电机控制系统研究教材.docx
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电机控制系统研究教材
网络高等教育
本科生毕业论文（设计）
题目：
电机控制系统研究
学习中心：
层次：
专科起点本科
专业：
电气工程及其自动化
年级：
2011年秋季
学号：
学生：
指导教师：
完成日期：
内容摘要
目前的世界，能源日益紧张，环境日趋恶化。
节能减排，改善人类生存的环境，正成为越来越多人们的共识。
低碳已经成为一个世界性的话题，而电能的消耗主要是工作使用，电机占了很大的比重。
电能是所有能源种类中最易被人类使用的一种能源，也是很多其它能源所转换的一个对象，因此，对电能的节约，也就是相应的节约了其它类型的一次性能源，比如煤、油、气等非再生能源。
随着大功率开关器件集成电路及高性能的磁性材料的进步，采用电子换向原理工作的无刷直流电机取得了长足的发展。
无刷直流电机既有直流电机的结构简单，运行可靠，维护方便的一系列优点。
又具备交流电机运行效率高，无励磁损耗及调速性能好等诸多优点，在当今国民经济的各个领域里的应用日益普及。
通常我们靠霍尔元件来得到转子的位置，然而传感器有一些缺点，比如增加了成本占空间，附加了传感器电路对温度不稳定，除此之外，它不能用于在一些恶劣的环境中。
由于无位置传感器技术能解决上述问题，因此吸引了各国科研工作者研究的兴趣。
关键词：
无刷直流电机；控制系统；电气伺服系统；交流电机控制策略
引言
电机是与电能的生产、传输和使用有着密切关系的电磁机构。
在日常生活中,电机的使用随处可见,比如:
在很多场合大量使用各种电动机作为原动机,用以拖动各种机械设备；在军事、信息和各种自动控制系统中,使用大量的控制电机,作为检测!
执行和计算等元件；在当今社会中,办公自动化（0A）的概念已日渐深入人心,其中也随处可见电机的身影。
电机运动控制技术以电力半导体变流器件的应用为基础,以电动机为控制对象,以自动控制理论为指导,以电子技术和微处理器控制及计算机辅助设计（CAD）为手段,并且与检测技术和数据通信技术相结合,构成一门具有相对独立性的科学技术，在生产设备和过程自动化中发挥着日益重要的作用。
真正意义上的电机运动控制系统是在20世纪30年代出现的,当时是晶闸管!
引燃管,而后是磁放大器、磁饱和电抗器作为静止变流器,形成了新一代电机运动控制系统。
随着新型电力电子器件、自动控制理论以及微处理器技术的发展,电机运动控制系统发生了巨大的变革。
到了21世纪的今天,电机运动控制系统的技术水平更是提高到了一个新的高度,无论是应用的广泛程度,还是研究的深入程度都是过去人们想象不到的。
目前，国内外电机控制有关研究工作正围绕电机控制策略、计算机辅助技术、电机控制器、电力电子技术、无速度传感器技术等方面展开。
1电机控制系统介绍
1.1电机控制系统的基本组成
电机控制系统的基本组成框图如图1.1所示。
图1.1电机控制系统的组成框图
1.1.1电动机
电动机是电机运动控制系统的控制对象，主要分为以下三类：
1.直流电动机----结构复杂，制造成本高，电刷和换向器限制了它的转速与容量。
优点：
易于控制。
2.交流异步电动机----结构简单、制造容易，无需机械换向器，其允许转速与容量均大于直流电动机。
3.同步电动机----转速等于同步转速，具有机械特性硬，在恒频电源供电时调速较为困难，变频器的诞生不仅解决了同步电动机的调速，还解决了其起动和失步问题，有效地促进了同步电动机在运动控制中的应用。
1.1.2功率放大与变换装置
功率放大与变换装置是电机运动控制系统的执行手段，主要由电力电子器件组成。
电力电子器件的发展历程：
第一代：
半控型器件，如SCR，方便地应用于相控整流器（AC→DC）和有源逆变器（DC→AC），但用于无源逆变（DC→AC）或直流PWM方式调压（DC→DC）时，必须增加强迫换流回路，使电路结构复杂。
第二代：
全控型器件，如GTO、BJT、IGBT、MOSFET等。
此类器件用于无源逆变（DC→AC）和直流调压（DC→DC）时，无须强迫换流回路，主回路结构简单。
另一个特点是可以大大提高开关频率，用脉宽调制（PWM）技术控制功率器件的开通与关断，可大大提高可控电源的质量。
第三代：
特点是由单一的器件发展为具有驱动、保护功能的复合功率模块，提高了使用的安全性和可靠性。
1.1.3控制器
1.模拟控制器：
