技术，而对除温度传感器外的其他各物理量的检测和传感则不作具体介绍。

2 传感器的主要种类、原理及特点（略）

传感器的分类方法很多，根据伺服系统的工作状态可以分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器、电流传感器等；按信号转换的原理可分为电磁感应原理、光电效应、光栅效应、霍尔效应、磁阻效应、压阻效应、压电效应等；按输出电信号的形式可分为模拟式和数字式。

伺服系统中主要使用的传感器有旋转变压器、自整角机、测速发电机、光电编码器、磁性编码器、霍尔元件以及过压、过流、过热等非机械量测量传感器等。

2.1 旋转变压器

2.1.1正余弦旋转变压器

2.1.2磁阻式旋转变压器

2.1.3 RVDT 与LVDT

2.2 自整角机

2.3 测速发电机

2.4 编码器

2.4.1光电编码器

2.4.2磁性编码器

2.5 霍尔传感器

2.6 非机械量检测传感器

3 无位置传感器技术（略）

旋转变压器、编码器等位置传感器虽然为永磁交流伺服电机系统提供了最直接有效的检测方法，但它也使伺服系统增加了体积，更增加了伺服电机系统的制造工艺难度和成本。同时，安装这些传感器后也带来了一些可靠性方面的问题，在某些特殊环境下，位置传感器也不符合集成应用系统的要求。

因此，随着控制技术的不断进步以及数字信号处理器等一些新元器件的出现，无位置传感器控制技术在交流伺服系统中获得了广泛应用和发展，尤其DSP的高速信息处理能力使无位置传感器控制技术的复杂算法能得以实现。

无位置传感器控制系统是指利用电机绕组中的有关电信号，通过适当方法估计出转子的电气和机械位置以及转速等，从而取代传感器，实现电机的闭环控制。永磁交流伺服电机系统是一个多变量，强耦合的非线性系统，人们将现代控制理论、非线性理论和一些其他领域的研究成果应用于永磁交流伺服电机无位置传感器控制系统中，提出了较为可行的方法。这些估计方法大体可分为两类：①基于电机电磁关系的位置估计方法；②基于各种观测器的位置估计方法。

基于电机电磁关系的位置估计方法有：直接检测定子三相端电压和电流，利用它们计算出转子位置角和转速；检测电机相电感的变化来估计转子位置；检测电枢绕组反动电势过零点来判断转子位置的反电动势法；通过计算定子磁链来估计转速和转子位置的方法等等。

基于各种观测器的位置估计方法的实质是状态重构，其原理是重新构造一个系统，利用原系统中可直接测量的变量作为它的输入信号，并使其输出所需信号的方法。如扩展卡尔曼滤波法、全阶状态观测器法、模型参考自适应法、滑模变结构法、基于人工智能理论的各种估算方法等等[6,7]。随着新技术的发展，不断还有新的无位置传感器转子位置检测理论及方法的提出，

无位置传感器技术将会得到越来越广泛的应用。以下简单介绍几种无位置传感器的转子位置估算方法。

（1）瞬时电压方程法。

（2）反电动势法。

（3）高频信号注入法。

（4）模型参考自适应法。

（5）滑模变结构控制。

（6）扩展卡尔曼滤波（EKF）法。

（7）神经网络控制法。

（8）模糊控制。

4 伺服系统用传感器现状及发展趋势

编码器与旋转变压器是目前永磁交流伺服系统中应用最多的两类角位传感器。在国内市场上，编码器的技术及产品发达国家具有明显优势，欧美厂商牢牢占据高端市场，市场占有量达40%，产品价格昂贵，主要以HEIDENHAIN（海德汉）、RENISHAW（雷尼绍）等品牌为代表；日韩厂商占据中端市场，市场占有量约35%，以TAMAGAVA（多摩川）、KOYO（光洋）等为代表；国内品牌多为低端产品，市场占有量约25%，主要有长春光机所等。

旋转变压器的技术及产品则是国内外水平相当，国外品牌主要有日本TAMAGAVA（多摩川）、日本MINEBEA（美蓓亚）；德国LTN；美国HAROWE（丹纳赫集团下属公司）等。国内主要制造厂商有西安微电机研究所等。

近年来，交流伺服系统处于蓬勃发展阶段，正朝着智能化方向快速发展，每年都有先进的技术展现。伺服控制系统中的各个组成部分相应的也有了飞速发展，传感装置与技术也无例外。新型传感器发展的总趋势是微型化、多功能化、高精度化、智能化、网络化和高可靠性以及无传感器技术等[22]。

从结构上来讲，追求的是多样化，即针对不同使用场合及不同电机结构时传感器结构及外形可以是千变万化的；在伺服控制精度要求不高时，传感器注重的是简单化，即尽可能简化以求高性价比，如仅一个简单芯片或霍尔片，以提高产品竞争力；

在一体化和集成化方面，传感器的部分功能可以集成在驱动器的芯片甚至利用软件来实现，比如DSP等；通信的总线化，采用通用或专用通信协议来实现传感器的网络化；

传感器精度和分辨率是保障伺服系统性能的关键因素之一，因而高精度和高分辨率是传感器永恒的追求，如光电编码器分辨率已达到229，还要追求更高，无刷旋变精度从目前的角分级追求达到角秒级，磁编码器有望超过217 等等；

为适应伺服系统的高速化，传感器还需要在机械结构强度、对频率的响应速度以及信号的处理速度等多方面尽量优化，以提高响应频率及自身结构对高速的适应性；高可靠性发展将体现在传感器的抗干扰能力、无刷化结构、多余度设计等方面，如磁阻旋变、磁性编码器以及LVDT 等就是一类具有高可靠性优势的产品；

除此之外，新工艺、新材料、新器件、新结构以及新原理的不断研究和应用，也将促使传感器在精度、分辨率、稳定性及可靠性等各方面得以有效提升[23]。

无传感器技术的发展将体现在新理论、新方法、新算法的不断涌现，以提高控制精度并改善其控制性能；同时各种算法的互相结合及优势互补将使无位置传感器控制更加完善；新的高速处理器件的出现也将进一步促进无传感器技术取得长足的发展。