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现代电机控制技术的发展现状与展望

作者：穆素祥

来源：《中国科技纵横》2010年第15期

摘要:本文介绍了现代电机控制技术的发展现状,包括各种现代电机控制系统的基本模式、组成模块和关键技术进行了系统介绍,最后对未来电机控制技术的发展方向进行了展望。 关键词:电机;新材料;矢量控制;直接转矩控制;发展与展望 引言

电机是把电能转换成机械能的设备,它在机械、冶金、石油、煤炭、化学、航空、交通、农业以及其他各种工业领域中都有着广泛的应用。随着现代电力电子技术的飞速发展,现代电机控制技术正朝着小型化和智能化的方向发展。 1.电机的基本结构及分类

普通电机主要由定子、转子、端盖、风扇、罩壳、机座和接线盒等组成。以图1所示的最常见的三相鼠笼式电机为例,其主要由定子和转子构成,定子是静止不动的部分,转子是旋转部分,在定子与转子之间有一定的气隙。定子由铁心、绕组与机座三部分组成。转子由铁心与绕组组成,转子绕组有鼠笼式和线绕式。图2所示即为三相线绕式电机转子结构示意图,值得一提的是鼠笼式与线绕式两种电机虽然具有不同的结构,但是工作原理却是相同的。

电机按其工作电源种类的不同可划分为直流电机和交流电机两种,常见直流电机按结构及工作原理可进一步划分无刷直流电机和有刷直流电机,常见交流电机按结构及工作原理的不同也可以进一步划分为单相电机和三相电机。这些电机也因为其结构和工作原理的不同而具有不同的特性。

2.无刷直流电机控制技术的发展现状与展望

自1978年,MAC经典无刷直流电机及其驱动器推出之后,国际上对无刷直流电机进行了深入的研究,先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。三十多年以来,随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展,无刷电机得到了长足的发展。

2.1.各组成部分发展状况 2.1.1.电机本体

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无刷直流电机在电磁结构上和有刷直流电机基本一样,但它的电枢绕组放在定子上,转子采用的重量、简化了结构、提高了性能,使其可靠性得以提高。无刷电机的发展与永磁材料的发展是分不开的,基本上经历了铝镍钴,铁氧体磁性材料和钕铁硼三个发展阶段。 2.1.2.电子换相电路

(1)控制电路。无刷直流电机通过控制驱动电路中的功率开关器件,来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机,包括过流、过压、过热等保护。控制电路最初采用模拟电路,控制比较简单。目前,控制电路一般有专用集成电路、微处理器和数字信号处理器等三种组成形式。 (2)驱动电路。驱动电路输出电功率,驱动电机的电枢绕组,并受控于控制电路,它一般由大功率开关器件组成。随着电力电子技术的飞速发展,出现了全控型功率开关器件。目前,全控型开关器件正在逐渐取代普通晶闸管,驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态,同时电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路。 2.1.3.转子位置检测电路

永磁无刷电机是一闭环的机电一体化系统,它是通过转子磁极位置信号作为电子开关线路的换相信号。目前,磁敏式的霍尔位置传感器广泛应用于无刷直流电机中,另外还有光电式的位置传感器。为了适应无刷电机的进一步发展,无位置传感器应运而生;近年来,一种新型无位置传感器的无刷电机正处于研制之中。2.2.无刷直流电机的发展方向

随着电子技术、控制技术的发展,位置检测可以通过芯片配合适当的算法来实现。高速微处理器和DSP器件以及专用的控制芯片的出现,使得运行速度、处理能力有很大的提高。DSP固有的计算能力可用来在无刷电机上实现无传感器控制。采用DSP实现无位置传感器控制成为研究的热点,低成本DSP无位置传感器无刷电机,成为无刷直流电机的发展方向。 3.交流电机控制技术的发展现状与展望

20世纪70年代德国工程师F.Blaschke提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。1985年,德国的Depenbrock教授提出了异步电机直接转矩控制方法。近年来,矢量控制和直接转矩控制技术不断发展,且有各自不同的应用领域。随着现代控制理论和电子技术的发展,各种控制方法和器件不断出现。3.1.矢量控制技术的现状与展望

目前,在矢量控制方面出现了许多新兴的技术,如磁通的快速控制、参数辨识和调节器自整定、非线性自抗扰控制器以及矩阵式变换器技术等。在不久的将来,矢量采用高速电机控制专用DSP、嵌入式实时软件操作系统,开发更实用的转子磁场定向方法和精确的磁通观测器,使变频器获得高起动转矩、高过载能力,将是未来矢量控制技术的重要发展方向。 3.2.直接转矩控制技术的现状与展望

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直接转矩无差拍控制是基于离散化直接转矩控制系统提出来的一种控制方法。无差拍控制可以在一个控制周期内,完全消除定子磁链模值和电磁转矩的动、静态误差,消除由于使用滞环比较器产生的转矩脉动,使电机可以运行在极低速下,扩大了调速范围。转矩跟踪预测控制方法认为磁链模值已经被准确控制或只发生缓慢地变化,没有考虑磁链模值的控制问题。 随着现代科学技术的不断发展,直接转矩控制技术必将有所突破。一是交流调速向高频化方向发展,进一步提高控制性能,消除脉动,其中空间矢量脉宽调制和软关断技术又是重点。二是与智能控制相结合,使交流调速系统的性能有一个根本的提高。目前,直接转矩控制主要有以下几种新兴技术:

(1)模糊控制和神经网络控制。模糊控制是根据人工控制规则组织控制规则决策表,采用人类思维中模糊量、控制量,由模糊推理导出。神经网络控制是人脑神经系统的某种简化抽象和模拟,由大量的简单的神经元互相连接形成的高度复杂的非线性系网络系统,具有逼近任意非线性函数的功能、高容错性、多输入输出特性,易用于多变量系统的控制。

(2)鲁棒控制和自抗扰控制器。鲁棒控制是针对时间域或频率域来说的,一般假设过程动态特性的信息和它的变化范围。自抗扰控制器利用非线性结构克服经典PID的缺陷,抵消和估计出异步电机高阶、非线性、强耦合的多变量系统中,同步旋转坐标系中定子电压方程存在的非线性耦合作用,使电机定子电流的转矩分量与励磁分量的相互影响,主要用于异步电机的非线性控制。

(3)复合控制。将上述几种控制方法组合起来使用,如神经网络与内模复合控制;滑模、模糊、神经网络的复合控制;自调整模糊滑模变结构控制和自适应模糊神经网路滑模变结构控制等。 4.结束语

在科学技术飞速发展的今天,新材料、矢量控制技术、直接转矩控制技术和人工神经网络、自适应控制状态观测器等方法已得到广泛采用。在未来,现代电机控制技术,将随着新材料、控制理论、计算机技术和电子技术的发展而取得更快的发展。 参考文献

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