模拟控制器常用运算放大器及相应的电气元件实现，具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点，其控制规律体现在硬件电路和所用的器件上，因而线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响。
2.数字控制器：
硬件电路标准化程度高、制作成本低、而且不受器件温度漂移的影响。
控制规律体现在软件上，修改起来灵活方便。
此外，还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制器无法实现的功能。
1.1.4传感器
运动控制系统中常用的反馈信号是电压、电流、转速和位置，为了真实可靠地得到这些信号，并实现功率电路（强电）和控制器（弱电）之间的电气隔离，需要相应的传感器。
精度--信号传感器必须有足够高的精度，才能保证控制系统的准确性。
滤波--信号滤波，模拟控制系统常采用模拟器件构成的滤波电路，而计算机数字控制系统往往采用模拟滤波电路和计算机软件数字滤波相结合的方法。
1.2运动控制系统的转矩控制规律
运动控制系统的基本运动方程式：
（1.1）
其中：
——机械转动惯量；
——转子的机械角速度；
——转子的机械转角。
（1）运动控制的目的：
控制电动机的转速和转角；
（2）对于直线电动机来说是控制速度和位移；
（3）要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩，使转速变化率按人们期望的规律变化。
因此，转矩控制是运动控制的根本问题。
（4）在高性能的运动控制系统中，采用转速闭环控制，用转速偏差来调节系统的动态转矩。
1.3电机控制系统的分类
电机控制系统的分类见表1.1。
表1.1电机控制系统的分类
直流电机
交流电机
（异步电机、同步电机）
速度控制
直流调速系统
交流调速系统
位置控制
直流伺服系统
交流伺服系统
2电机调速系统
2.1概述
在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。
电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。
因此，调速技术一直是研究的热点。
长期以来，直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。
直流电动机在额定转速以下运行时，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速；在额定转速以上运行时，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。
采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。
因此，20世纪80年代以前，在变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位。
20世纪80年代随着以IGBT为代表的新型电力电子器件的发明及不断完善，及以矢量控制为代表的各种交流调速控制理论的深入发展，加上计算机（单片机、数字信号处理器DSP）控制技术迅速发展的配合，使交流调速系统在性能上开始可以与直流调速系统相媲美。
之后，交流调速系统在调速领域中的比重逐步加大，目前已经成为调速系统的主流。
在交流调速技术中，变频调速以其优异的调速和启制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
2.2交流电机的调速方式
按照电机学的基本原理，电机的转速满足如下的关系式:
（2.1）
式中：
——电动机的转速；
——电动机的电源频率；
——电动机的同步转速；
——转差率；
——极对数。
由式（2.1）可知，若要实现转速的调速，只需调节
、
和
三个变量。
根据改变电机的不同参数，有以下三种调速措施：
1.改变电机的转差率
该调节方式有着简单的系统结构，在某些场合得到应用。
例如电机的转子串电阻调速和串极调速都属于通过改变电机的转差率来进行调速。
2.改变电机的磁极对数
其应用的广泛程度受到限制，主要原因是调速方式的影响，其采用的是有级调速的方法。
3.改变电机的电源频率
该调节方式应用最为广泛，效率也最高，能够构成高性能的动态交流调速系统，相比较而言是发展前途最大的调节方法。
电动机制造完成，转差率
和磁极对数
就确定了，而转速
与频率
之间有着线性关系，因此在理论上该调节方式的调速范围可达到100%。
由于这些优点变频调速方法在改造工程中得到广泛采用。
