電機(jī)在控制系統(tǒng)中的算法和應(yīng)用

祖全達(dá)，吳江壽，水澤楠

（溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325035）

電機(jī)是應(yīng)用十分廣泛的執(zhí)行器件，它們遍布于各類產(chǎn)品，從工業(yè)領(lǐng)域到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，從航空航天到家用電器，從大型機(jī)械到兒童玩具，處處可見電機(jī)的身影。電機(jī)與人類的生活息息相關(guān)，人類文明的進(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展都離不開電機(jī)，電機(jī)有大有小，有輕有重，種類繁多，型號復(fù)雜，所以研究電機(jī)的選型和算法就是十分重要的事情。本文主要研究電機(jī)的控制算法和電機(jī)在典型控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。電機(jī)是一種把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的動力裝置，電機(jī)的最根本原理是電磁感應(yīng)定律，電磁感應(yīng)定律是科學(xué)家法拉第首先發(fā)現(xiàn)的，世界上第一臺電機(jī)的產(chǎn)生距今已有200年左右的歷史，在這200年間，電機(jī)取得了飛速發(fā)展，從最初的直流電機(jī)到交流電機(jī)，從動態(tài)電機(jī)到靜態(tài)電機(jī)，從動力電機(jī)到控制電機(jī)，電機(jī)的種類越來越多，應(yīng)用也越來越廣泛。

1 電機(jī)的結(jié)構(gòu)

控制電機(jī)的結(jié)構(gòu)和普通電機(jī)基本一樣，主要由定子、轉(zhuǎn)子和氣隙三部分組成。一方面，氣隙是最簡單的一部分，它是電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子之間的縫隙，這個縫隙一般零點(diǎn)幾毫米到幾個毫米。氣隙的存在主要是利于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，減少定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦；另一方面，就是利用空氣產(chǎn)生磁場，這個磁場稱為空氣磁場，空氣磁場和電機(jī)的主磁場疊加起來產(chǎn)生電機(jī)旋轉(zhuǎn)需要的磁場。定子的結(jié)構(gòu)主要由定子鐵心、定子繞組和機(jī)械支撐組成。定子鐵心的作用是產(chǎn)生磁場，定子繞組的作用是通電加強(qiáng)磁場，機(jī)械支撐是固定電機(jī)的結(jié)構(gòu)，這三部分構(gòu)成了電機(jī)定子的主要部分，當(dāng)然，電機(jī)的定子部分還有其他的一些小部件，如電刷，當(dāng)然，無刷電機(jī)是沒有電刷的。電機(jī)的轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組組成，轉(zhuǎn)子的作用主要是旋轉(zhuǎn)，通過電機(jī)軸輸出機(jī)械能，轉(zhuǎn)子繞組的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。

2 電機(jī)的控制結(jié)構(gòu)和硬件電路

電機(jī)的控制結(jié)構(gòu)有很多，大的上百米，小的可能只有幾個厘米，應(yīng)用范圍也是十分廣闊。雖然電機(jī)的控制系統(tǒng)有這么多種，但是其基本的結(jié)構(gòu)組成確是有規(guī)律可循的，電機(jī)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有三部分組成，控制輸入、控制器、控制輸出，當(dāng)然，有的系統(tǒng)還有反饋部分，如果算上這部分，就是四分部組成。這就是典型的電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)然不同的控制系統(tǒng)有的會增加一些模塊還有的會減少一些模塊。電機(jī)的控制電路有很多種，最常見的有順序控制電路、時間控制電路、星-三角控制電路、繼電器控制電路等。根據(jù)電機(jī)的種類不同，所使用的控制電路也不同。對于控制類電機(jī)而言，控制的是精度，所以對控制電路的設(shè)計(jì)要求也就更高?，F(xiàn)在電機(jī)的驅(qū)動電路使用比較多的是MOS管構(gòu)成的橋電路，有半橋控制電路，也有全橋控制電路。根據(jù)電機(jī)種類的不同，控制電路還有一些別的電路，比如，對于現(xiàn)在比較流行的無刷電機(jī)，無刷電機(jī)是沒有電刷和換向器的，對于交流電機(jī)來說，如果沒有電刷和換向器，電機(jī)就不會朝著一個方向轉(zhuǎn)動，所以這時候，電機(jī)就需要一個整流電路，這個整流電路的作用就是換向，把不同方向的交流電換成一個方向的交流的，這個電路可以用4個或者6個MOS管來實(shí)現(xiàn)，單相電是用4個MOS管，三相電是用6個MOS管，我們給4個MOS管取名T1、T2、T3、T4，通過這4個MOS管的不同時間的導(dǎo)通和關(guān)閉，可以實(shí)現(xiàn)單相電的整流。這樣就完美地替代了有刷電機(jī)的電刷，精簡了電機(jī)結(jié)構(gòu)。但是，同時增加了整流器，相對來說，增加整流器可以提高電機(jī)的可靠性，因?yàn)殡娝⒃谑褂眠^程中會有磨損。當(dāng)然有刷電機(jī)也有自己的優(yōu)勢，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡單，成本低。實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中，使用有刷電機(jī)還是無刷電機(jī)，要根據(jù)具體的項(xiàng)目要求來進(jìn)行選擇。電機(jī)的控制電路圖如下面圖1所示。

