【2019年整理】电机控制技术的研究

电机控制技术的研究（作者：）（）指导教师：【摘要】介绍了电力电子技术的发展过程,剖析了运动控制器中应用的各种电子技术。结合电机技术和微控制器技术研究现状,分析了电机运动控制领域内的最新进展和发展趋势。【关键词】电力电子技术电机技术微控制器电机运动控制MotorControlTechnologyResearchAuthor:ZhangXiaowen（Grade10Class2）ElectronicandInformationEngineering,ClasselectronicInformationEngineering,MajorelectronicandInformationEngineering，AnkangUniversity，Ankang725000，Shaanxi）DirectedbyLvfangxingAbstract：Introducesthepowerelectronictechnologydevelopmentprocess,analysisofthemotioncontrollercontrollerintheapplicationofthevariouselectronictechnology.Acombinationofelectricaltechnologyandmicrocontrollertechnologyresearch,analysisofthemotormotioncontrolinthefieldofthelastestprogressanddevelopingtrend.Keywords：Powerelectronictechnology,Electricmotortechnology,Microcontroller,Motorcontrol一、引言电机是把电能转换成机械能的设备，它在机械、冶金、石油、煤炭、化学、航空、交通、农业以及其他各种工业领域中都有着广泛的应用。随着现代电力电子技术的飞速发展，现代电机控制技术正朝着小型化和智能化的方向发展。电机的运行及特性的控制都是电机控制技术的研究重点，其中，最主要的是对电动机速度的控制。随着微电子技术和电力电子技术的快速发展，以电子控制为电机控制的主要形式，已慢慢发展成为一门以电机为载体，利用高新技术来改造传统的电机技术的主要方式。但是相比较国外的控制器，国内生产的控制器的配套设备相对缺乏，大大制约了我国电机控制器的发展。二、电机控制技术的研究1.面装式永磁同步电机电流矢量直接控制技术（1）永磁同步电机数学模型图1为永磁同步电机空间矢量图。忽略电机铁心饱和，不计涡流和磁滞损耗，假设电机电流为对称的三相正弦波电流，那么电机数学模型为式中：Ud和Uq为d-q轴同步旋转坐标系下定子电压分量；和为定子磁链分量；id和iq为d轴和q轴定子电流分量；为转子电角速度；Ld和Lq分别为直轴同步电感和交轴同步电感；R为定子绕组电阻：为与定子绕组交链的转子永磁体磁链；P为转子极对数；β为转矩角；δ为负载角。图1.磁同步电机空间矢量图（2）PMSM电流矢量直接控制技术面装式永磁同步电机定子电压矢量方程为为简化计算，忽略定子电阻的影响，有可表示为因此，通过选择合适的空间电压矢量，可以像直接转矩控制中改变磁链的运动轨迹那样，改变电流的运动轨迹，在稳态下，将电流矢量矢端的轨迹控制为以蚓为半径的圆，称其为“稳态电流圆”。实际上，电机转矩的动态调节过程是在不同稳态电流圆间相互切换的过程。图2为SPMSM电流矢量直接控制框图，转矩给定由外部转速环控制器给定或直接给定，然后除以转矩系数得到期望的电流幅值图2PMSM电流矢量直接控制框图（3）开关表分析低速时(接近零速)，运动电动势较小式中：刀为采样时刻；r为采样周期。由此可得低速时在一个采样周期内电流矢量的运动趋势如图3(a)所示。可见，在一个控制周期内，电流矢量的运动方向与所加电压矢量的运动方向相同，电流矢量的运动速度在6个非零电压矢量作用时也相同，这与直接转矩控制时磁链矢量的运动情形类似。a低速b高速图3典型的电流轨迹运动趋势示意图（4）仿真结果基于上述控制策略，在Matlab／Simulink下建立了面装式永磁同步电机电流矢量直接控制系统模型，系统仿真结构如图4所示。电机参数如下：额定电压：300V；额定转速：2000r／rain；额定转矩：8N．m；定子电阻：0．