現(xiàn)代交流電機(jī)控制的現(xiàn)狀與發(fā)展展望

貴州水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陳 意

1 引言

直流電機(jī)是人類(lèi)最早采用的直流電動(dòng)機(jī)，其憑借良好的調(diào)速性能與制動(dòng)性能得到廣泛應(yīng)用，而伴隨交流電動(dòng)機(jī)的興起，其憑借更高的可靠性、適應(yīng)性、便捷性，在較短時(shí)間內(nèi)大量實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的替代。特別是各領(lǐng)域生產(chǎn)要求不斷提高的時(shí)候，對(duì)交流電機(jī)的控制提出了更高的要求。

2 現(xiàn)代交流電機(jī)控制現(xiàn)狀

從廣義角度，可以將交流電機(jī)分成兩類(lèi)，包括同步和異步，這兩類(lèi)電機(jī)在基本工程及性能參數(shù)上有一定的差異，不過(guò)也有一定的類(lèi)似特征，如機(jī)電能量轉(zhuǎn)換是相同的。異步電機(jī)對(duì)外部環(huán)境有很強(qiáng)適應(yīng)能力，具有大容量的特點(diǎn)，運(yùn)行穩(wěn)定性較強(qiáng)，其憑借較高的轉(zhuǎn)速頗受青睞，不過(guò)因?yàn)殚L(zhǎng)期無(wú)法解決非線性性質(zhì)的高性能轉(zhuǎn)矩控制問(wèn)題，所以在應(yīng)用范圍上有一定限制性，在恒速運(yùn)行的場(chǎng)所較為常用，同步電機(jī)的出現(xiàn)，重在處理好大容量及系統(tǒng)功率因素調(diào)整等問(wèn)題。同步電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 同步電機(jī)結(jié)構(gòu)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，不同的生產(chǎn)設(shè)備對(duì)于電機(jī)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)提出的要求存在一定的差異性，特別是對(duì)控制的精度有很高要求，這就給現(xiàn)代交流電機(jī)的控制提出了更高要求[1]。相比于直流電機(jī)，對(duì)交流電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行控制更加便捷，隨著20世紀(jì)八十年代脈寬調(diào)制技術(shù)的成熟，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的數(shù)字化控制。同時(shí)在電力電子、微電子、計(jì)算機(jī)控制等技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中，進(jìn)一步推動(dòng)了交流電機(jī)電氣傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，并在各大領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

3 交流電機(jī)的主要構(gòu)成

3.1 控制器

在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，針對(duì)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制是常用做法，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的控制，為了有效控制電磁轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)電磁使用的科學(xué)性，一般可以通過(guò)電流的作用形成較大電子轉(zhuǎn)矩后，通過(guò)加快系統(tǒng)流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩與矢量的解耦控制，這種控制方法在交流電機(jī)控制中發(fā)揮著十分關(guān)鍵的作用。一方面，針對(duì)基速以下的情況，需要具備恒定的磁鏈條件，隨后在控制定速電流及其轉(zhuǎn)速分量的基礎(chǔ)上，達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的。另一方面，針對(duì)基速以上的情況，要求采用弱磁控制的手段，適當(dāng)引入除法環(huán)節(jié)消除電機(jī)內(nèi)部的乘法效用，通過(guò)這種手段達(dá)到控制磁鏈及轉(zhuǎn)矩的目的。需要通過(guò)建立轉(zhuǎn)矩模型，得出精準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值，采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的控制。

3.2 變頻器

交流電機(jī)的變頻器包括電壓和電流兩種型號(hào)，這兩種變頻器在頻繁加速以及改變轉(zhuǎn)向的系統(tǒng)中比較適用，能保證系統(tǒng)具備較強(qiáng)的穩(wěn)定性。電壓型變頻器主要通過(guò)直流電壓進(jìn)行固定，通過(guò)適當(dāng)?shù)拿}沖寬度實(shí)現(xiàn)控制，利用開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖寬度的切換，結(jié)合電機(jī)使用需求有多種控制方案，根據(jù)使用范圍的不同適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整，綜合考慮軟件技術(shù)及控制方法[2]。

