电机控制的技术趋势及开发挑战

电机控制的技术趋势及开发挑战

王艳、段迎洁、王娟、张海洋

中车永济电机有限公司 山西省永济市 044502

摘要：对于大型的设备来说，变频调速能够有效的提升它们的效率，使用变频器可以有效的节省能源，提升产品的质量，节省劳动力。现今，因为在使用PLC和变频器时，需具备信号抗干扰的能力强、成本低的优点，所以很多工业领域开始应用它们。

关键词：电机控制;技术趋势;开发挑战

引言

直流并网变换器的控制特性对于维持直流电压的稳定，提高直流微网的效率和抗干扰能力具有重要作用，针对直流微电网中ＤＣ／ＤＣ变换器的控制策略是目前的关键所在．研究人员针对单个以及多个并网变换器提出了主从控制、电压、流下垂控制、分层控制等方法，但这些方法并未有效地改善系统的惯性与阻尼特性．

1电机控制的三大趋势解析

在电机控制领域有三大主要趋势，它们呈现出并驾齐驱的态势。这三大趋势分别是：提高能效（绿色倡议）、完善功能安全（最早适用于家电应用，现在应用范围已扩大），当然还有一直以来的降低成本趋势。无论对消费者、Microchip还是整个世界而言，这三大趋势都极为有利。他们在开始时需要利用软件诊断程序或硬件电路来发现可能造成人身伤害的故障。现在，他们将安全性卫星的U盘能用过程，为这一流程提供支持。Microchip现在根据此ISO流程设计出新的电机控制芯片，并向客户提供功能安全诊断库和用户指南等附加产品，帮助他们实现安全合规性。

2工程师在开发中遇到的困难

2.1电机可能消耗的电流。

它们的电流可以低至几安培，但也可以高很多。例如，电钻可以在不到1s的时间内从电池组中消耗100A的电流。即便我们以一个较小的电流为例，比如10A。在12V电机上，这相当于120W的标称功率，并且可能高出很多！在电机控制中有这样一种情况，电机正在快速旋转，而您决定快速使其减速。有时将这种情况称为四象限控制。这种情况下，会产生大量能量，流过逆变电路的高电流导致电压为正常电压的两倍，而您知道此电路无法处理如此大的功率。您会发现MOSFET可能会变成烟花，然而这可不是应该兴奋的事情，并且您肯定不希望在发生这种情况时站得离电路板太近。

2.2虚拟直流电机对控制系统时域的影响分析

时域分析有四个动态性能指标，分别是上升时间ｔｒ，峰值时间ｔｐ，调节时间ｔｓ，超调量σ％．用ｔｒ或ｔｐ评价系统的响应速度；用σ％评价系统的阻尼程度；而ｔｓ是同时反映响应速度和阻尼程度的综合性指标．在控制系统中，除了那些不容许产生振荡响应的系统外，通常都希望控制系统具有适度的阻尼、较快的响应速度和较短的调节时间．既然虚拟直流电机控制环节可以等效为一阶惯性环节，为简化对控制过程的分析，原系统通过负荷侧电压调节，用ＰＩ双闭环控制单个对象，同时假设该控制对象有ｍ个极点，ｎ个零点，进一步对虚拟直流电机对零极点分布、稳定裕度、幅值裕度带来的影响进行分析．

3 Microchip的解决方案

3.1自调试

每个电机都具有独特的电气特性！这意味着必须为每个电机和负载定制FOC参数。为此，motorBench工具首先执行一个我们称之为自调试（SC）的过程。此过程可以测量电机的几个关键电气参数，例如定子电阻（Rs）、转矩（Ld）和磁通量（Lq）的电感以及电机的反电动势（BEMF）。还可以在电机有负载的情况下测量一些机械参数，包括静摩擦转矩、转子惯性和黏性阻尼。完成调节后，MCAF会生成代码，代码会放置到项目文件中，随后可将这些代码下载并烧写到dsPIC®数字信号控制器（DSC）上的闪存程序存储器中，使电机旋转。整个过程需要大约5到10分钟完成。如果不使用motorBench工具，整个过程可能需要由数名工程师花费数周甚至数月的时间才能完成，而且这还只是基本的FOC算法，不包含任何附加算法。要手动将这些附加算法集成到基本FOC中也相当困难。使用motorBench工具确实能够帮助用户节省大量时间和精力，使他们有时间专注于实现其应用代码以及更快地将产品推向市场。

