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电机导论关于‘电机控制技术’认知论文
引言
电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。
无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。
据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。
同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。
电动机与人的生活息息相关，密不可分。
电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。
简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。
这类控制可通过继电器，可编程控制器和开关元件来实现。
还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。
第一章概述
1.1电机控制技术简介
电机是一种利用电磁感应定律和电磁力定律，将能量或信号进行转换或变换的电磁机械装置。
电机在国民经济的各个领域起着重要作用。
在电力工业中，产生电能的发电机和对电能进行变换、传输与分配的变压器是电站和变电所的主要设备。
在工业企业中，人们利用电动机把电能转换为机械能去拖动各种生产机械，从而满足生产工艺过程的要求。
在交通运输业中，需要大量的牵引电动机。
在电力排灌、播种、收割等农用机械中，都需要规格不同的电动机。
在品种繁多的家用电器中，也离不开功能各异的小功率电动机。
因工艺生产运行的需要，需要对电机的启动、停止、转速、力矩、进行控制，能实现这些控制的就是电机控制技术。
广义上的电机控制技术还要包括对电动机的运行信息传输和继电保护的内容。
其中电机技术控制还分为直流电机控制和交流电机控制。
1.2本文的研究任务
本文的研究任务是通过两篇毕业论文的文章，来比较直流电机与交流电机的异同，研究出两者的作用与发展。
第二章关于直流电机控制（引用）
2.1直流电动机控制的发展历史及研究现状
2.1.1直流电动机控制的发展历史
常用的控制直流电动机有以下几种:
第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。
这种方法简单易行设备制造方便，价格低廉。
但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。
第二，三十年代末，出现了发电机-电动机（也称为旋转变流组），配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围（十比一至数十比一）、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。
但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。
第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。
特别是它的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。
但是汞弧变流器仍存在一些缺点:
维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。
第四，1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。
由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。
晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组（放大倍数10）高1000倍，比汞弧变流器（放大倍数1000）高10倍;在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。
从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。
同时，控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。
以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。
随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制也装置不断向前发展。
微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。
近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，如西门子公司的SIMOREGK6RA24、ABB公司的PAD/PSD等等。
随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不断扩大。
例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳得跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。
随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。
电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。
变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。
正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年内发生了很大的变化。
其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，FPGA/CPLD，DSP控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。
电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。
功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。
其中，脉宽调制（PWM）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。
永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。
由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。
所以应用先进控制算法，开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。
在那些对电动机控制系统的性能要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。
为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。
2.1.2直流电动机控制的研究现状
数字直流调速装置，从技术上，它能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和PLC等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简便、抗干扰能力强等特点，尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，使其具备了广一阔的应用前景。
国外主要电气公司如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司、AEG公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的GE公司、西屋公司等，均已经开发出多个数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品。
我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。