3 電機(jī)的軟件算法

圖1 電機(jī)的橋控制電路圖

要想控制好電機(jī)，尤其是實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精確控制，現(xiàn)在流行的方法是使用微控制器控制，在設(shè)計(jì)好硬件電路后，就需要對微控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)軟件算法，現(xiàn)在的控制方法很多，大多數(shù)是使用PID的比例微分積分控制，這種方法設(shè)計(jì)簡單，控制算法成熟，對于一般的控制場合很實(shí)用。但是，要想實(shí)現(xiàn)更精確的控制，這種方法就顯得有點(diǎn)力不從心了。本文介紹了兩種具有精確控制的電機(jī)算法，一種是滑模變結(jié)構(gòu)方法，一種是蟻群算法。對于滑模變結(jié)構(gòu)控制算法，它是根據(jù)控制對象的具體要求首先反推控制路徑，根據(jù)控制路徑進(jìn)行函數(shù)的抽象，最終形成分段式函數(shù)，這樣在控制系統(tǒng)的不同時間段就會有不同的控制曲線，我們根據(jù)不同的控制曲線段分別對不同時段的電機(jī)進(jìn)行控制，這樣就可以對電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確控制。比如，初始階段，由于啟動力矩比較大，我們所需的啟動電壓就比較高，但是啟動電流又不能太大，所以可以讓電機(jī)以曲線的形式啟動；在長時間運(yùn)行階段，負(fù)載和電機(jī)的力矩基本呈線性關(guān)系，這個時間段，就可以用線性算法控制電機(jī)的運(yùn)行；在停機(jī)階段，由于電機(jī)的慣性很大，所以我們可以采用微分積分控制，既保證了反向力矩的強(qiáng)度，又可以保證停機(jī)的速度。把三個時間段的控制算法根據(jù)時間分別寫成代碼，燒入微控制器中，就可以實(shí)現(xiàn)按照時間精確控制電機(jī)的運(yùn)行。當(dāng)然滑模變結(jié)構(gòu)算法也不是沒有缺點(diǎn)的，這種算法的缺點(diǎn)就是缺少反饋，一切以已經(jīng)設(shè)計(jì)好的算法進(jìn)行控制，如果出現(xiàn)了偏差，不容易及時矯正，這樣會影響控制精度，不過，這個缺點(diǎn)可以用蟻群算法進(jìn)行修正?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制框圖如圖2所示。

圖2 電機(jī)的滑模變結(jié)構(gòu)控制框圖

蟻群算法是一種仿生學(xué)的算法，這種算法是1992年由意大利學(xué)者首先提出的，算法的靈感來源于螞蟻覓食。大家都知道，螞蟻是一種簡單的生物，單個螞蟻的行為也比較簡單，但是，一群螞蟻表現(xiàn)出來的行為卻不簡單，尤其是在覓食的過程中，人們發(fā)現(xiàn)，螞蟻在尋找食物的過程中，總是能找到一條最優(yōu)的路徑，這條路徑其實(shí)就是問題的最優(yōu)解。通過研究發(fā)現(xiàn)，螞蟻在前行的過程中，會釋放一種信息素，每只螞蟻在行進(jìn)的過程中，都會釋放自己的信息素，繼續(xù)行進(jìn)的螞蟻就會選擇信息素多的道路前進(jìn)，這就是一種正反饋，根據(jù)這種反饋的不停疊加，經(jīng)過一定的時間，就能找到最優(yōu)解。電機(jī)的控制可以使用這種算法，在電機(jī)的不停的啟動、運(yùn)行、停止的過程中，將參數(shù)進(jìn)行記錄，電機(jī)運(yùn)行的時間越久，參數(shù)就會越精確，從而對電機(jī)的控制也會越來越精確。利用蟻群算法控制的電機(jī)，具有反饋機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)很高精度的控制。但是，蟻群算法也有缺點(diǎn)，就是尋找最優(yōu)解需要一定的時間，電機(jī)的前期運(yùn)行控制不會很好。不過，隨著時間的推移，運(yùn)行會越來越好。當(dāng)然電機(jī)除了滑模變結(jié)構(gòu)控制算法、蟻群算法，還有很多別的算法，例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊算法、遺傳算法等。這些算法各有優(yōu)劣，我們需要根據(jù)不同的控制場合和控制系統(tǒng)的要求，合理選擇算法，這樣就能對電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確的控制，從而滿足控制系統(tǒng)的要求。

4 結(jié)語

綜上所述，本文首先介紹了電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和各部分功能，然后重點(diǎn)介紹了電機(jī)的硬件電路組成和結(jié)構(gòu)，最后介紹了電機(jī)的軟件算法，利用這些軟件算法，可以對電機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度控制，保證電機(jī)在指標(biāo)要求很高的系統(tǒng)中達(dá)到很高的精度，雖然每種控制算法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，但是，只要我們認(rèn)真分析工況，用心去設(shè)計(jì)軟件算法，電機(jī)就一定會按照我們的要求運(yùn)行，最終生產(chǎn)出完美的工業(yè)產(chǎn)品。