如采用PWM 控制方法時(shí)需要注重對(duì)因高次諧波所致的損失進(jìn)行控制，通過(guò)控制降低高次諧波，可以降低電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的較大噪聲，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的有效控制，提高電壓利用率。工業(yè)領(lǐng)域電壓型變頻器的使用頻率較高，主要通過(guò)脈沖模型法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)各相位的分析，獲取精準(zhǔn)的電壓數(shù)據(jù)，結(jié)合各模型的記憶器件的數(shù)據(jù)或者貯存記憶，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制。PWM 法中正弦波近似三角波比較法，為了使三相電壓指令和輸出的電壓值相吻合，主要通過(guò)將三角波的大小值和相應(yīng)的電壓進(jìn)行對(duì)比，在此基礎(chǔ)上確定好開(kāi)關(guān)的切換點(diǎn)。

4 現(xiàn)代交流電機(jī)控制的發(fā)展展望

4.1 變頻調(diào)速

交流電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍較廣，幾乎所有與供給電量有關(guān)的都會(huì)使用交流電機(jī)。傳統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較慢，生產(chǎn)效率達(dá)不到預(yù)估標(biāo)準(zhǔn)，主要原因是電機(jī)啟動(dòng)后轉(zhuǎn)差太小，導(dǎo)致其動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩、電流變小，導(dǎo)致時(shí)間縮短引發(fā)頻率持續(xù)增長(zhǎng)，在提高速度時(shí)電機(jī)穩(wěn)定性狀態(tài)會(huì)逐漸達(dá)到閾值，如果未停止運(yùn)行可能引發(fā)故障?，F(xiàn)代交流電機(jī)控制中，變頻調(diào)速在系統(tǒng)中，主要針對(duì)電機(jī)的速度及增減時(shí)間等展開(kāi)控制，特別是對(duì)不同時(shí)段的加速度有著良好控制效果[3]。

該控制技術(shù)的采用，在交流電機(jī)運(yùn)行時(shí)具有較強(qiáng)的保護(hù)作用，能實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速率的優(yōu)化，發(fā)揮對(duì)電機(jī)本身的保護(hù)作用。如運(yùn)行狀態(tài)下的交流電機(jī)，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可以通過(guò)變頻器對(duì)速率進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)人工操作及調(diào)整速率等工作，避免因交流電機(jī)在運(yùn)行時(shí)因發(fā)熱導(dǎo)致燒毀，變頻調(diào)速技術(shù)基本工作原理如圖2所示。在現(xiàn)代交流電機(jī)的控制當(dāng)中，變頻控制的方法，主要通過(guò)對(duì)其升溫過(guò)程實(shí)現(xiàn)控制，避免其溫度超過(guò)電機(jī)本身能承受的最高值，對(duì)保障正常的工業(yè)生產(chǎn)有著重要意義。

圖2 變頻調(diào)速技術(shù)基本工作原理

變頻調(diào)速技術(shù)在現(xiàn)階段的交流電機(jī)控制中得到了廣泛應(yīng)用，受到社會(huì)各界的一致認(rèn)可，在提高交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用頻率上發(fā)揮出了巨大價(jià)值，能為工業(yè)生產(chǎn)節(jié)省大量電力資源。未來(lái)應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)時(shí)，需要在遵循調(diào)速、節(jié)能原則的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加大研究及應(yīng)用力度。站在傳送裝置的角度考慮，針對(duì)不同產(chǎn)品的生產(chǎn)，需要結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需求做好對(duì)交流電機(jī)速度的調(diào)節(jié)，通過(guò)對(duì)電機(jī)的自主控制，保障正常生產(chǎn)。

