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| 展望21世纪的电机控制与电子技术 |
| 来源：中国仪器仪表大市场信息中心 时间：2008/7/22 浏览数：1709 【我要关闭】 |
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20世纪后期的电子技术（包括大规模集成电路技术、电力电子技术和计算机技术）的飞速发展以及现代电机控制理论的完善，仿真工业的日渐成熟，极大地推动了作为机电能量转换的基本单元电动机控制技术的发展，这种发展对各行各业的影响是巨大的。进入21世纪后，电子技术、计算机技术和电机控制技术相结合的趋势更为明显，促进电机控制技术以更快的速度发展着。本文总结这些新技术的发展给电机控制带来的机遇，从控制理论、控制器、电力电子技术以及微型计算机技术的应用，结合电机控制的现状，介绍国内外这些领域内的最新技术进展，展望今后的发展趋势，希望有助于大家了解并追踪电机控制领域中的最新技术和信息，把握行业的发展方向。
1.电机控制理论
自70年代提出异步电动机矢量变换控制方法，至今已获得迅猛的发展。这种理论的主要思想是将异步机模拟成直流机，通过坐标变换的方法，分别控制电机的励磁电流分量与转矩电流分量，从而获得与直流机一样的良好的动态调速特性。这种控制方法现已较成熟，已经产品化，且产品质量较稳定。因为这种方法采用了坐标变换，需要进行快速、复杂的数学运算，所以对控制器的运算速度、处理能力等要求较高，微型计算机技术的发展为矢量变换控制的实现提供了良好的外部条件。近年来，围绕着矢量变换的缺陷，如系统结构复杂，非线性和电机参数变化影响系统性能等问题，国内外学者进行了大量的研究。
1985年，德国的Depenbrock教授提出了一种新的控制方法，即异步电动机直接转矩控制系统。它不需要坐标变换，也不需要依赖转子数学模型，实验室条件下也已做出性能指标相当高的样机。只是有些问题还未解决，如低速时转矩观测器和转矩波动等，未能产品化。现在市面上自称实现了转矩直接控制的系统，大多是或者采用了将磁链定向与直接转矩相结合的方法，低速时采用磁链定向矢量变换控制，高速时采用直接转矩控制，或者同时观测转子磁链的，作为直接转矩控制系统的校正。一来这种方法平稳切换的时机较难确定，目前德国大学的学者正在研究这个问题；二来如果低速时采用磁链定向矢量控制，或者采用观测转子磁链的方法，还是要依赖转子参数。也就是说只要有转子磁链的成分在里面，就还是对转子参数较敏感，无法体现直接转矩控制的优势。看来，完全的转矩直接控制离产品化还有一段距离。
除此以外，基于现代控制理论的滑模变结构控制技术、采用微分几何理论的非线性解耦控制、模型参考自适应控制等方法的引入，使系统性能得到了改善。但这些理论仍然建立在对象精确的数学模型上，有的需要大量的传感器、观察器，因而结构复杂，有的仍无法摆脱非线性和电机参数变化的影响，因而需要进一步探讨解决上述问题的途径。
纵观电机工业的发展史，几乎每一次大的发展都有理论方面的突破。但作为较成熟的电机控制理论，再提出具有划时代意义的理论不太容易。因此，今后相当一段时间内还会是将现有的各种控制理论加以结合，互相取长补短，或将其他学科的理论、方法引入电机控制，走交叉学科的道路，以解决上述问题。近年来，智能控制研究很活跃，并在许多领域获得了应用。典型的如模糊控制、神经网络控制和基于专家系统的控制。由于智能控制无需对象的精确数学模型并具有较强的鲁棒性，因而许多学者将智能控制方法引入了电机控制系统的研究，并预言未来的十年将开创电力电子和运动控制的新纪元。比较成熟的是模糊控制，它具有不依赖被控对象精确的数学模型、能克服非线性因素的影响、对调节对象的参数变化具有较强的鲁棒性等优点。模糊控制已在交直流调速系统和伺服系统中取得了满意的效果。它的典型应用如：用于电机速度
控制的模糊控制器；模糊逻辑在电机模型及参数辨识中的应用；基于模糊逻辑的异步电动机效率优化控制；基于模糊逻辑的智能逆变器的研究等。已有一些文献探讨将神经网络控制或专家系统引入异步电动机的直接转矩控制系统，相信在不久会有实用性的结果。
在应用方面目前的热点主要有无速度交流传动系统、永磁电机传动系统以及高速电机及其控制。2000年IEEF学术获得者德国J.Holtz教授，从电机结构，提出一种无位置传感器的异步电机变频调速控制方法，从转子齿槽结构差异来获得转子位置信息，直观、准确且简单。永磁电机传动系统由于它的高效、高功率因数、高可靠性而得到愈来愈多的重视。高速电机的传动控制系统亦是一个值得注意的动向，随着电气化牵引系统愈来愈多，高功率密度的电气系统成为研究重点。
