1.6 電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.6.1 電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展概況

1.電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)原理以來，直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)先后問市，各種特殊用途的電動(dòng)機(jī)不斷出現(xiàn)，推動(dòng)了電力工業(yè)和電氣傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。

電動(dòng)機(jī)控制涉及速度控制和位置控制兩大類。

1）電動(dòng)機(jī)速度控制，亦即電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、化工、造紙、紡織、礦山和交通等工業(yè)部門。

2）電動(dòng)機(jī)位置控制，亦即電動(dòng)機(jī)位置伺服、運(yùn)動(dòng)控制，通過電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)裝置將給定的位置指令變成期望的工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，其特點(diǎn)為功率不大、定位精度要求高、頻繁起動(dòng)和制動(dòng)，在雷達(dá)、導(dǎo)航、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、掃描儀、磁記錄儀、磁盤驅(qū)動(dòng)器和自動(dòng)洗衣機(jī)等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。

2.電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展

1）主傳動(dòng)系統(tǒng)由機(jī)械控制系統(tǒng)（如齒輪箱變速）、機(jī)械與電氣聯(lián)合控制系統(tǒng)（如異步電動(dòng)機(jī)電磁離合器調(diào)速），發(fā)展到全電氣控制系統(tǒng)（如基于電力電子電源變換器的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)）。

2）控制系統(tǒng)由模擬電路、數(shù)字和模擬混合電路，發(fā)展到全數(shù)字電路控制系統(tǒng)。

3）控制策略由低效有級(jí)控制（如直流電動(dòng)機(jī)電樞回路串分級(jí)電阻調(diào)速、繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻與籠型異步電動(dòng)機(jī)變極調(diào)速），過渡到低效無級(jí)控制（如異步電動(dòng)機(jī)改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速），向著高效無級(jí)控制（如直流電動(dòng)機(jī)斬波調(diào)壓調(diào)速、交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速、交流電動(dòng)機(jī)矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制）及高性能智能控制系統(tǒng)發(fā)展。

4）電力電子控制器件由體積龐大的電子管控制系統(tǒng)、小功率晶體管控制系統(tǒng)、大功率無自關(guān)斷能力的晶閘管控制系統(tǒng)發(fā)展為全控型電力電子器件控制系統(tǒng)，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(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)性能技術(shù)措施

（1）新型功率控制器件和PWM技術(shù)應(yīng)用

電力電子技術(shù)凸顯出高頻、高壓、大功率、多電平和智能化發(fā)展趨勢，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)高性能運(yùn)行的要求。

直接與高壓電網(wǎng)連接的高壓異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制，目前采用耐壓等級(jí)較高的GTO構(gòu)成多電平交直交變換器，其開關(guān)頻率低且輸出電壓和頻率調(diào)節(jié)范圍寬。

低壓交流電動(dòng)機(jī)控制采用集成的智能功率模塊，控制系統(tǒng)中各種芯片所需低壓穩(wěn)壓電源采用的高頻變換電路，以及機(jī)器人各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)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(guān)頻率達(dá)到20 kHz。

（2）矢量變換控制技術(shù)與現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用

針對異步電動(dòng)機(jī)具有的多變量、強(qiáng)耦合、非線性特點(diǎn)，傳統(tǒng)采用電壓與頻率之比恒定的控制策略，立足于電動(dòng)機(jī)本身穩(wěn)定運(yùn)行，即從電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性出發(fā)分析研究電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和特性，動(dòng)態(tài)控制效果不夠理想。

矢量變換控制將異步電動(dòng)機(jī)的定轉(zhuǎn)子繞組分別經(jīng)過坐標(biāo)變換后等效成兩相正交的繞組，并從轉(zhuǎn)子磁場的角度觀測實(shí)現(xiàn)了異步電動(dòng)機(jī)電氣變量的解耦控制，適合研究異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)控制過程。矢量變換控制不但可以控制電動(dòng)機(jī)和磁通等變量的幅值，還可以控制這些變量的相位。同時(shí)，通過利用現(xiàn)代線性系統(tǒng)控制中狀態(tài)重構(gòu)和估計(jì)的概念，實(shí)現(xiàn)了異步電動(dòng)機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩在等效兩相正交繞組狀態(tài)下的重構(gòu)和解耦控制，增強(qiáng)了異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的實(shí)用性。

矢量變換控制還應(yīng)用于同步電動(dòng)機(jī)控制。目前，國外變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)均采用矢量變換控制技術(shù)，應(yīng)用于鋼廠軋機(jī)主軸傳動(dòng)、電力機(jī)車牽引系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床中。20世紀(jì)80年代中期，相繼提出了直接轉(zhuǎn)矩控制、空間矢量調(diào)制技術(shù)和定子磁場定向控制等，并采用最優(yōu)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模型參考自適應(yīng)控制、狀態(tài)觀測器、擴(kuò)展卡爾曼濾波器和智能控制等方法，提高了控制過程的動(dòng)態(tài)性能、增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性等。

（3）微機(jī)、微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器DSP和嵌入式技術(shù)應(yīng)用

因單片機(jī)處理信息量不大，針對交流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)具有快速、實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)等要求，采用微機(jī)、微處理器、DSP和嵌入式技術(shù)應(yīng)用解決方案，將系統(tǒng)控制、故障監(jiān)視、診斷和保護(hù)、人機(jī)交互接口等功能集成為一體，實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)雜算法的控制系統(tǒng)。此外，PLC、FBS、FPGA和CAN與微機(jī)結(jié)合，在電動(dòng)機(jī)控制中的應(yīng)用也在不斷深入。

（4）新型電動(dòng)機(jī)和無傳感器控制技術(shù)研究

新型電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)建模及控制，如直接聯(lián)網(wǎng)高壓電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)、雙凸極電動(dòng)機(jī)、超聲波電動(dòng)機(jī)、磁懸浮直線電動(dòng)機(jī)、平面電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，雙饋異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與控制、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)控制，三維物理場的計(jì)算等。

高速永磁電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子無繞組的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，利用轉(zhuǎn)子位置傳感器（或速度傳感器）檢測轉(zhuǎn)子位置或速度來控制失步，但這類傳感器的采用使得系統(tǒng)體積增大、可靠性降低、成本提高、易受環(huán)境的影響。研究無傳感器電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)，即利用檢測到的電動(dòng)機(jī)狀態(tài)信號(hào)（如電壓、電流），通過基于電動(dòng)機(jī)控制數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)的位置或速度觀測器，實(shí)時(shí)計(jì)算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置或速度。