目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。
我国关于数字直流调速系统的研究主要有:
综合性最优控制，补偿PID控制，PID算法优化，也有的只应用模糊控制技术。
随着新型电力半导体器件的发展，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）具有开关速度快、驱动简单和可以自关断等优点，克服了晶闸管的主要缺点。
因此我国直流电机调速也正向着脉宽调制（pulsewidthmodulation,简称PWM）方向发展。
我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口。
但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。
目前，国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。
2.2直流电机的运行原理
2.2.1直流电机的结构
图2.1直流电机的物理模型图
其中，固定部分有磁铁，这里称为主磁极；固定部分还有电刷。
转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。
（其中2个小圆圈是为了方便的表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的）
上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。
定子与转子之间有一气隙。
在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。
换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。
换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。
在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。
2.2.2直流电机的基本工作原理
图2.2直流电机的基本工作原理图
对图2.1所示的直流电机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。
如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。
此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。
这就是直流电动机的工作原理。
外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。
实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。
2.2.3直流电机的调速原理
众所周知，直流电机转速n的表达式为:
（2-1）
式中:
U-电枢端电压I-电枢电流R-电枢电路总电阻
Φ-每极磁通量K-与电机结构有关的常数
由上式可知，直流电机转速n的控制方法有三种:
（1）调节电枢电压U。
改变电枢电压从而改变转速，属恒转矩调速方法，动态响应快，适用于要求大范围无级平滑调速的系统;
（2）改变电机主磁通中只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，属恒功率调速方法，动态响应较慢，虽能无级平滑调速，但调速范围小;
（3）改变电枢电路电阻R在电动机电枢外串电阻进行调速，只能有级调速，平滑性差、机械特性软、效率低。
改变电枢电路电阻的方法缺点很多，目前很少采用:
弱磁调速范围不大，往往与调压调速配合使用;因此，自动调速系统以调压调速为主，这也是论文中设计系统所采用的方法。
改变电枢电压主要有三种方式:
旋转变流机组、静止变流装置、脉宽调制（PWM）变换器（或称直流斩波器）。
（l）旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组以获得可调直流电压，简称G-M系统，国际上统称Ward-Leonard系统，这是最早的调压调速系统。
G-M系统具有很好的调速性能，但系统复杂、体积大、效率低、运行有噪音、维护不方便。
（2）20世纪50年代，开始用汞弧整流器和闸流管组成的静止变流装置取代旋转变流机组，但到50年代后期又很快让位于更为经济可靠的晶闸管变流装置。
采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统，通过控制电压的改变来改变晶闸管触发控制角α。
进而改变整流电压Ud的大小，达到调节直流电动机转速的目的。
V-M在调速性能、可靠性、经济性上都具有优越性，成为直流调速系统的主要形式。
（3）脉宽调制（PWM）变换器又称直流斩波器，是利用功率开关器件通断实现控制，调节通断时间比例，将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压，亦称DC-DC变换器。
绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。
开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。
2.2.4直流电机的数学模型
直流电动机的等效电路如下图所示。
图2.3直流电动机等效图
电路的电压平衡方程和力矩平衡方程为:
（2-2）
（2-3）
式中Ua电源电压;Ia-电枢电流;La-电枢电感;Ea-电枢反电动势;
Ra-电枢电阻（包括电刷、换向器以及两者之间的电阻）;J-转动惯量;
Ω-转动的角速度;Te-电磁转距;Tl-负载转距;KD-转动部分的阻尼系数.
永磁直流电动机的电枢反电动势可表示为:
Ea=Ke*Ω（2-4）
式中Ke-反电动势常数.
电磁转矩为:
Te=KT*Ia（2-5）
式中KT-磁转矩常数。
动态工作特性是指实际的动作与相应的动作命令之间的响应关系。
将式（2-2）、式（2-3）、式（2-4）和式（2-5）作拉氏变换，得到如下函数:
Ua（s）=RaIa（s）+LaSIa（s）+Ea（s）
JSΩ（s）=Te（s）一Tl（s）一KDSΩ（s）
Ea（s）=KeΩ（s）
Te（s）=KTIa（s）
上面的式子可以用下面的方框图表示。
[3]
图2.4直流电动机数学模型
第三章关于交流电机控制（引用）
3.1.交流电动机的简介与发展概况
交流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，这一渊源关系从其名称中就可以看出来。
有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。
但是，有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。
为了取代有刷直流电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。
早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了交流电机的基本思想。
1955年美国的D.Harrison等首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，标志着现代交流电动机的诞生。
交流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步，在交流电动机发展的早期，由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段，可靠性差，价格昂贵，加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约，使得交流电动机自发明以后的一个相当长的时间内，性能都不理想，只能停留在实验室阶段，无法推广使用，1970年以后，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相继问世，加之高磁能积永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现，这些均为交流电动机广泛应用奠定了坚实的基础，
交流电动机系统因而得到了迅速的发展。
在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了MAC交流电动机及其驱动器，引起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产交流系统的热潮，这业标志着交流电动机走向实用阶段。