2.电机控制器
有了好的控制方法，还需要有能将其实现的控制器。可靠性高，实时性好是对控制系统的基本要求。最初的电机控制都是采用分立元件的模拟电路，后来随着电子技术的进步，基础电路甚至电机控制专用集成电路被大量在电机控制中引用，这些电路大多为模拟数字混合电路，它大大提高了电机控制器的可靠性、抗干扰能力，又缩短了新产品的开发周期，降低了研制费用，因而近年来发展很快。
作为专用集成电路（ASIC--Application Specific Intergrated Circuit）的一个重要方面，目前世界上几乎所有的大半导体厂商都提供自己开发的电机控制专用集成电路。各厂商之间无统一标准，因而产品极其分散，又不断有新产品出现，为满足一次设计的需要，往往要花很大的力气和时间去收集整理资料。当前电机控制的发展越来越趋于多样化、复杂化，现有的专用集成电路未必能满足苛刻的新品开发要求，为此可考虑自己开发电机专用的控制芯片。现场可编程门阵列（FPGA）可以作为一种解决方案。作为开发设备，FPGA可以方便地实现多次修改。简单地打个比方，FPGA相对于ASIC好比EPROM相对于掩膜生产的ROM。由于FPGA的集成度非常大，一片FPGA少则几千个等效门，多则几万或几十万个等效门。所以一片FPGA就可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路。它借助于硬件描述语言（VHDL或Verilog HDL）来对系统进行设计，硬件描述语言摈弃了传统的从门级电路向上直至整体系统的设计方法。它采用三个层次的硬件描述和自上至下（从系统功能描述开始）的设计风格，能对三个层次的描述进行混合仿真，从而可以方便地进行数字电路设计。具体层次及其简介如下：第一层为行为描述，主要是功能描述，并可以进行功能仿真；第二层是RTL描述，主要是逻辑表达式地描述，并进行RTL级仿真；第三层是门级描述，即用基本的门电路进行描述，相应地进行门级仿真。最后生成门级网络表，再用专用工具生成FPGA的编程码点，就可以进行FPGA的编程了。试制成功后，如要大量生产，可以按照FPGA的设计定做ASIC芯片，降低成本。
电机控制专用集成电路的出现对电机控制的影响是深远的，它大大推动了电机控制行业的发展，市场前景十分广阔。随着技术的进步，特别是数字化趋势广泛流行的今天，人们不会满足于停留在模拟数字混合的时代。
现在市场上较通用的变频器大多采用单片机来控制，应用较多的是8096系列产品。但单片机的处理能力有限，对采用矢量变换控制的系统，由于需要处理的数据量大，实时性和精度要求高，单片机往往不能满足要求。人们自然而然地想到数字信号处理器（DSP）。近年来，各种集成化的单片DSP的性能得到很大的改善，软件和开发工具越来越多，越来越好；价格却大幅度降低，目前底端产品已接近单片机的价格水平，而其比单片机具有更高的性能价格比。越来越多的单片机用户开始选用DSP器件来提高产品性能，DSP器件取代高档单片机的时机已成熟。
与单片机相比，DSP器件具有较高的集成度。DSP具有更快的CPU，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和FIFO缓冲器，提供高速、同步串口和标准异步串口。有的片内集成了A/D和采样/保持电路，可提供PWM输出。更为不同的是，DSP器件为精简指令系统计算机（RISC）器件，大多数指令都能在一个周期内完成，并且通过并行处理技术，使一个指令周期内可完成多条指令。DSP采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增加的多级流水线，使DSP器件具有高速的数据计算能力。而单片机为复杂指令系统计算机（CISC），多数指令要2～3个指令周期来完成。单片机采用诺依曼结构。程序和数据在同一空间存取，同一时刻只能单独访问指令和数据。ALU只能做加法，乘法需要由软件来实现，因此占用较多的指令周期，也就是说速度比较慢。所以，结构上的差异是DSP器件比16位单片机单指令执行时间快8～10倍，完成一次乘法运算快16～30倍。简单地说，就是DSP器件运算功能强，而单片机的事务处理能力强。DSP器件还提供了高度专业化的指令集，提供了FFT快速傅立叶变换和滤波器的运算速度。此外，DSP器件提供了JTAG（Joint Test Action Group）接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便.
