1.6 電動機控制系統設計

1.6.1 電動機控制系統發展概況

1.電動機控制系統

1831年法拉第發現電磁感應原理以來，直流電動機和交流電動機先后問市，各種特殊用途的電動機不斷出現，推動了電力工業和電氣傳動技術的發展。

電動機控制涉及速度控制和位置控制兩大類。

1）電動機速度控制，亦即電動機的調速，廣泛應用于機械、冶金、化工、造紙、紡織、礦山和交通等工業部門。

2）電動機位置控制，亦即電動機位置伺服、運動控制，通過電動機伺服驅動裝置將給定的位置指令變成期望的工作機構運動，其特點為功率不大、定位精度要求高、頻繁起動和制動，在雷達、導航、數控機床、機器人、打印機、復印機、掃描儀、磁記錄儀、磁盤驅動器和自動洗衣機等領域得以廣泛應用。

2.電動機控制系統的發展

1）主傳動系統由機械控制系統（如齒輪箱變速）、機械與電氣聯合控制系統（如異步電動機電磁離合器調速），發展到全電氣控制系統（如基于電力電子電源變換器的電動機控制系統）。

2）控制系統由模擬電路、數字和模擬混合電路，發展到全數字電路控制系統。

3）控制策略由低效有級控制（如直流電動機電樞回路串分級電阻調速、繞線轉子異步電動機轉子回路串電阻與籠型異步電動機變極調速），過渡到低效無級控制（如異步電動機改變轉差率調速），向著高效無級控制（如直流電動機斬波調壓調速、交流電動機變頻調速、交流電動機矢量控制與直接轉矩控制）及高性能智能控制系統發展。

4）電力電子控制器件由體積龐大的電子管控制系統、小功率晶體管控制系統、大功率無自關斷能力的晶閘管控制系統發展為全控型電力電子器件控制系統，如AC/DC可控整流器、DC/DC斬波器、DC/AC逆變器、AC/DC/AC交直交變換器、AC/AC變換器和矩陣變換器。

3.提高電動機控制系統性能技術措施

（1）新型功率控制器件和PWM技術應用

電力電子技術凸顯出高頻、高壓、大功率、多電平和智能化發展趨勢，電動機控制基本手段就是如何控制PWM波形使得功率器件輸出的電壓、電流能夠滿足電動機高性能運行的要求。

直接與高壓電網連接的高壓異步電動機調速控制，目前采用耐壓等級較高的GTO構成多電平交直交變換器，其開關頻率低且輸出電壓和頻率調節范圍寬。

低壓交流電動機控制采用集成的智能功率模塊，控制系統中各種芯片所需低壓穩壓電源采用的高頻變換電路，以及機器人各關節驅動電動機的協調控制等都離不開功率控制器件。

典型的功率控制器有直流斬波器、交直交電流型或電壓型變換器、交交變換器和矩陣變換器，目前采用MOSFET、IGBT器件的變頻器，開關頻率達到20 kHz。

（2）矢量變換控制技術與現代控制理論的應用

針對異步電動機具有的多變量、強耦合、非線性特點，傳統采用電壓與頻率之比恒定的控制策略，立足于電動機本身穩定運行，即從電動機的機械特性出發分析研究電動機的運行狀態和特性，動態控制效果不夠理想。

矢量變換控制將異步電動機的定轉子繞組分別經過坐標變換后等效成兩相正交的繞組，并從轉子磁場的角度觀測實現了異步電動機電氣變量的解耦控制，適合研究異步電動機動態控制過程。矢量變換控制不但可以控制電動機和磁通等變量的幅值，還可以控制這些變量的相位。同時，通過利用現代線性系統控制中狀態重構和估計的概念，實現了異步電動機磁通和轉矩在等效兩相正交繞組狀態下的重構和解耦控制，增強了異步電動機矢量控制系統的實用性。

矢量變換控制還應用于同步電動機控制。目前，國外變頻器驅動異步電動機均采用矢量變換控制技術，應用于鋼廠軋機主軸傳動、電力機車牽引系統和數控機床中。20世紀80年代中期，相繼提出了直接轉矩控制、空間矢量調制技術和定子磁場定向控制等，并采用最優控制、滑模變結構控制、模型參考自適應控制、狀態觀測器、擴展卡爾曼濾波器和智能控制等方法，提高了控制過程的動態性能、增強了系統的魯棒性等。

（3）微機、微處理器、數字信號處理器DSP和嵌入式技術應用

因單片機處理信息量不大，針對交流電動機控制系統具有快速、實時處理能力強等要求，采用微機、微處理器、DSP和嵌入式技術應用解決方案，將系統控制、故障監視、診斷和保護、人機交互接口等功能集成為一體，實現高性能復雜算法的控制系統。此外，PLC、FBS、FPGA和CAN與微機結合，在電動機控制中的應用也在不斷深入。

（4）新型電動機和無傳感器控制技術研究

新型電動機設計、動態建模及控制，如直接聯網高壓電動機、永磁電動機、雙凸極電動機、超聲波電動機、磁懸浮直線電動機、平面電動機設計，雙饋異步電動機設計與控制、開關磁阻電動機設計與驅動控制，三維物理場的計算等。

高速永磁電動機、轉子無繞組的開關磁阻電動機，利用轉子位置傳感器（或速度傳感器）檢測轉子位置或速度來控制失步，但這類傳感器的采用使得系統體積增大、可靠性降低、成本提高、易受環境的影響。研究無傳感器電動機控制技術，即利用檢測到的電動機狀態信號（如電壓、電流），通過基于電動機控制數學模型設計的位置或速度觀測器，實時計算電動機轉子位置或速度。