1.6 电动机控制系统设计

1.6.1 电动机控制系统发展概况

1.电动机控制系统

1831年法拉第发现电磁感应原理以来，直流电动机和交流电动机先后问市，各种特殊用途的电动机不断出现，推动了电力工业和电气传动技术的发展。

电动机控制涉及速度控制和位置控制两大类。

1）电动机速度控制，亦即电动机的调速，广泛应用于机械、冶金、化工、造纸、纺织、矿山和交通等工业部门。

2）电动机位置控制，亦即电动机位置伺服、运动控制，通过电动机伺服驱动装置将给定的位置指令变成期望的工作机构运动，其特点为功率不大、定位精度要求高、频繁起动和制动，在雷达、导航、数控机床、机器人、打印机、复印机、扫描仪、磁记录仪、磁盘驱动器和自动洗衣机等领域得以广泛应用。

2.电动机控制系统的发展

1）主传动系统由机械控制系统（如齿轮箱变速）、机械与电气联合控制系统（如异步电动机电磁离合器调速），发展到全电气控制系统（如基于电力电子电源变换器的电动机控制系统）。

2）控制系统由模拟电路、数字和模拟混合电路，发展到全数字电路控制系统。

3）控制策略由低效有级控制（如直流电动机电枢回路串分级电阻调速、绕线转子异步电动机转子回路串电阻与笼型异步电动机变极调速），过渡到低效无级控制（如异步电动机改变转差率调速），向着高效无级控制（如直流电动机斩波调压调速、交流电动机变频调速、交流电动机矢量控制与直接转矩控制）及高性能智能控制系统发展。

4）电力电子控制器件由体积庞大的电子管控制系统、小功率晶体管控制系统、大功率无自关断能力的晶闸管控制系统发展为全控型电力电子器件控制系统，如AC/DC可控整流器、DC/DC斩波器、DC/AC逆变器、AC/DC/AC交直交变换器、AC/AC变换器和矩阵变换器。

3.提高电动机控制系统性能技术措施

（1）新型功率控制器件和PWM技术应用

电力电子技术凸显出高频、高压、大功率、多电平和智能化发展趋势，电动机控制基本手段就是如何控制PWM波形使得功率器件输出的电压、电流能够满足电动机高性能运行的要求。

直接与高压电网连接的高压异步电动机调速控制，目前采用耐压等级较高的GTO构成多电平交直交变换器，其开关频率低且输出电压和频率调节范围宽。

低压交流电动机控制采用集成的智能功率模块，控制系统中各种芯片所需低压稳压电源采用的高频变换电路，以及机器人各关节驱动电动机的协调控制等都离不开功率控制器件。

典型的功率控制器有直流斩波器、交直交电流型或电压型变换器、交交变换器和矩阵变换器，目前采用MOSFET、IGBT器件的变频器，开关频率达到20 kHz。

（2）矢量变换控制技术与现代控制理论的应用

针对异步电动机具有的多变量、强耦合、非线性特点，传统采用电压与频率之比恒定的控制策略，立足于电动机本身稳定运行，即从电动机的机械特性出发分析研究电动机的运行状态和特性，动态控制效果不够理想。

矢量变换控制将异步电动机的定转子绕组分别经过坐标变换后等效成两相正交的绕组，并从转子磁场的角度观测实现了异步电动机电气变量的解耦控制，适合研究异步电动机动态控制过程。矢量变换控制不但可以控制电动机和磁通等变量的幅值，还可以控制这些变量的相位。同时，通过利用现代线性系统控制中状态重构和估计的概念，实现了异步电动机磁通和转矩在等效两相正交绕组状态下的重构和解耦控制，增强了异步电动机矢量控制系统的实用性。

矢量变换控制还应用于同步电动机控制。目前，国外变频器驱动异步电动机均采用矢量变换控制技术，应用于钢厂轧机主轴传动、电力机车牵引系统和数控机床中。20世纪80年代中期，相继提出了直接转矩控制、空间矢量调制技术和定子磁场定向控制等，并采用最优控制、滑模变结构控制、模型参考自适应控制、状态观测器、扩展卡尔曼滤波器和智能控制等方法，提高了控制过程的动态性能、增强了系统的鲁棒性等。

（3）微机、微处理器、数字信号处理器DSP和嵌入式技术应用

因单片机处理信息量不大，针对交流电动机控制系统具有快速、实时处理能力强等要求，采用微机、微处理器、DSP和嵌入式技术应用解决方案，将系统控制、故障监视、诊断和保护、人机交互接口等功能集成为一体，实现高性能复杂算法的控制系统。此外，PLC、FBS、FPGA和CAN与微机结合，在电动机控制中的应用也在不断深入。

（4）新型电动机和无传感器控制技术研究

新型电动机设计、动态建模及控制，如直接联网高压电动机、永磁电动机、双凸极电动机、超声波电动机、磁悬浮直线电动机、平面电动机设计，双馈异步电动机设计与控制、开关磁阻电动机设计与驱动控制，三维物理场的计算等。

高速永磁电动机、转子无绕组的开关磁阻电动机，利用转子位置传感器（或速度传感器）检测转子位置或速度来控制失步，但这类传感器的采用使得系统体积增大、可靠性降低、成本提高、易受环境的影响。研究无传感器电动机控制技术，即利用检测到的电动机状态信号（如电压、电流），通过基于电动机控制数学模型设计的位置或速度观测器，实时计算电动机转子位置或速度。