变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的一种理想的高效率、高性能的调速手段。
其作用是通过改变电源频率来改变电机的转速，也就是通常所说的变频调速。
交流电机的调速方式对比见表2.1。
表2.1交流电机的调速方式比较
调速方式名称
控制对象
特点
变极调速
交流异步电动机
有级调速，系统简单，最多4段速
调压调速
无级调速，调速范围窄
电机最大出力能力下降，效率低
系统简单，性能较差
转子串电阻调速
变频调速
交流异步电动机
交流同步电动机
真正无级调速，调速范围宽
电机最大出力能力不变，效率高
系统复杂，性能好
可以和直流调速系统相媲美
变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）见表2.2。
表2.2变频调速的优点
序号
优点
1
平滑软启动，降低启动冲击电流，减少变压器占有量，确保电机安全
2
在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出频率提高工作速度
3
无级调速，调速精度大大提高
4
电机正反向无需通过接触器切换
5
非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制
2.3变频调速系统
变频调速系统可分为两大类:
1.交-直-交变频调速
先把电网中的交流电整流成直流电，再通过逆变器逆变为频率可调的交流电。
按变频电路最后一级变换器的电源特性又可分为电压型（电容器滤波）和电流型（电感滤波）两种。
目前生产的异步电动机变频器几乎都采用电压源型晶体管SPWM交-直-交变频电路，它具有体积小、重量轻，在采用矢量控制时系统性能好的特点，但需考虑回馈制动的问题。
随着电力电子技术的发展，目前已有多种把电压源的能量回馈到电网的方案，且已经开始批量上市。
因此，回馈制动及四象限运行的问题不久也会得到很好的解决。
它是异步电动机交-直-交变频调速的主流。
2.交-交变频调速
把工频交流电直接变换成可变频率的交流电，由于它只有一级功率变换，省去了直流环节，减少了损耗，进一步提高了效率。
也因此结构复杂、额定工作频率较低、造价较高。
但它能够提供比较逼近正弦的交流电流，可以四象限运行，主要适用于低速大容量的交流调速设备中，变频器的输出功率一般不超过电源频率的1/3，主开关元件采用晶闸管，依靠电源电压自然换流。
3电气伺服系统
3.1概述
随着材料技术、电力电子技术、控制理论技术、计算机技术和微电子技术的快速发展以及电动机制造工艺水平的逐步提高，电气传动技术将逐渐取代液压传动、机械传动、气压传动技术而广泛应用于工业自动化、汽车、航空、导航系统、雷达天线、精密数控机床、加工中心、机器人等领域。
电气伺服系统是电气传动技术的一种体现形式，主要由伺服电动机和控制器组成，典型的位置伺服系统是由位置环、速度环和电流环组成的，以步进电动机驱动的液态伺服电动机或以功率步进电动机直接驱动为中心，伺服系统的控制为开环系统。
第二个发展阶段是2O世纪六七十年代，直流伺服电动机诞生并全盛发展，由于直流电动机具有优良的调速性能，被很多高性能驱动装置采用，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。
第二三个发展阶段是20世纪80年代至今，以机电一体化时代为背景。
与其相适应的伺服驱动装置也经历了模拟式、数模混合式和全数字化式阶段。
其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流，且调试、使用简单，因而倍受青睐。
交流伺服系统由于控制原理的先进性，成本低、免维护，并且控制特性正在全面超越直流伺服系统，势必将在绝大多数应用领域代替传统的直流伺服系统。
可以预见，交流伺服系统的研究将继续成为电气传动领域的一个研究热点，并将带动相关产业的迅猛发展，同时由于新技术、新工艺和控制策略在伺服系统中的不断更新，将会在控制领域有一个全新的革命，值得我们一起去领略。
3.2电气伺服系统的结构及分类
由于交流伺服系统有着优越的性能，所以被广泛应用于机械制造装备、工业机器人、计算机外围设备、仪器仪表、微型汽车和电动自行车等设备中。
下面阐述几种机电一体化设备中应用该系统的优良控制品质。
3.2.1数控机床
数控机床系统它的主要特点有：
通常调速比为1:
10000，能够满足低速加工和高速返回的要求；具有足够的加（减）速力矩，PMSM能够产生足够大的力矩；交流伺服系统动态响应快，具有良好地动态跟随特性，能尽快消除负载扰动对电动机速度的影响；PMSM转子惯量小，可提高交流伺服系统的加（减）速性能。