随着人们对交流电动机特性了解的日益深入，交流电动机的理论也逐渐得到了完善。
1986年，H.R.Bolton对交流电动机作了全面系统的总结，指出了交流电动机的研究领域，成为交流电动机的经典文献，标志着交流电动机在理论上走向成熟。
我国对交流电动机的研究起步较晚。
1987年，在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上，SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛注意，自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。
经过多年的努力，目前，国内已有交流电动机的系列
产品，形成了一定的生产规模。
3.2.交流电动机的结构及基本工作原理
3.2.1．交流电动机转矩分析
电机本体的电枢绕组为三相星型连接，位置传感器与电机转子同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生控制信号，控制动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的各相绕组按一定的顺序工作。
图1-1交流电动机工作原理示意图
如图1-1所示，当转子旋转（顺时针）到图a所示的位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T6导通，即A、B两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经T6回到电源的负极，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。
当转子在空间转过60电角度，到达图b所示位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T2导通，A、C两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经T2回到电源负极。
此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。
转子在空间每转过60电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关管的导通逻辑为T1、T6—T1、T2—T3、T2—T3、T4—T5、T4—T5、T6—T1、T6。
在次期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。
转子在空间每转过60电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变。
可见，电机有6种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120电角度。
交流电动机的这种工作方式叫两相导通星型三相六状态，这是交流电动机最常用的一种工作方式。
3.2.2．交流电动机与输出开关管换流信号
交流电动机的位置一般采用三个在空间上相隔120电角度的霍尔位置传感器进行检测，当位于霍尔传感器位置处的磁场极性发生变化时，传感器的输出电平将发生改变，由于三个霍尔传感器位检测元件的位置在空间上各差120电角度，因此从这三个检测元件输出端可以获得三个在时间上互差120度、宽度为180度的电平信号，分别用A、B、C来表示，如图1-2所示，以信号A为例，A相位置宽度为180电导角：
在0-60度，T1必须导通，故T1状态为1，而C相还剩下60度通电宽度，所以此段时间为T1和T6等于1，（此时下部可供导通的管子为T4、T6和T2，而为避免桥臂直通，T4不能导通；T2的导通时间未到，故只能是T6导通）；而在60度—120度，此时只有A相通电，B和C相处于非导电期，故导通的开关管为T1和T2（T1和T2等于1），其中T2是为B相导电作准备；而在120度—180度时，由于每一相只有120电导角导电时间，故此时T1关断（T1=0），T2仍然导通（B相开始进入导电期），此时可知，T1关断，T5不能开通（防止桥臂直通），则此时只能开通T3，所以T3信号此时间段为1。
其他时间段的开关管导通情况与此类似。
理论上，只要保证三个位置传感器在空间上互差120度，开关管的换流时刻总是可以推算出来的。
然而，为了简化控制电路，每个霍尔传感器的起始安装位置在各自相绕组的基准点（r0=00）上.那么在r0=00的控制条件下，A相绕组开始通电的时刻（即该相反电势相位30度位置）恰好与A相位置传感器输出信号A的电平跳变时刻重合，此时应将T1开关管驱动导通。
同理，其他开关管的导通时刻也可以按同样方法确定。
图1-2无刷电动机位置检测及开关管驱动信号
本设计选用的是三相无刷永磁直流电动机，其额定电压UH=36V,电枢额定电流IaH=8.5A,电枢峰值电流IaP
15A,额定转速nH=350r/min,额定功率PH=250W。
表1-2无刷电动机直流通电控制方式开关切换表
旋转方向
位置传感器
逆变桥开关管驱动信号
A
B
C
T1
T2
T3
T4
T5
T6
正转
0
0
1
0
0
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
1
1
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0
0
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0
0
0
0
1
1
1
0
0
1
1
0
0
0
反转
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
1
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
0
0
0
1
1
3.3.4交流电动机的运行特性
3.3.4.1机械特性
交流电动机的机械特性为：
（1-1）
UT-开关器件的管压降Ia-电枢电流Ce-电机的电动势常数
-每级磁通量
可见交流电动机的机械特性与一般直流电动机的机械特性表达式相同，机械特性较硬。
在不同的供电电压驱动下，可以得到如1-3图所示机械特性曲线簇。
图1-3机械特性曲线簇
当转矩较大、转速较低时，流过开关管和电枢绕组的电流很大，这时，管压降随着电流增大而增加较快，使在电枢绕组上的电压有所减小，因而图所示的机械特性曲线会偏离直线，向下弯曲。
3.3.4.2调节特性
交流电动机的调节特性如图1-4所示。
图1-4调节特性
调节特性的始动电压和斜率分别为：
（1-2）
（1-3）
从机械特性和调节特性可以看出，交流电动机与一般直流电动机一样，具有良好的调速控制性能，可以通过调节电源电压实现无级调速。
但不能通过调节励磁调速，因为永磁体的励磁磁场不可调。
3.3.4.3工作特性
电枢电流与输出转矩的关系、效率输出转矩的关系如图1-5所示。
图1-5工作特性
在输出额定转矩时,电机效率高、损耗低是交流电动机的重要特点之一。
3.3.4.5交流电动机的应用与研究动向
现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位，但交流电动机正受到普遍的关注。
自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点，交流电机的应用也因此而迅速增长。
尤其在节能已成为时代主题的今天，交流电机高效率的特点更显示了其巨大的应用价值。
交流电机转子采用永久磁铁，其产生的气隙磁通保持为常值，因而特别适用于恒转矩运行；对于恒功率运行，交流电机虽然不能直接改变磁通实现弱磁控制，但通过控制方法的改进也可以获得弱磁控制的效果。
由于稀土永磁材料的矫顽力高、剩磁大，可产生很大的气隙磁通，这样可以大大缩小转子半径，减小转子的转动惯量，因而在要求有良好的静态特性和高动态响应的伺服驱动系统中，如数控机床、机器人等应用中，交流电机比交流伺服电机和直流伺服电机显示了更多的优越性。
目前交流电机的应用范围已遍及国民经济的各个领域，并日趋广泛，特别是在家用电器、电动汽车、航空航天等领域已得到大量应用。
目前，交流电机的研究主要集中在以下方面：
（1）无机械式转子位置传感器控制。
转子位置传感器是整个驱动系统中最为
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