現代電機控制技術的發(fā)展現狀及展望

趙靖 曾靈飛

摘 要：隨著科學技術進步，我國經濟不斷發(fā)展，現代電控技術也呈現出良好發(fā)展態(tài)勢，應用于機械、石油、煤礦、化學等各個領域。本文針對現代電機控制技術的現狀，電機結構與分類入手，詳談無刷直流電機控制技術與交流電機控制技術的應用，并對其未來進步方向做了展望。

關鍵詞：現代電機;電機控制技術;發(fā)展現狀及展望

1 引言

電機是能將電能轉化為機械能的機械設備的統稱，應用范圍廣泛，結構類型多樣。隨著現代電子技術的不斷進步，電機控制方式呈現出多元化增長，且外部形態(tài)更為小型化，針對于現代電機的控制技術，也逐步向著智能化方向發(fā)展。

2 電機結構與分類

2.1 電機結構

普通電機的結構相對復雜，結構部件多樣，以三相鼠籠式電機結構最為常見，主要結構包括軸承、轉子、基座、風扇、定子等。具體如圖1所示：

電動機中定子繞組，通入電流，產生旋轉磁場，磁場切割轉子繞組，會產生感應電流，導體在電子磁場作用下，會產生電磁力，驅動電機運動，產生機械能，為石油、煤礦、機械等行業(yè)提供運轉支撐[1]。在普通電機結構中，定子是靜止不動的結構，主要由鐵心、繞組以及機座等元素構成，而轉子是電動機中能夠運動旋轉的結構，按照其繞組方式，可以被區(qū)分為鼠籠式和線繞式。線繞式與鼠籠式的電動機雖然繞組方式存在一定差異，但是其工作原理并未有不同。

2.2 電機分類

電機一般按照工作電源種類，可以被分為交流電機與直流電機兩種，直流電機又可以被細分為無刷與無刷兩種直流電機。交流電又可以按照相數的不同，分為單相與三項異步電機。電機能夠在實踐中發(fā)揮重要功能。能夠提升航空、交通等各行業(yè)的工作效率，是當下各行各業(yè)創(chuàng)新與發(fā)展中不可獲取的重要基礎，其在未來必然有良好的發(fā)展空間[2]。

3 直流電機控制技術現狀及發(fā)展

直流電機的發(fā)展起步于二十世紀七八十年代，MAC無刷直流電機問世，帶動了直流電動機控制技術在國際范圍內的發(fā)展。我國國內也開始對直流電機展開廣泛研究，先后推出了方波無刷電機、正弦波直流電機等典型的直流電機[3]。與此同時，與電機相關的材料研究，也開始廣泛開展，永磁材料也開始與微電子技術、自動化控制技術等相結合，促使直流電機控制技術的研究與實踐無限貼合。本文以有刷向無刷直流電機控制技術過渡為例，探討了直流電機控制技術的整體現狀及未來發(fā)展。

3.1 直流電機控制技術發(fā)展現狀

3.1.1 電機結構

無論是無刷還是有刷兩種情況，直流電機的電磁結構基本一致，只是無刷直流電機的進一步發(fā)展，簡化了原本復雜的直流電機結構，降低了轉子重量，可以直接將繞組放在定子之上，能夠最大程度的保證直流電機的工作效率。無刷電機之所以能夠興起與發(fā)展，和我國材料科學領域的不斷突破密切相關，永磁材料研發(fā)，并投入使用，經歷了從鋁材，到鐵氧體磁性材兩個階段，后步入釹鐵硼材料階段[4]。

3.1.2 控制電路

有刷直流電路在控制上相對復雜，且缺乏一定電路保護系統。而無刷直流電機則可以有效解決此問題，通過驅動電路中的開關器件，就能調節(jié)電機運行速度，在出現過流、或過熱，甚至局部過壓等情況時，電路也可以觸發(fā)保護機制，對電機運行進行阻斷，保證電機與操作人員的安全。當下，投入實踐應用的無刷直流電機控制系統，往往采用專用的集成電路以及信號處理系統，更大程度保證控制效率和控制安全。

3.1.3 驅動電路

無刷直流控制系統的驅動電路往往從屬于控制系統，并受控于整體的控制系統。驅動樞紐，經過從半控制系統，向全控制功率開關器件的過渡，形成了完善的反饋系統，能夠實現良好的控制效果。目前，全控型開關器件也處在不斷的發(fā)展過程中，并逐漸實現了對普通晶閘管的取代作用。

3.1.4 檢測電路

為了保證無刷直流電機的進一步應用以及發(fā)展，與之相應的配套完善器件的發(fā)展也在順勢推進。以檢測電路的轉子位置為例。眾所周知，無刷直流電機，是閉環(huán)的一體化系統，為了保證轉子磁極位置，磁敏式的霍爾傳感器被不斷應用于電機的工作之中，可以讓轉子磁極信號成為換相信號。