为了在广阔的电机控制市场抢占份额，各大DSP生产厂商纷纷推出自己的内嵌式DSP电机控制专用集成电路。如占DSP市场份额45％的美国德州仪器公司，凭借自己的实力，推出了电机控制器专用DSP－TMS320C 24x（TMS320C F24x片内ROM为可擦写）。新的TMS320C 24x DSP采用T1的T320 C2x LP16位定点DSP核心，并集成了一个电机事件管理器，后者的特点是可以最佳方式实现对电机转向的电子控制。该器件利用T1的可重用DSP核心技术，显示出T1的特殊能力--通过在单一芯片上集成一个DSP和混合信号外设件，制造出面向各种应用的DSP方案。TMS320C 24x 作为第一个数字电机控制器的专用DSP系列，可支持电机的转向、指令的产生、控制算法的处理、数据交流和系统监控等功能。集成化DSP核、最佳化电机控制器事件管理器和单片式A/D设计等诸多因素加在一起，就可以提供一个单芯片式数字电机控制方案。系列中的TMS320C240包括一个20MIPS DSP 核、一个事件管理器、两个串行口、一对10位A/D转换器、一个32位I/O系统，一个监视计算器、一个低电压监视器和一个16K字符快闪存储器，它利用TMS320的定点DSP软件开发工具和JTAG仿真支持，可使电机控制领域的开发商方便地从微控制器升迁至新的DSP。美国模拟设备（AD）公司也不甘落后，与著名的Intel公司合作，生产出ADMC 3xx系列电机控制专用DSP，性能与T1公司的产品相差不大，也是基于AD公司的16位定点DSP核ADSP2171来设计的，它还集成了三相PWM发生器(16位）和A/D转换器。其他比较有名的生产DSP的厂商还有Motorola公司和NEC公司。采用基于DSP的电机控制专用集成电路的另一个好处是，可以降低对传感器等外围器件的要求。通过复杂的算法达到同样的控制性能，降低成本，可靠性高，有利于专利技术的保密。用电机控制专用的DSP集成芯片通过卡尔曼滤波器算法实现无位置传感器的无刷直流电动机控制即是一典型例子。
有时，系统要求人机交互、打印等控制较多，一个DSP不能胜任，这时可采用一个单片机来处理事务，一个DSP来处理运算的异型多处理器系统。但这样做，既增加两个处理器之间同步和通信的负担，又使系统实时性变坏，延长系统开发时间。此时，采用Tricore是解决问题的好方法，它把微处理器、微控制器和数字信号处理器的能力集成于一块芯片上，从而能用单片机解决遇到的大多数工程问题。
3.电力电子技术
电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的物质基础，电力电子技术的迅猛发展，促使了电机控制技术水平有了突破性的提高。从20世纪60年代第一代电力电子器件--晶闸管（SCR)发明至今，已经历了第二代有自关断能力的电力电子器件--GTR、GTO、MOSFET，第三代复合场控器件--IGBT、SIT、MCT等，和如今正蓬勃发展的第四代产品--功率集成电路（PIC）。但每一代的电力电子元件也未停顿，多年来其结构、工艺不断改进，性能有了飞速提高，在不同应用领域它们在相互竞争，新的应用不断出现。
