電機(jī)控制技術(shù)的研究

1、電機(jī)控制技術(shù)的研究（作者：）（）指導(dǎo)教師：【摘要】介紹了電力電子技術(shù)的發(fā)展過(guò)程,剖析了運(yùn)動(dòng)控制器中應(yīng)用的各種電子技術(shù)。結(jié)合電機(jī)技術(shù)和微控制器技術(shù)研究現(xiàn)狀,分析了電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域內(nèi)的最新進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)。【關(guān)鍵詞】電力電子技術(shù) 電機(jī)技術(shù) 微控制器 電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制Motor Control Technology Research Author: Zhang Xiaowen（Grade10 Class2） Electronic and Information Engineering,Class electronic Information Engineering,Major electronic and

2、 Information Engineering，Ankang University，Ankang 725000，Shaanxi）Directed by LvfangxingAbstract：Introduces the power electronic technology development process,analysis of the motion controller controller in the application of the various electronic technology.A combination of electrical technology a

3、nd micro controller technology research,analysis of the motor motion control in the field of the lastest progress and developing trend.Key words：Power electronic technology , Electric motor technology , Micro controller , Motor control 一 、引言電機(jī)是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的設(shè)備，它在機(jī)械、冶金、石油、煤炭、化學(xué)、航空、交通、農(nóng)業(yè)以及其他各種工業(yè)領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)

4、用。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)正朝著小型化和智能化的方向發(fā)展。電機(jī)的運(yùn)行及特性的控制都是電機(jī)控制技術(shù)的研究重點(diǎn)，其中，最主要的是對(duì)電動(dòng)機(jī)速度的控制。隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，以電子控制為電機(jī)控制的主要形式，已慢慢發(fā)展成為一門以電機(jī)為載體，利用高新技術(shù)來(lái)改造傳統(tǒng)的電機(jī)技術(shù)的主要方式。但是相比較國(guó)外的控制器，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的控制器的配套設(shè)備相對(duì)缺乏，大大制約了我國(guó)電機(jī)控制器的發(fā)展。二、電機(jī)控制技術(shù)的研究 1.面裝式永磁同步電機(jī)電流矢量直接控制技術(shù) （1）永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型圖1為永磁同步電機(jī)空間矢量圖。忽略電機(jī)鐵心飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗，假設(shè)電機(jī)電流為對(duì)稱的三相正弦

5、波電流，那么電機(jī)數(shù)學(xué)模型為式中：Ud和Uq為d-q軸同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下定子電壓分量；和為定子磁鏈分量；id和iq為d軸和q軸定子電流分量；為轉(zhuǎn)子電角速度；Ld和Lq分別為直軸同步電感和交軸同步電感；R為定子繞組電阻：為與定子繞組交鏈的轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈；P為轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)；為轉(zhuǎn)矩角；為負(fù)載角。圖1. 磁同步電機(jī)空間矢量圖（2）PMSM電流矢量直接控制技術(shù) 面裝式永磁同步電機(jī)定子電壓矢量方程為 為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略定子電阻的影響，有可表示為 因此，通過(guò)選擇合適的空間電壓矢量，可以像直接轉(zhuǎn)矩控制中改變磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡那樣，改變電流的運(yùn)動(dòng)軌跡，在穩(wěn)態(tài)下，將電流矢量矢端的軌跡控制為以蚓為半徑的圓，稱其為“穩(wěn)態(tài)電流圓”

6、。實(shí)際上，電機(jī)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程是在不同穩(wěn)態(tài)電流圓間相互切換的過(guò)程。圖2為SPMSM電流矢量直接控制框圖，轉(zhuǎn)矩給定由外部轉(zhuǎn)速環(huán)控制器給定或直接給定，然后除以轉(zhuǎn)矩系數(shù)得到期望的電流幅值圖2 PMSM電流矢量直接控制框圖（3）開關(guān)表分析低速時(shí)(接近零速)，運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)較小 式中：刀為采樣時(shí)刻；r為采樣周期。由此可得低速時(shí)在一個(gè)采樣周期內(nèi)電流矢量的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)如圖3(a)所示?？梢姡谝粋€(gè)控制周期內(nèi)，電流矢量的運(yùn)動(dòng)方向與所加電壓矢量的運(yùn)動(dòng)方向相同，電流矢量的運(yùn)動(dòng)速度在6個(gè)非零電壓矢量作用時(shí)也相同，這與直接轉(zhuǎn)矩控制時(shí)磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動(dòng)情形類似。 a低速b高速圖3 典型的電流軌跡運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)示意圖（4）仿真結(jié)果基于上