在低速到高速整个调速范围内，运行平滑，电动机转矩脉动小。
因此，在系统运行过程中脉动小、噪声也小，在停车时不产生爬行现象及高频振动。
3.2.2．工业机器人
工业机器人系统，其特点有：
驱动器具有足够的输出力矩和功率，能够满足各种工程的要求；它能够灵活、方便地接受控制器的控制指令，实现转矩、位置和速度的控制；能够进行频繁地起、制动和反转切换等重复运行；具有良好的稳定性，并能对控制指令实行快速响应；运动部件的惯量应尽可能小些；要求整体装置体积小、重量轻。
3.2.3．新型电梯驱动系统
无齿轮传动电梯驱动系统采用PMSM，体积小、重量轻、高效节能，且具有多极结构、低速大转矩，可方便地实现大范围平滑无级调速。
可省去齿轮减速器，通过微型化的牵引机来实现直接驱动轿厢。
该驱动系统能实现可靠、平稳和精确地平层的安全运行，使人们乘坐舒适、方便快捷。
典型产品的拖动数据如下：
3.2.4．雷达天线驱动系统
该系统应用在军事、航天、卫星和气象等部门，它要求能精确地跟踪目标设定的方位角和俯仰角，并且具有较强的抗扰动能力。
如用在警戒入侵天空的警戒雷达系统、导弹发射引导头的雷达系统等要求准确度、精确度都十分高的场合。
3.3伺服系统的应用及展望
随着现代化生产规模的不断扩大，各行各业对电气伺服系统的需求日益增加，并对其性能提出了更高的需求。
例如：
要求伺服系统有良好的位置控制能力及较快的动态响应能力、较高的加、减速能力及较宽的调速范围，并能够频繁地起动、制动和正反转切换，使其在全速度范围内能够平稳的运行。
为此，目前的伺服驱动系统已由50~60年代的直流伺服系统逐渐转变成交流伺服驱动系统，并且精密的交流伺服系统已由开环控制变成闭环控制。
且随着大功率晶闸管的出现，以及计算机控制技术和自动化技术的不断发展，国外大多数采用全数字交流伺服系统。
目前，基于稀土永磁体的交流永磁伺服驱动系统，能提供最高水平的动态响应和扭矩密度。
所以拖动系统的发展趋势是用交流伺服驱动取替传统的直流、液压和步进调速驱动，以便使系统性能达到一个全新的水平，包括更短的周期、更高的生产率、更好的可靠性和更长的寿命。
近10年来，永磁同步动机性能快速提高，与感应电动机和普通同步电动机相比，其控制简单、良好的低速运行性能及较高的性价比等优点使得永磁无刷同步电动机逐渐成为交流伺服系统执行电动机的主流。
尤其是在高精度、高性能要求的中小功率伺服领域。
在很多方面已经取得了很大的成果，“硬形式”上存在包括提高制作电机材料的性能，改进电机结构，提高逆变器和检测元件性能、精度等研究方向和努力。
“软形式”上存在从控制策略的角度着手提高伺服系统性能的研究和探索。
如采用“卡尔曼滤波法”估计转子转速和位置的“无速度传感器化”；采用高性能的永磁材料和加工技术改进PMSM转子结构和性能，以通过消除/削弱因齿槽转矩所造成的PMSM转矩脉动对系统性能的影响；采用基于现代控制理论为基础的具有将强鲁棒性的滑模控制策略以提高系统对参数摄动的自适应能力；在传统PID控制基础上进入非线性和自适应设计方法以提高系统对非线性负载类的调节和自适应能力；基于智能控制的电机参数和模型识别，以及负载特性识别。
对于发展高性能交流伺服系统来说，由于在一定条件下，作为“硬形式”存在的伺服电机、逆变器以相应反馈检测装置等性能的提高受到许多客观因数的制约；而以“软形式”存在的控制策略具有较大的柔性，近年来随着控制理论新的发展，尤其智能控制的兴起和不断成熟，加之计算机技术、微电子技术的迅猛发展，使得基于智能控制的先进控制策略和基于传统控制理论的传统控制策略的“集成”得以实现，并为其实际应用奠定了物质基础。
伺服电机自身是具有一定的非线性、强耦合性以及时变性的“系统”，同时伺服对象也存在较强的不确定性和非线性，加之系统运行时受到不同程度的干扰，因此按常规控制策略很难满足高性能伺服系统的控制要求。
为此，如何结合控制理论新的发展，引进一些先进的“复合型控制策略”以改进“控制器”性能是当前发展高性能交流伺服系统的一个主要“突破口”。
4交流电机控制策略
电机控制是一个不断发展的课题。
而交流电机控制具有种种优点，是近年来国内外研究开发的热点。
由于交流电机本质上为非线性、多变量、强耦合、参数时变、大干扰的复杂对象，它的有效控制一直是国内外研究的热点问题，现已提出了多种控制策略与方法。
4.1矢量控制
矢量控制是由Blasehke F.在1971 年提出。
根据电机的动态数学模型，利用矢量变换方法，将异步电机模拟成直流电机，从而获得良好的动态调速性能。