SCR作为最早的电力电子元件自60年代问世以来，至今其功率容量已提高了近3000倍。许多国家已能稳定生产100mm、8000V/4000A的晶闸管。尽管有自关断能力的电力电子器件的发展使晶闸管的应用领域有所减少，但由于它的高电压、大电流特性，它在大功率直流驱动和大功率高电压的交流变频调速驱动应用中仍占有不可动摇的地位。自第二代GTR、MOSFET至第三代IGBT为代表的电力半导体器件的发展中，除了自关断能力外，一个显著的特点是元件的开关频率不断提高，元件通态压降不断降低，在电机控制中应用的结果是使电机控制性能有了很大的提高。例如采用了GTR做成的通用型变频器，GTR的开关频率约为2kHz左右，变频器输出的最低工作频率约为3Hz，最高频率120Hz左右。而采用IGBT做成的通用型变频器，IGBT的开关频率约达20kHz左右，变频器的最低输出频率可达0.5Hz，最高工作频率可达400～500Hz。用它控制电机运行，则噪声更小，电机运行更平稳。功率MOSFET的特点是开关频率高，最高可达几百kHz。但其初期产品的最大不足是通态压降高，电流、电压容量低，故早期它主要在一些低电压、小容量的电机控制场合使用。但近年来该类元件在结构、制造上有了重大改进，将微电子制造工艺引入该功率元件的制造中。IR公司至今已推出了第八代功率MOSFET产品，性能已大为改观。自1996年以来，该公司的功率MOSFET的通态电阻以每年50％的速度下降，单位面积功耗已从最初的每平方厘米30mW降至现在的每平方厘米0.9mW，元件体积大为缩小，容量大大提高。本来分工明确的功率MOSFET和IGBT，现在也出现了新一轮的竞争。几年前Warp IGBT开关频率可达150kHz，逼近了MOSFET的频率，现在又有垂直P＋结构的MOSFET来夺取更低的正向电阻（Coolmos），新一代的NPT IGBT（非穿通型IGBT）以其更好的耐用度夺走了1200V IGBT的市场。
这些高开关性能的元件问世是现代最新的矢量变换控制应用于中小功率、高性能交流调速系统的保证。
在开关元件发展的同时，驱动电路也获得了飞速的发展，目前，对每一类功率元件都有相应的专用驱动集成电路可供选用。这些专用驱动集成电路都是经过优化设计而定型的，它的使用可大大提高整机的可靠性，为整机设计者也带来极大的方便。现在已可以做到使用一片驱动电路，一个驱动电源来驱动三相逆变器的六个开关管，而不必为每个开关元件单独提供电源、隔离驱动等，大大简化了外围电路特别是驱动电路的设计。
进入21世纪后，可以预期新的更高性能电力电子器件还会出现，已有的各代电力电子元件还会不断地改进提高。除此以外，一个新的发展动向值得注意，这就是大功率半导体元器件向集成化、智能化方向发展，智能功率模块（IPM）是向第四代器件功率集成电路（PIC）发展的过渡产品，它是微电子技术和电力电子技术相结合的产物，它不但提供一定的功率输出能力，并且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能。它内含驱动电路、保护电路，可实现过流、短路、欠压和过压等保护，还可实现电机的再生制动。外界只需提供PWM信号给智能功率模块，就可以实现以往复杂的主电路及其外围电路的功能。由于采用了隔离技术，散热更均匀，体积更加紧凑。如果与单片控制芯片结合则可以实现两片式系统。故当今的电机控制系统的开发者应首先考虑这种智能功率模块的选用，可提高系统可靠性，大幅度降低开发时间和费用。
总之，电机控制是各种自动化技术的基本环节，它的发展是与微电子技术、电力电子技术和自控技术密切相关的。可以预期，在21世纪中，电机控制技术将随电子技术发展而有一广阔的发展前景。
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