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李永东--伺服系统有所突破 运动控制形成产业

伺服系统有所突破 运动控制形成产业——访清华大学教授/博导、中国电力电子学会副理事长李永东博士

李永东教授，1982年毕业于哈尔滨工业大学电气工程系工业电气自动化专业，随后被国家选拔公派赴法国留学。1987年在法国图卢兹国家理工学院电气工程及自动化系获博士学位，1988年初回国，在清华大学电机工程系从事博士后研究。1990年留校任教至今，1991年破格聘任为副教授，1996年破格聘任为教授，1999年聘为博士生导师，2002年被聘任为法国图卢兹国家理工学院客座教授。
目前任中国电工技术学会高级会员，电力电子学会副理事长，电控装置及系统专委会副主任委员，中国自动化学会电气自动化专委会副主任委员。李教授长期从事大容量，高性能，全数字化交流电机控制及伺服系统的理论和应用研究，尤其是在高压大容量异步电机变频调速，交流电机矢量控制及其数字化实现和无速度传感器运行等方面提出自己的控制方法和理论，受到国内外同行的高度评价。2003年获中达学者基金委员会颁发的中达学者(Delta Scholar)荣誉称号。



运动控制系统通过伺服驱动装置将预定指令变成期望的机构运动，一般功率较小，并有定位要求和频繁启制动的特点，目前在导航系统，雷达天线，精密数控机床，加工中心，机器人，打印机，复印机，磁纪录仪，磁盘驱动器，自动洗衣机，电梯等领域得到越来越广泛的应用。

近日，《伺服控制》杂志记者采访了业内知名专家清华大学电机工程系李永东教授，就我国交流电机伺服系统的研究和应用及运动控制产业的发展进行了深入的交流。

《伺服控制》：李教授，您是在国外取得电气工程及自动化博士学位，回国后，又在这一领域的教学和科研成果累累，能否给《伺服控制》的广大读者作些自我介绍？

李永东：大家可能知道我最近几年在高压大容量异步电机变频调速，交流电机矢量控制，直接转矩控制及其数字化实现方面做了点工作，对我国交流调速产业化起了一点作用。殊不知，我的博士论文题目就是关于交流电机控制规律比较研究及其在伺服系统中的应用方面的研究。1983年我去法国攻读硕士和博士学位时就开始了这方面的研究工作，从那时起就开始搞交流传动和伺服控制研究，算算一晃到今天已经20年了。在法国，我一开始就接触到了比较先进的技术，如DSP、IPM、CPLD等，我所在的实验室是法国图卢兹国家理工学院电工与电力电子实验室，在法国是最大、最好的电力电子与电机控制实验室，在整个欧洲来讲都是比较先进的。何以见的？比如，2003年8月，我们行业全球最大的会议—欧洲电力电子及其应用会议就在法国图卢兹举行，我的导师是大会主席。很荣幸，我应邀在此次大会上做了一个专题报告。图卢兹城市不大，60多万人口，10多万大学生，科研水平很高，如高速列车、空中客车、幻影战斗机、阿丽亚娜火箭等技术都出自这座小城，是一座地地道道的高技术城市，欧洲的航天航空中心。2004年1月胡锦涛主席访问法国时，曾专门在图卢兹呆了一天，参观那里先进的空中客车和幻影战斗机。最近空客A380就在那里出厂，上面用到大量的交流电机伺服系统。

我在法国的4~5年主要从事一些研究工作，做博士学位论文，也发表了一些论文，但偏重于理论，真正做产品是在国内开始的。1988年回国后做博士后就是想做一些产品，主要瞄准了高精度的交流电机控制系统，包括机床交流伺服和主轴传动等方面的产品。在这个行业，80年代大家都知道有一个襄樊机床电气传动设备厂，引进了西门子的直流调速和伺服生产线，当时占领了国内很大的一部分市场。但后来西门子的IFT5交流伺服系列产品出来后，直流调速和伺服系统就越来越没有市场了。国家在“七·五”和“八·五”期间也投入不少的资金和人力研究交流调速和伺服系统，但一直没有能产业化。我们当时和襄樊机床电气传动设备厂签了个合同，消化和吸收西门子的IFT5交流伺服系列产品，我前后去了多次，历时一年多，最后的产品完全达到西门子的水平，采用的是永磁方波电机，也就是目前广泛使用的无刷直流电机。在此基础上，我们又采用DSP完成了冶金部自动化院伺服研究所的全数字化交流永磁同步电机的控制系统的研发工作，后来又参加了机械部机电数控集团的“八·五”攻关项目:全数字化交流异步电机主轴和永磁同步电机伺服控制系统的研制工作，当时可都是国家支持的、有名的大院大所进行的轰轰烈烈的国家攻关项目。