3.2 未來趨勢及發(fā)展方向

隨著新技術不斷創(chuàng)新，隨著電子計算機技術在我國的不斷發(fā)展，直流電機控制系統也必將不斷發(fā)展，并迎來新的突破，效率在不斷提升的同時，運行成本會逐漸下降。如位置檢測，可以通過芯片實現，高速微處理器與DSP，可以提速電機的反應效率，使得電機設備在不同領域與行業(yè)的應用中，能夠得到更有效發(fā)展。DSP的強計算能力，也可以成為未來無位置傳感器研究的重要方向之一，當DSP技術能夠被應用于直流電機控制系統之中，電機的控制運營成本必然會呈顯著下降。

4 交流電機控制技術現狀及發(fā)展

交流電機興起于1985年，德國首先提出了異步電機轉矩的概念及控制方法，為交流電機的產生及研究提供了理論基礎，而后在上世紀末，矢量控制技術與轉矩技術也開始為人們所了解，通過不斷研究，最終交流電機開始走向成熟，并不斷投入市場應用之中，為各行各業(yè)生產提供了保障，加速了各個行業(yè)的機械化、自動化進程。隨著現代電機控制理論的不斷完善，以及我國電子科學技術的不斷發(fā)展，如今不同的交流電機控制方法，也開始不斷出現。

4.1 矢量控制技術

矢量控制技術在近些年來得到了廣泛發(fā)展，一些新型的技術開始不斷出現，如電機磁通量的快速控制、調節(jié)器自整定等，以及一些與電機變換的相關技術也開始興起，如非線性自抗擾控制器等。在未來，矢量控制技術，必然還會持續(xù)不斷的整合創(chuàng)新性強的新技術，矢量的控制也將更為高效與迅速，專用的DSP能夠使轉子的磁場方向穩(wěn)定，能夠更為精確的確定實時磁通量。變頻器的轉動矩也會逐漸提高，讓交流電機的過載能力不斷增加。未來針對交流電機矢量控制的研究，最終的核心重點，還應該是變頻器的過載能力以及轉矩大小，才能提升交流電機的效率。

4.2 轉矩控制技術

轉矩控制技術是基于離散化轉矩提出的一種針對交流電機直接的控制技術方法，可以實現將電機運行控制在合理的周期范圍內，消除定子磁鏈膜值與轉矩之間存在的差值，保證電機運轉的穩(wěn)定性以及準確性。也可以避免滯環(huán)比較器脈動產生的干擾，保證電機的高效運轉。

隨著當下我國對于電子科學技術重視程度的不斷提升，轉矩控制技術必然可以得到進一步的發(fā)展，不僅能夠實現從低頻向高頻的發(fā)展，也可以讓交流電機的控制更為高效，進而提升交流電機的工作效率。對于滯環(huán)比較器產生的脈動，也可以合理控制，甚至有效消除。針對于直接轉矩控制技術，軟關斷技術將是未來研究的重要方向。其次，如何將電機控制技術與智能化、數據化相結合，也是電機控制技術未來發(fā)展需要研究與考慮的重點。以下為兩種常見新型控制技術。

4.2.1 模糊控制

模糊控制是一種將人類思維應用到控制系統，形成的可控制模型，可以將人腦控制中的抽象思維與電機系統控制相合，形成非線性的系統，讓電機控制系統的處理效率更高、容錯能力更強。利用模糊控制與神經網絡相結合，可以讓多變量的電機控制系統更為靈魂，也可以不斷容納新興信息源。

4.2.2 魯棒控制

魯棒控制是一種基于時間域概念，提出的控制技術，首先要假設工作動態(tài)特性，然后設置變化范圍，在通過控制器及非線性結構，抵消和估計電機高階，克服PID缺陷。魯棒控制，是一種主要應用于異步交流電機中的控制系統。

5 結束語

電機，作為能夠實現電能與機械能轉化的設備，在生產實踐中應用廣泛，針對其的控制技術，也不斷處于發(fā)展之中。如今科學技術不斷進步，新材料、新技術也在不斷提出、創(chuàng)新與應用，在未來，現代電機控制技術也必然會與材料、技術領域密切融合，取得更好發(fā)展。本文針對電機結構及分類，從直流與交流電機兩個角度淺析我國現代電機控制技術的現狀及發(fā)展，望予同行以借鑒。

廣西區(qū)教育廳2019年職業(yè)教育教改工程項目《創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)背景下以“1+X”試點為引導的復合型技術技能人才培養(yǎng)模式改革研究》（批準文號：GXGZJG2019B132）。

參考文獻：

[1]寇寶泉，趙曉坤，王夢瑤，etal.反凸極永磁同步電機及其控制技術綜述[J].中國電機工程學報，2019，39（8）.

[2]劉一耀，譚竹林.大型混凝土攪拌站控制系統的發(fā)展與展望[J].建筑機械化，2018（7）.

[3]肖華鋒，王曉標，張興，etal.非隔離光伏并網逆變技術的現狀與展望[J].中國電機工程學報，2020，40（4）.

[4]王金麗，韋春元，劉志虹，etal.智能配電網自愈控制技術發(fā)展與展望[J].供用電，2019（7）：13-19.