3.2正弦脉宽调制的控制方式

使用这种控制方式，主要是为了实现目标转矩－速度这一特性，让电动机在磁通方面不变化的情况下，对电源进行频率的改变，实现调速的目的。一般使用的变频器就是使用正弦脉宽调制的控制方式，实际上这种变频器具有非常简单的组成结构，但是因为使用的控制方式是开环的，所以在不能很好的完成控制的要求，在低频的状态时，就需要进行转矩补偿，对低频转矩进行特性方面的更改。控制方式的特点主要表现是：低成本的控制电路、比较简单的结构、在机械特性方面具有较好的硬度，对于平滑调速的需求一般是可以进行满足的，目前来说，已经有很多领域使用这个控制方式了。

3.3虚拟直流电机控制技术

虚拟直流电机控制技术对提高直流微电网稳定性具有一定效果，为使该技术能够更好地改善ＤＣ／ＤＣ变换器的稳定性，本文对虚拟直流电机控制策略进行了研究，并得出以下结论：（１）通过构造虚拟直流电机在小信号下的结构框图，并经过一系列结构化简得到了虚拟直流电机可以等效为一阶惯性环节．（２）通过在时域内对虚拟直流电机控制的ＤＣ／ＤＣ变换器的理论分析，发现控制系统的开环增益与Ｄ有关，且与其变化成反比关系，增加的开环极点的位置与Ｊ和Ｄ均有关，且Ｊ越大Ｄ越小，开环极点越远离虚轴．再结合频域内的系统稳定性分析方法，发现虚拟直流电机环节通过增加一个开环极点，降低了开环系统的转折频率从而降低了系统带宽，但是由于这一环节的加入，使系统的响应速度变缓．

3.4模糊PI-STA对永磁同步电机转速控制系统

相对于传统的电动机和感应电动机相比，永久磁铁同步电动机具有体积小、效率高、结构简单的优点。虽然永磁同步电机尺寸非常小，但可以制作成高功率密度模型。它由永磁体来代替电励磁结构的转子，由永磁体材料自身的磁场来建立励磁磁场，具有速度范围广、启动速度快、扭矩稳定性范围广、效率高等优点。虽然传统PID在电机调速应用中，原理简单并且容易实现，然而，常规PID控制参数是固定的，对环境变化的自适应性能较差，并且控制参数通常需要多次带入来确定。并在永磁同步电机是强非线性系统的情况下，传统PID控制会使精度下降。因此，在近年来，越来越多的学者对PID控制系统进行更深入一步研究。各种新型PID控制相继被提出。反向传播的神经网络比例积分微分控制新方法，采用蜻蜓算法与分数阶PI控制相结合,对系统的转速外环和电流内环进行参数离线整定的新方法。采用模糊和滑模相结合，提出模糊-滑模-PI混合控制的新型速度控制算法,在不增强系统鲁棒性的同时,还可以很好地解决了抖振问题。在各种二阶滑模算法中只有超扭曲算法依赖的参数较少，只需要获取滑模变量δ的信息，就可以进行运算，不但使控制器得到简化，还可以让控制器不被时间参数影响，使系统的运算更快，鲁棒性更强。

结束语

无刷直流电机因为振动噪声小、功率密度大和启动性能好等优点，在电动汽车领域有着很好的应用前景。前人对无刷直流电机控制的研究做了很多工作，将无刷直流电机控制系统的转速环和电流环都采用PI调节器，虽然系统的响应速度快，但是电机转速会出现超调现象，同时也会有较大的转矩脉动。将矢量控制应用于无刷直流电机控制，采用模糊控制进行调速，该方法可以降低转矩波动。将霍尔开关与矢量控制相结合，解决了无刷直流电机在工作时噪声等问题。无刷直流电机混沌系统的广义哈密顿函数，应用该函数的电机可以识别不同的动力模式。

参考文献

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