现在看来，这些项目基本上都没有形成大批量的生产能力，产生应有的经济效益。我认为其中有两个重要的原因，一是在国家经济体制改革的大潮中，原来的国有体制，大院大所越来越不适应市场经济的竞争态势，人才流失，造成后续开发能力严重不足，在国外产品突如其来的降价面前，不知所措，以至于一败涂地;其次，当时的市场容量不大，如，全国所有厂家一年的产量不如日本一个安川或法纳克一个月的产量高。很多企业没有能坚持过数控和伺服产业的严冬，能够坚持下来到近几年的就剩下少数几家了。尽管后来，我们也参加了清华紫光、北京四通电机公司的伺服系统研制，并继续在无速度传感器永磁同步电机矢量控制系统方面开展了一些理论研究，但更多的是把交流永磁同步电机控制系统应用在电动汽车、工业缝纫机、空调、电梯等要求不是象数控机床或机器人那么高精度的场合。目前，这倒也是一个发展趋势。

《伺服控制》：请您给《伺服控制》的广大读者谈一下关于“伺服系统及其控制”的技术问题，包括基本概念，系统分类，发展历史，工作原理，使用范围等。

李永东：电机控制系统主要分速度控制和位置控制两大类。传统的电气传动系统一般指速度控制系统，广泛地应用于机械、矿山、冶金、化工、纺织、造纸、水泥、交通等工业部门。对于位置控制(伺服)系统，目前国际上较多采用运动控制这一名称。如前所述，运动控制系统通过伺服驱动装置将预定指令变成期望的机构运动，一般功率较小，并有定位要求和频繁启制动的特点，目前在导航系统，雷达天线，精密数控机床，加工中心，机器人，打印机，复印机，磁纪录仪，磁盘驱动器，自动洗衣机，电梯等领域得到越来越广泛的应用。

永磁式同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好;但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难等缺点。和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。另外，永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此引起了国内外学者的广泛关注。

近年来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，经大力推广和应用已有研究成果，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得越来越广泛的应用。正向大功率化(高转速、高转矩)、高功能化和微型化方面发展。目前，稀土永磁电机的单台容量已超过1000kW，最高转速已超过300000r/min，最低转速低于0.01r/min，最小电机的外径只有0.8mm，长1.2mm。

我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土永磁材料钕铁硼资源在我国非常丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的四倍左右，号称“稀土王国”。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因此，对我国来说，永磁同步电动机有很好的应用前景。充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对实现我国现代化具有重要的理论意义和实用价值。

永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种:一种为正弦波;另一种为梯形波。这样就造成两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机(PMSM)调速系统;而由梯形波(方波)永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机(BLDCM)调速系统。

永磁同步电动机转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等也不同。根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为:表面式和内置式。在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等();而内置式永磁同步电机的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁体。这种永磁电机的重要特点是直、交轴的主电感不相等()。因此，这两种电机的性能有所不同。

《伺服控制》：交流伺服系统只比变频器多一个位置环，为什么其价格比变频器贵得多？请问交流伺服系统的难点何在？

李永东：首先，尽管我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土永磁材料钕铁硼资源在我国非常丰富。但是，永磁材料相对来讲较贵，其加工较难，造成永磁电机比异步电机仍贵;其次，由于高精度永磁同步电机闭环控制当中需要电机转子位置，因此需要在电机轴上安装机械位置传感器。由于机械传感器的存在，增加了系统复杂程度和成本。再者，交流伺服系统相对于通用变频器来讲，首先是一个高精度的闭环控制系统，闭环系统就有系统稳定性问题，参数不合适系统甚至不能稳定工作，再加上位置环以后，三环系统调试起来还是非常困难的。此外还有如何消除齿谐波及PWM控制等造成的转矩脉动的问题。如果采用无刷直流电机控制系统，定子为整矩集中绕组，以产生梯形波磁场和感应电势，通以三相方波交变电流，当电流和感应电势同相位时，理论上可产生平稳的电磁转矩。主要特点是磁极位置检测和无换向器电机一样，非常简单，选通及系统控制容易实现。缺点是由于定子电感的存在，实际上电流达不到理想的方波，在换流时刻的叠流现象会造成转矩脉动，对系统低速性能有一定的影响。