它可分为转子磁场定向控制和定子磁场定向控制两种，其中转子磁链定向控制以转子磁链为参考坐标，通过静止坐标系到旋转坐标系间的坐标变换，将定子电流分解成产生磁链的励磁分量和产生转矩的转矩分量，并使两分量相互独立而解耦，然后分别对磁链和转矩独立控制。
通常的控制策略是保持励磁电流不变，改变转矩电流来控制电机转矩；定子磁场定向控制是将同步旋转坐标系d 轴放置在定子磁场方向上，有利于定子磁通观测器的实现，减弱转子回路参数对控制系统的影响，但低速运行时，定子电阻压降不容忽略，反电势测量误差较大，导致定子磁通观测不准，影响系统性能。
若采用转子方程实现磁通观测，会增加系统复杂性。
此法优点：
实现了磁链与转矩的解耦，可对它们分别独立控制，明显改善了控制性能。
此法缺点：
对电机参数的依赖性大，而电机参数存在时变性，难以达到理想的控制效果；即使电机参数与磁链能被精确测量，也只有稳态时才能实现解耦，弱磁时耦合仍然存在；需假设电机中只有基波正序磁势，太理论化，不完全符合实际；若解耦后的控制回路采用普通PI 调节器，其性能受参数变化及各种不确定性影响严重。
矢量控制已获得非常广泛应用于交流电机控制，且为克服其缺点，它常与其他控制方法相结合来使用。
4.2直接转矩控制
直接转矩控制是由德国DepenbrockM.于1985年提出，它摒弃了解耦思想，直接控制电机转矩，不需要复杂的变换与计算，把电机和逆变器看成一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，计算定子磁通和转矩，通过PWM逆变器的开关状态直接控制转矩。
此法优点：
控制思路新颖，采用“砰-砰”控制，系统结构简洁，无需对定子电流解耦，静、动态性能优良；采用定子磁链进行磁场定向，只要知道定子电阻就可以把它观测出来，使系统性能对转子参数呈现鲁棒性；可被推广到弱磁调速范围。
此法缺点：
功率开关器件存在一定的通、断时间，为防止同一桥臂的两开关发生直通而短路，必须在控制信号中设置死区，但死区会使在各调制周期内引起微小畸变，畸变积累后会使逆变器的输出电流产生畸变，引起转矩脉动，低速时死区效应更明显；低速时定子电阻的变化引起的定子电流和磁链的畸变；对逆变器开关频率提高的限制较大；无电流环，不能做电流保护，需加限流措施。
此法已逐步大量用于交流电机控制，且为克服它的缺点，常与其他控制方法相结合。
矢量控制和直接转矩控制两法表面上不同，控制性能上各有特色，但本质是相同的，都采用转矩、磁链分别控制，其中转矩控制环（或电流的转矩分量环）都处于转速环的内环，可抑制磁链变化对转速子系统的影响，使转速和磁链子系统近似解耦。
4.3PID控制
PID控制问世已有70多年了，它是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
由于其简单、有效、实用的特性，目前仍是应用最为广泛的控制算法。
此法优点：
结构简单，物理意义明确，稳定性好，调整方便，应用经验丰富。
此法缺点：
仅适于线性、定常对象的控制，但不适于非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂对象的控制。
由于交流电机是一个强耦合的非线性对象，且存在多种干扰，电机参数也会变化，此法无法在线自适应对象参数的变化，控制参数适用控制对象范围小，难以取得满意的控制效果。
近年来，出现了PID控制与其他控制相结合的多种新型PID控制，如自适应PI、模糊PI、神经PI等控制，它们在一定程度上改善了电机的调速性能。
5结论
前面的讨论可以看出，数字化交流伺服系统的应用越来越广，用户对伺服驱动技术的要求也越来越高。
伺服技术将继续迅速地由DC伺服系统转向AC伺服系统。
从目前国际市场的情况看，几乎所有的新产品都是AC伺服系统。
在工业发达的国家，AC伺服电机的市场占有率已超过80﹪，在国内生产AC伺服电机的厂家也越来越多，正在逐步超过生产DC伺服电机的厂家。
可以预见，不久的将来，除了在某些微型电机领域之外，AC伺服电机将完全取代DC伺服电机。
智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置当然也不例外。
交流电机的速度控制是交流传送系统非常重要的问题。
本文综述性地论述了交流电机的多种控制策略，并按控制理论发展规律对这些方法进行了科学分类，还分析了这些方法的原理及特点，最后指出了今后的发展方向。
本文对电机控制方法的研究与选择有一定参考指导价值。
参考文献
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