7、述控制策略，在MatlabSimulink下建立了面裝式永磁同步電機(jī)電流矢量直接控制系統(tǒng)模型，系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)如圖4所示。電機(jī)參數(shù)如下：額定電壓：300 V；額定轉(zhuǎn)速：2 000rrain；額定轉(zhuǎn)矩：8Nm；定子電阻：09585Q；d軸電感：525mH；g軸電感：525 mH；永磁體磁鏈：0182 7 Wb：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：6329x10-4 kgm2；極對(duì)數(shù)：4。仿真中采樣時(shí)間取為40s，電流矢量幅值滯環(huán)比較器的寬度取06 A，轉(zhuǎn)矩角滯環(huán)比較器的寬度取10。，設(shè)定轉(zhuǎn)子磁鏈初始位置為噸2。圖7為電機(jī)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性曲線，粗實(shí)線為轉(zhuǎn)矩給定，細(xì)實(shí)線為實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩，在l ms時(shí)刻，轉(zhuǎn)矩給定由2 N·

8、m階躍到8 Nm，大約經(jīng)120 us，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩迅速跟蹤給定值，且無(wú)超調(diào)?？梢姡疚乃峥刂萍夹g(shù)具有很高的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度。圖8和圖9為永磁同步電機(jī)啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩角、電流圓和磁鏈圓波形。圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)a 電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩角波形圖5 電機(jī)啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)時(shí)波形2.電動(dòng)車輛電機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用與研究（1）電動(dòng)車輛電機(jī)系統(tǒng)控制技術(shù) 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)主要有：直流電動(dòng)機(jī)(Dc)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(IM)，永磁電動(dòng)機(jī)(BDCM和PMsM)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SRM)。 當(dāng)電動(dòng)汽車減速或制動(dòng)時(shí)，電機(jī)處在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，給電池充電，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。在電動(dòng)汽車上，由功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成

9、的PWM功率逆變器把蓄電池電源提供的直流電變換為頻率和幅值都可以調(diào)節(jié)的交流電。三相感應(yīng)電機(jī)逆變器的控制方法主要有v，f控制法、轉(zhuǎn)差頻率控制法、直接轉(zhuǎn)矩控制法(DTC)和矢量控制法。其中，后兩種控制方式目前處于主流的地位，這兩種控制方法原理如下所述。 a. 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)圖6 直接轉(zhuǎn)矩控制原理直接轉(zhuǎn)矩控制的原理框圖如上圖所示。它是以轉(zhuǎn)矩為中心來(lái)進(jìn)行磁鏈、轉(zhuǎn)矩的綜合控制。和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制不采用解耦的方式，從而在算法上不存在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)單地通過(guò)檢測(cè)電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制如圖所示，為一種直接轉(zhuǎn)

10、矩控制異步電機(jī)的框圖。由于它省掉了矢量變換方式的坐標(biāo)變換與計(jì)算和為解耦而簡(jiǎn)化異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，沒有通常的PwM脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，所以它的控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制信號(hào)處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無(wú)超調(diào)，是一種具有高靜、動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。b. 矢量控制技術(shù)矢量控制基本原理是通過(guò)測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體原理是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量(勵(lì)磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱

11、這種控制方式為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無(wú)速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。此外，電動(dòng)車的直流電機(jī)控制技術(shù)也是保障電動(dòng)車性能的關(guān)鍵技術(shù)。電動(dòng)汽車直流電機(jī)控制系統(tǒng)中的直流電機(jī)通常采用串勵(lì)電機(jī)或他勵(lì)電機(jī)。當(dāng)電動(dòng)汽車制動(dòng)和減速時(shí)，一般采用再生制動(dòng)。再生制動(dòng)是利用直流電機(jī)可以從電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)平滑地轉(zhuǎn)換到發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)這一特性。此時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)速方向相反，電機(jī)吸收機(jī)械能，把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來(lái)，可節(jié)省能量。直流電機(jī)的控制器采用的是斬波控制器(又稱電壓斬波器)，它是直流電源和負(fù)載電機(jī)之間的一個(gè)周期性通斷的開關(guān)控制裝置，它的作用是通過(guò)改變供給

12、直流電機(jī)的電壓，來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。（2）電動(dòng)車輛電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)的高速進(jìn)步，高速、高集成度、低成本的微機(jī)專用芯片以及DsP等的問世及商品化，使全數(shù)字的控制系統(tǒng)成為可能。用軟件代替硬件，除完成要求的控制功能外，還可以具有保護(hù)、故障監(jiān)視、自診斷等其它功能。另外，為提高控制系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性，應(yīng)使得改變控制策略、修正控制參數(shù)和模型也簡(jiǎn)單易行。全數(shù)字化是電動(dòng)車控制技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。隨著電動(dòng)車技術(shù)的成熟，相信有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)將會(huì)取得更大的進(jìn)步，而這也將對(duì)電動(dòng)車工業(yè)的發(fā)展起到式等。l巨大的推動(dòng)作用。3.無(wú)刷直流電機(jī)控制技術(shù) 各組成部分發(fā)展?fàn)顩r （a）電機(jī)