《伺服控制》：目前，交流伺服系统的产品国产化情况如何？

李永东：我国伺服控制系统的相关研究在高等学校做得比较多，但和产业有些脱节。原因有两个，一是最近十年研究机构大量地转向生产、转向应用，对理论研究不太感兴趣，一些很有实力的大院大所，如原机械部、电子部、航天部下面的大院大所，包括军工单位，兴趣转向应用，或者转向一些更现实的任务，前期研究投入的力量不足，和高校接不上去，另外好多单位的骨干力量都走了;第二个是民营企业的发展还不够，没有快速地发展壮大，研发方面的投入都不够，人才奇缺，特别是关键核心的技术人才，管理人才、销售人才都缺。

我和国内企业打交道较多，发现都是同样的问题，人才不足造成研发的停顿，或者是好不容易有所进展，核心人才又被别人挖走了。我认为市场和管理我们都可以做的很好，甚至比国外企业还好，但关键的突破口还是在研发，没有自己强大的研发力量，别说赶超国外同行，就是人家把源程序给你，你都看不懂，更何谈吸收、创新！

市场竞争会逼迫国内企业往前走，要么做大，要么被别人吃掉。企业家要有做大企业的胸怀，有多大的胸怀才能干多大的事业，否则，将来又要走家电的老路，在低层次上打价格战。我在90年代就提出一个观点，就是要么上批量，要么上精度，反正你得做出点自己的特色，才能占有一定的市场，否则就只有拼价格了，做的很累。

希望与困难同在，机遇与挑战共存。最近几年来，我国交流伺服及运动控制产业也有了长足的发展。因为我国是一个发展中国家，包袱不大，可以直接进入最新技术的开发和利用，借鉴别人的经验，跨过他们已经走过的路程。在经过多年的积累后，现在有几家，如北京和利时、华中数控、上海开通、西微所等的伺服产品取得了某种程度的突破，形成了稳定的供货能力，还是很有希望的。目前急需在取得成果的基础上尽快大批量生产并贴近国内市场，扩大国产伺服系统的市场占有率。

另外，以功率集成器件为代表的电力电子技术和交流变频调速及伺服控制技术所具有的独特的弱电控制强电的作用，使其成为信息产业和传统产业之间的一个必不可少的接口，必将形成一个庞大的产业。近十年内，制造业的中心和电力电子及交流变频调速和伺服控制的企业将可能大规模的向发展中国家转移，对于我们来说，这是一个很好的机遇，如果我们抓住这个机会，再利用本身的市场有利条件，有可能在我国形成电力电子和交流变频调速和伺服制造业的中心，使我国工业上一个新的台阶。

《伺服控制》：目前，国外交流伺服系统的发展动向如何？

李永东：国外在80年代已经推出了一系列商品化的交流电机伺服控制系统，如德国西门子、科比、Inland公司，日本安川、东芝、松下、法纳克等公司都有自己的成熟产品。此外，国外的学者发表了大量的论文，目前仍在进一步研究如何提高系统性能，并最终实现无机械传感器交流伺服系统运行。

事实上，上个世纪80年代初，国外就开始对逆变器供电的永磁同步电动机进行深入的研究。逆变器供电的永磁同步电机与直接起动的永磁同步电机的结构基本相同，在逆变器供电情况下，永磁同步电机的原有特性将会受到影响，其稳态特性和暂态特性与恒定频率下的永磁同步电机相比有不同的特点。1980年后发表了大量的论文研究永磁同步电动机的数学模型、稳态特性、动态特性。A.V.Gumaste等研究了电压型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性及电流型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性。

随着对永磁同步电机调速系统性能要求的不断提高，需要设计出高效率、高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电机，G.R.Slemon等人针对调速系统快速动态性能和高效率的要求，提出了现代永磁同步电机的设计方法。

随着微型计算机技术的发展，永磁同步电动机矢量控制系统的全数字控制也取得了很大的发展。D.Naunin等研制了一种永磁同步电动机矢量控制系统，采用了16位单片机8097作为控制计算机，实现了高精度、高动态响应的全数字控制。80年代末，90年代初B.K.Bose 等发表了大量关于永磁同步电动机矢量控制系统全数字控制的论文。