后續(xù)在應(yīng)用交流電機(jī)的過(guò)程中，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)的推廣及應(yīng)用，便于節(jié)省大型設(shè)備的運(yùn)作量，通過(guò)對(duì)電機(jī)的有效控制縮短控制系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，提高系統(tǒng)控制性能及精準(zhǔn)度。在機(jī)械生產(chǎn)領(lǐng)域，對(duì)交流電機(jī)的變頻控制，還能簡(jiǎn)化原本復(fù)雜的機(jī)械程序，更好地滿足現(xiàn)代交流電機(jī)控制的要求，因此對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)的研究、推廣力度將進(jìn)一步增強(qiáng)。

4.2 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

直接轉(zhuǎn)矩控制屬于一種新型的電機(jī)控制手段，無(wú)差拍控制可以在特定的控制周期中，有效消除定子磁鏈模值，針對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩一定程度上將動(dòng)靜態(tài)之間的誤差消除，避免在使用滯環(huán)比較器時(shí)候出現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)可以達(dá)到一種超低速的標(biāo)準(zhǔn)，使得調(diào)速的范圍進(jìn)一步得到拓展。在現(xiàn)代科技不斷進(jìn)步的過(guò)程中，人們對(duì)該技術(shù)的研發(fā)力度正不斷增強(qiáng)，高頻化在未來(lái)將逐漸成為交流調(diào)速的主要發(fā)展方向，并發(fā)揮出更佳的調(diào)控性能，特別是在消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)上將成為一項(xiàng)核心技術(shù)進(jìn)行研發(fā)。同時(shí)，該技術(shù)未來(lái)將呈現(xiàn)智能化發(fā)展趨勢(shì)，這是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代交流電機(jī)自動(dòng)控制的根本條件?，F(xiàn)階段直接轉(zhuǎn)矩控制在交流電機(jī)控制中的應(yīng)用，主要采取的技術(shù)手段如下。

一是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。通過(guò)對(duì)人體大腦的神經(jīng)系統(tǒng)的模擬，建構(gòu)一種由大量“神經(jīng)元”組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其容錯(cuò)性較強(qiáng)，具有多輸入與輸出的特性，常用于控制多變量系統(tǒng)[4]。

二是模糊控制。其主要是在人工控制規(guī)則的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)規(guī)則決策表實(shí)現(xiàn)控制，結(jié)合人類(lèi)的思維，如模糊量、控制量等，在模糊推理的基礎(chǔ)上導(dǎo)出實(shí)現(xiàn)控制。

4.3 電力電子技術(shù)

交流電機(jī)控制中電力電子技術(shù)發(fā)揮著重要作用，在實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的控制時(shí)需要用到大量大功率半導(dǎo)體元器件，通過(guò)不斷對(duì)元器件的改善和創(chuàng)新，從一定程度上能有效提高交流電機(jī)控制水平。現(xiàn)階段，隨著各類(lèi)元器件在交流電機(jī)控制系統(tǒng)中的使用，各類(lèi)元器件的性能、參數(shù)不斷提升，已經(jīng)逐漸具備人類(lèi)智能特征，元器件高頻率的特征逐漸凸顯，在實(shí)際運(yùn)行中能保證電機(jī)控制的安全性、可靠性。國(guó)外企業(yè)已成功研發(fā)全新的交流電機(jī)控制元器件，這些元器件的基本頻率通常不會(huì)超過(guò)20Hz，基于此，不管是針對(duì)電流或者電壓這些指標(biāo)，都能從一定程度上體現(xiàn)出元器件的先進(jìn)程度。

結(jié)合當(dāng)前大功率元器件的發(fā)展?fàn)顩r，其未來(lái)發(fā)展方向必然是智能化、集成化，過(guò)去采用的大功率模塊主要是集成電路系統(tǒng)的過(guò)渡產(chǎn)品，是結(jié)合了電力電子與微電子技術(shù)的產(chǎn)物，不但能使控制系統(tǒng)的可靠性得到提升，還可以減少系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間，節(jié)省投入成本，大幅提高現(xiàn)代交流電機(jī)控制的質(zhì)量。