13、本體無(wú)刷直流電機(jī)在電磁結(jié)構(gòu)上和有刷直流電機(jī)基本一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉(zhuǎn)子采用的重量、簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)、提高了性能，使其可靠性得以提高。無(wú)刷電機(jī)的發(fā)展與永磁材料的發(fā)展是分不的，基本上經(jīng)歷了鋁鎳鈷，鐵氧體磁性材料和釹鐵硼三個(gè)發(fā)展階段。 （b）電子換相電路控制電路:無(wú)刷直流電機(jī)通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電路中的功率開關(guān)器件，來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)矩以及保護(hù)電機(jī)，包括過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱等保護(hù)?？刂齐娐纷畛醪捎媚M電路，控制比較簡(jiǎn)單。目前，控制電路一般有專用集成電路、微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器等三種組成形式。 驅(qū)動(dòng)電路:驅(qū)動(dòng)電路輸出電功率，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電樞繞組并受控于控制電路，它一般由大功率開關(guān)器件組成。隨著電力電

14、子技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了全控型功率開關(guān)器件。目前，全控型開關(guān)器件正在逐漸取代普通晶閘管，驅(qū)動(dòng)電路已從線性放大狀態(tài)轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制的開關(guān)狀態(tài)，同時(shí)電路組成也由功率管分立電路轉(zhuǎn)成模塊化集成電路。（c）轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路永磁無(wú)刷電機(jī)是一閉環(huán)的機(jī)電一體化系統(tǒng)，它是通過(guò)轉(zhuǎn)子磁極位置信號(hào)作為電子開關(guān)線路的換相信號(hào)。目前，磁敏式的霍爾位置傳感器廣泛應(yīng)用于無(wú)刷直流電機(jī)中，另外還有光電式的位置傳感器。為了適應(yīng)無(wú)刷電機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，無(wú)位置傳感器應(yīng)運(yùn)而生；近年來(lái)，一種新型無(wú)位置傳感器的無(wú)刷電機(jī)正處于研制之中。4. 交流電機(jī)控制技術(shù)(1)矢量控制技術(shù)的現(xiàn)狀與展望目前，在矢量控制方面出現(xiàn)了許多新興的技術(shù)，如磁通的快速控制、

15、參數(shù)辨識(shí)和調(diào)節(jié)器自整定、非線性自抗擾控制器以及矩陣式變換器技術(shù)等。在不久的將來(lái)，矢量采用高速電機(jī)控制專用DSP、嵌入式實(shí)時(shí)軟件操作系統(tǒng)，開發(fā)更實(shí)用的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向方法和精確的磁通觀測(cè)器，使變頻器獲得高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、高過(guò)載能力，將是未來(lái)矢量控制技術(shù)的重要發(fā)展方向。(2)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的現(xiàn)狀與展望直接轉(zhuǎn)矩?zé)o差拍控制是基于離散化直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)提出來(lái)的一種控制方法。無(wú)差拍控制可以在一個(gè)控制周期內(nèi)，完全消除定子磁鏈模值和電磁轉(zhuǎn)矩的動(dòng)、靜態(tài)誤差，消除由于使用滯環(huán)比較器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使電機(jī)可以運(yùn)行在極低速下，擴(kuò)大了調(diào)速范圍。轉(zhuǎn)矩跟蹤預(yù)測(cè)控制方法認(rèn)為磁鏈模值已經(jīng)被準(zhǔn)確控制或只發(fā)生緩慢地變化，沒有考慮磁鏈模值的

16、控制問題。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)必將有所突破。一是交流調(diào)速向高頻化方向發(fā)展，進(jìn)一步提高控制性能，消除脈動(dòng)，其中空間矢量脈寬調(diào)制和軟關(guān)斷技術(shù)又是重點(diǎn)。二是與智能控制相結(jié)合，使交流調(diào)速系統(tǒng)的性能有一個(gè)根本的提高。目前，直接轉(zhuǎn)矩控制主要有以下幾種新興技術(shù)：（a） 模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制: 模糊控制是根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制規(guī)則決策表，采用人類思維中模糊量、控制量，由模糊推理導(dǎo)出。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是人腦神經(jīng)系統(tǒng)的某種簡(jiǎn)化抽象和模擬，由大量的簡(jiǎn)單的神經(jīng)元互相連接形成的高度復(fù)雜的非線性系網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有逼近任意非線性函數(shù)的功能、高容錯(cuò)性、多輸入輸出特性，易用于多變量系統(tǒng)的控制。（b） 魯棒控制和自抗擾控制器: 魯棒控制是針對(duì)時(shí)間域或頻率域來(lái)說(shuō)的，一般假設(shè)過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的信息和它的變化范圍。自抗擾控制器利用非線性結(jié)構(gòu)克服經(jīng)典PID 的缺陷，抵消和估計(jì)出異步電機(jī)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)中，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中定子電壓方程存在的非線性耦合作用，使電機(jī)定子電流的轉(zhuǎn)矩分量與勵(lì)磁分量的相互影響，主要用于異步電機(jī)的非線