永磁同步电动机矢量控制系统转速控制器大多采用比例积分(PI)控制。PI控制器具有结构简单，性能良好，对被控制对象参数变化不敏感等优点。早期自适应控制主要应用于直流电机调速系统，1991年，R.B.Sepe首次在交流转速控制器中采用自校正控制。国立台湾大学刘天华等首次将鲁棒控制理论应用于永磁同步电动机伺服驱动。电机在运行过程中，模型和参数是不断变化的，参数和模型的变化将引起控制系统性能的降低。现代控制理论中的各种鲁棒控制技术能够使控制系统在模型和参数变化时保持良好的控制性能。因此，将各种鲁棒控制技术运用于电机调速领域，可以大大提高调速系统的性能。在这方面，运用的较为成功的控制技术主要有:自适应控制、变结构控制、参数辨识技术等。

自适应控制技术能够改善控制对象和运行条件发生变化时控制系统的性能，N.Matsui，J.H.Lang等人将自适应控制技术应用于永磁同步电机调速系统。仿真和实验结果表明，自适应控制技术能够使调速系统在电机参数发生变化时保持良好的性能。通过对电机参数变化进行在线辨识，并运用辨识的参数对调速系统进行控制，也能够提高控制系统的鲁棒性。

滑模变结构控制由于其特殊的“切换”控制方式与电机调速系统中逆变器的“开关”模式相似，并且具有良好的鲁棒控制特性，因此，在电机控制领域有广阔的应用前景。

随着人工智能技术的发展，智能控制已成为现代控制领域中的一个重要分支，电气传动控制系统中运用智能控制技术也已成为目前电气传动控制的主要发展方向，并且将带来电气传动技术的新纪元。目前，实现智能控制的有效途径有三条:基于人工智能的专家系统(Expert System);基于模糊集合理论(Fuzzy Logic)的模糊控制;基于人工神经网络(Artificial Neural Network)的神经控制。

B.K.Bose 等人从上个世纪80年代后期一直致力于人工智能技术在电气传动领域的应用，并取得了可喜的研究成果。

最后，在高性能永磁同步电机控制当中，均需要检测转子的位置和速度，需要在转子轴上安装机械式传感器，测量电机的速度和位置(见图1)。这些机械传感器经常是编码器(Encoder)、解算器(Resolver)和测速发电机(Tachometer)。机械传感器提供了电机控制所需的转子信号，但也给调速系统带来了一些问题:

1) 机械传感器增加了电机转子轴上的转动惯量，加大了电机空间尺寸和体积。
2) 机械传感器的使用增加了电机与控制系统之间的连接线和接口电路，使系统易受干扰，降低了可*性。
3) 受机械传感器使用条件如温度、湿度和振动的限制，调速系统不能广泛适应各种场合。
4) 机械传感器及其辅助电路增加了调速系统的成本，某些高精度传感器的价格甚至可与电机本身价格相比。

为了克服使用机械传感器给调速系统带来的缺陷，许多学者开展了无机械传感器交流调速系统的研究。无机械传感器交流调速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位置和速度，取代机械传感器，实现电机控制。图2为无机械传感器交流调速系统的基本原理图。

永磁同步电机无速度传感器矢量控制技术的关键在于如何根据测量的电机电流和电压信号，估计电机的转速和转子位置。对于永磁同步电机调速系统可以采用一些直观的方法，即利用其特殊的电磁特性，来构造速度和转子位置的估计方法，例如:计算定子磁链矢量的空间位置来估计电机的转子位置、计算定子相电感来估计转子位置等。同时，随着现代控制、辨识技术的发展，为我们提供了许多可行的观测器构造方法来估计控制过程中的状态变量或参数。在电机的无速度传感器矢量控制技术中主要采用的观测器有:全阶状态观测器、自适应观测器、变结构观测器、卡尔曼滤波器等，采用这些方法构造的电机转子位置和速度观测器具有动态性能好、稳定性强。参数敏感性小等特点。随着高速数字信号处理器(DSP)技术的发展，使得各种具有优良性能的速度观测器能够在无速度传感器永磁同步机矢量控制伺服系统中广泛运用。