专家成果:应用于高品质伺服系统的先进电机及控制策略综述

本文为东南大学程明教授团队发表在Chinese Journal of Electrical Engineering 2024年第10卷第1期的综述文章，题为“Advanced Electrical Motors and Control Strategies for High-quality Servo Systems - A Comprehensive Review”，论文作者：Ming Cheng, Jiawei Zhou, Wei Qian, Bo Wang, Chenchen Zhao and Peng Han。感兴趣的朋友们可以点击“阅读原文”免费获取全文。





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自20世纪早期伺服机械的概念诞生以来，伺服系统经历了从机械式伺服到数字化伺服的巨大转变。在这个过程中，相当多的伺服电机及控制算法得到应用，繁杂的备选方案常常让从业人员尤其是初涉伺服领域的人员感到无从下手。有鉴于此，本文旨在从电机拓扑结构和控制策略两个方面对伺服系统相关技术进行系统性地归纳总结，并结合学术前沿，前瞻性地介绍相关领域的先进技术，为从业及科研人员提供有价值的指南。

在电机拓扑方面，本文梳理了伺服电机发展脉络，并对各发展时期有代表性的电机拓扑进行了介绍，最后对未来可能在伺服系统中得到广泛应用的场调制电机和特种电机进行了介绍和展望。

在控制算法方面，本文重点介绍了矢量控制及转矩控制两大控制策略的发展历程，并对目前高品质伺服系统中常用的诸如模型预测控制、故障及容错控制、抗干扰控制等策略进行了归纳和介绍。



论文背景及目的

随着20世纪早期相关理论的发展，伺服机械的概念被提出并推广开来，并且在二战期间伴随着高品质军用设备的庞大需求而得到了快速的发展。目前伺服设备不光被应用在诸如机械加工、冶金、计算机和军工方面，也在诸如光刻机、医疗设备、航空航天设备等高端场合得到了广泛应用。数据显示，2022年伺服市场总规模达到12.2万亿美元，并有望在2028年突破16万亿。这其中的增长点更多地出现在高端应用场合，意味着市场对高品质伺服系统有着旺盛的需求。



总  结

伺服电机发展及分类

在伺服系统发展的早期，常见的电机拓扑有有刷直流电机、步进电机、感应电机及磁滞电机等。结合具体应用工况，这些电机还会在传统结构上进行针对性地改造，例如将转子设计为杯型以获得更小的机械时间常数，保证响应速度。

随着永磁材料及电力电子技术的不断发展，取消了电刷滑环结构，并采用永磁体来提高功率密度的无刷直流电机和永磁同步电机逐渐成为伺服系统主流电机类型。这其中，永磁同步电机因其反电势正弦而获得了更多的关注，目前市场上常见的伺服电机主要有表贴式永磁同步电机及内嵌式永磁同步电机两种。

未来伺服电机的发展仍是以进一步提高功率/转矩密度为目标，但是实现途径并不唯一。例如，以高精度直驱电机和多自由度电机为代表的特种结构电机受到了非常多的关注，这类电机可以在要求比较特殊的场合实现直驱，避免了减速箱等机构带来的空间问题，等效实现了功率/转矩密度的提升。除此之外，场调制电机因其特殊的工作原理，可以实现更高密度的功率或转矩输出，因此也受到了许多研究人员的关注。

伺服控制策略的分类

矢量控制及直接转矩控制仍将是伺服控制系统的主要控制框架，在此基础上也发展出了诸如MTPA算法，SVM-DTC等改进型控制策略。除此之外，为了提高伺服系统的整体性能，故障诊断和容错控制，参数辨识算法以及抗干扰算法也在先进伺服系统中得到了非常广泛的应用。

值得一提的是，在伺服系统高度数字化的今天，模型预测控制展现出非常强大的生命力，成为了近年来伺服控制策略的研究热点方向之一。诸如FCS-MPC, CCS-MPC等模型预测控制算法已经被证明了在伺服系统中的有效性，部分厂家也将其应用在了自己的最新产品上，取得了不错的效果。



未来发展趋势

首先，响应带宽一直是，并将继续是伺服系统关注的重点，它决定了系统的整体表现、稳定性以及快速精确响应给定值的能力。在这方面有几个需要重点解决的问题值得思考：一是如何在传感器带宽受限的情况下，保证系统带宽。二是在系统高带宽时如何处理高频噪声与高频有效信号之间的关系。三是高带宽意味着高开关频率，如何解决目前电力电子设备的带宽受限问题。

其次，电机的功率/转矩密度也会持续成为关注的重点，因此磁场调制电机这类高转矩密度电机会受到持续关注。

智能化也是当前伺服系统的发展方向之一，得益于计算机算力的提升，利用数据驱动算法，AI等技术来实现伺服系统的参数自整定或系统策略决策等是目前研究人员关注的重点。

除此以外，移动伺服设备也是一个热点方向，伺服系统将不再局限于工业生产中，在家用电器、包裹分拣等情境下也有着广阔的前景，这些场景对电机的尺寸、电压等级有着较为严苛的要求，针对性地解决这些问题或许是未来研究的关键方向。

最后，电磁理论方面也亟待突破，传统电磁分析理论具有一定的局限性，如何对电磁理论进行升级以使其能够满足高品质伺服系统的需求成为了一个研究热点。因此诸如矢量磁路理论这样在原有理论基础上进行创新，解决损耗计算等伺服系统关键问题的新型电磁理论也受到了非常多的关注。

团队带头人





程明，博士，东南大学首席教授、博士生导师，IEEE Fellow, IET Fellow。现任东南大学风力发电研究中心主任、东南大学先进电机与电力电子集成系统研究所所长、江苏省新能源汽车电机及驱动系统工程实验室主任。

30多年来，主持承担国家自然科学基金重大项目、国家973计划课题、国家863计划项目等课题60余项，发表论文500余篇（SCI收录320余篇）；主编《微特电机及系统》、《可再生能源发电技术》教材，出版《General Airgap Field Modulation Theory for Electrical Machines: Principles and Practice》、《电机气隙磁场调制统一理论及应用》、《定子永磁无刷电机-理论、设计与控制》、《电动汽车的新型驱动技术》等著作，应Springer出版社邀请参编《Encyclopedia of Sustainability Science and Technology》，应Wiley出版社邀请参编《Encyclopedia of Automotive Engineering》并任第三卷编辑；获授权中国发明专利150余件、美国专利5件、欧洲专利1件。

获国家技术发明二等奖、教育部自然科学一等奖、江苏省科学技术一等奖、中国机械工业科学技术一等奖等学术奖励和江苏省“333高层次人才培养工程”中青年科技领军人才、优秀科技工作者、“六大人才高峰”学术带头人、江苏省十大优秀专利发明人、中达学者以及江苏省专利发明人奖等荣誉称号。被聘为IEEE IAS Distinguished Lecturer in 2015/2016；享受国务院政府特殊贡献津贴。





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