4.4 矢量控制

該技術(shù)是近年來(lái)興起的新興技術(shù)，在電機(jī)磁通量控制、調(diào)節(jié)器自整定、電機(jī)變換等方面發(fā)揮著重要作用，如非線性自抗擾控制器，其在異步電機(jī)中比較適用，能有效替代傳統(tǒng)的PID 控制器，支持交流電機(jī)正常運(yùn)行；在矩陣式變換器的幫助下，針對(duì)異步電機(jī)的調(diào)速控制，主要通過(guò)相應(yīng)的組合控制策略，發(fā)揮出直接磁場(chǎng)定向矢量控制的作用。

針對(duì)交流電機(jī)的矢量控制，在其未來(lái)發(fā)展中，將創(chuàng)新研發(fā)出更多新的技術(shù)手段，矢量控制將體現(xiàn)出更強(qiáng)的效率和性能，綜合采用交流電機(jī)專(zhuān)用DSP以及軟件系統(tǒng)，積極落實(shí)更具實(shí)用性的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向方法和更精準(zhǔn)的磁通觀測(cè)器的開(kāi)發(fā)和研究，有效帶動(dòng)提高變頻器的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使變頻器具備較高的過(guò)載能力，這是該技術(shù)未來(lái)發(fā)展的主要方向。未來(lái)，無(wú)速度傳感器的交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制等同樣是研發(fā)的重點(diǎn)。如永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)憑借自身較強(qiáng)的可靠性、高效性得到廣泛關(guān)注。

4.5 電機(jī)控制相關(guān)技術(shù)的發(fā)展

常用于交流電機(jī)控制的集成電路主要分為三類(lèi)，包括DSP、MCU 和ASIC。電路集成有兩條途徑，一條是將硬件及程序基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)置在同一模板，比如有些控制模塊集成了鍵盤(pán)操作、數(shù)字控制、LED顯示電路等功能，可以通過(guò)預(yù)置實(shí)現(xiàn)多種控制目標(biāo)。另一種是將控制器和中電流功率MOSFET 在同一芯片上集成，并通過(guò)集成芯片有效應(yīng)對(duì)多數(shù)工作中的問(wèn)題。為了控制少數(shù)需要大量并行處理的電機(jī)，可以開(kāi)發(fā)和使用如ASIC 芯片此類(lèi)專(zhuān)用控制芯片。

MCU 在存在大量I/O 操作的場(chǎng)合下比較適用，不過(guò)交流電機(jī)運(yùn)行時(shí)，MCU 的控制精度不高，在未來(lái)生產(chǎn)中需要結(jié)合實(shí)際情況確定。目前國(guó)外一些比較著名的集成電路芯片制造商相繼推出的各自的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品。如在低成本的交流感應(yīng)電機(jī)的控制系統(tǒng)中，8位pic18fxx31系列產(chǎn)品較為適用，在具有較高精度要求和較快運(yùn)行速度的電機(jī)控制系統(tǒng)中較為適用16位dspic90fdsc 系統(tǒng)產(chǎn)品。

5 結(jié)語(yǔ)

在社會(huì)不斷進(jìn)步的背景下，交流電機(jī)的價(jià)值正在不斷被挖掘，也對(duì)現(xiàn)代交流電機(jī)的控制提出了更高的要求。隨著交流電機(jī)控制技術(shù)的日漸成熟，國(guó)內(nèi)企業(yè)面臨的競(jìng)爭(zhēng)日漸激烈，需要進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)交流電機(jī)控制系統(tǒng)的研發(fā)、設(shè)計(jì)，特別是需要多在元器件、電子芯片的研發(fā)上下功夫，走出一條獨(dú)立的現(xiàn)代交流電機(jī)控制道路。