9585Q；d轴电感：5．25mH；g轴电感：5．25mH；永磁体磁链：0．1827Wb：转动惯量：6．329x10-4kg．m2；极对数：4。仿真中采样时间取为40s，电流矢量幅值滞环比较器的宽度取0．6A，转矩角滞环比较器的宽度取10。，设定转子磁链初始位置为吨／2。图7为电机转矩动态响应特性曲线，粗实线为转矩给定，细实线为实际输出转矩，在lms时刻，转矩给定由2N·m阶跃到8N．m，大约经120us，电机输出转矩迅速跟踪给定值，且无超调。可见，本文所提控制技术具有很高的转矩响应速度。图8和图9为永磁同步电机启动和稳态运行时电流、转矩、转速、转矩角、电流圆和磁链圆波形。图4电机转矩动态响应a电流、转矩、转速和转矩角波形图5电机启动和稳态时波形2.电动车辆电机控制技术的应用与研究（1）电动车辆电机系统控制技术电动汽车驱动电动机主要有：直流电动机(Dc)，感应电动机(IM)，永磁电动机(BDCM和PMsM)和开关磁阻电动机(SRM)。当电动汽车减速或制动时，电机处在发电制动状态，给电池充电，实现机械能到电能的转换。在电动汽车上，由功率半导体器件构成的PWM功率逆变器把蓄电池电源提供的直流电变换为频率和幅值都可以调节的交流电。三相感应电机逆变器的控制方法主要有v，f控制法、转差频率控制法、直接转矩控制法(DTC)和矢量控制法。其中，后两种控制方式目前处于主流的地位，这两种控制方法原理如下所述。a.直接转矩控制技术图6直接转矩控制原理直接转矩控制的原理框图如上图所示。它是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。和矢量控制不同，直接转矩控制不采用解耦的方式，从而在算法上不存在旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制如图所示，为一种直接转矩控制异步电机的框图。由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型，没有通常的PwM脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。b.矢量控制技术矢量控制基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体原理是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。此外，电动车的直流电机控制技术也是保障电动车性能的关键技术。电动汽车直流电机控制系统中的直流电机通常采用串励电机或他励电机。当电动汽车制动和减速时，一般采用再生制动。再生制动是利用直流电机可以从电动机运行状态平滑地转换到发电机运行状态这一特性。此时，电机转矩方向与转速方向相反，电机吸收机械能，把机械能转化为电能储存起来，可节省能量。直流电机的控制器采用的是斩波控制器(又称电压斩波器)，它是直流电源和负载电机之间的一个周期性通断的开关控制装置，它的作用是通过改变供给直流电机的电压，来控制电机的转速和转矩。（2）电动车辆电机控制技术的发展趋势计算机技术的发展，电子技术的高速进步，高速、高集成度、低成本的微机专用芯片以及DsP等的问世及商品化，使全数字的控制系统成为可能。用软件代替硬件，除完成要求的控制功能外，还可以具有保护、故障监视、自诊断等其它功能。另外，为提高控制系统的可靠性和实用性，应使得改变控制策略、修正控制参数和模型也简单易行。全数字化是电动车控制技术的重要发展方向之一。随着电动车技术的成熟，相信有关发动机的控制技术将会取得更大的进步，而这也将对电动车工业的发展起到式等。l巨大的推动作用。3.无刷直流电机控制技术各组成部分发展状况（a）电机本体无刷直流电机在电磁结构上和有刷直流电机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子采用的重量、简化了结构、提高了性能，使其可靠性得以提高。无刷电机的发展与永磁材料的发展是分不的，基本上经历了铝镍钴，铁氧体磁性材料和钕铁硼三个发展阶段。（b）电子换相电路控制电路:无刷直流电机通过控制驱动电路中的功率开关器件，来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机，包括过流、过压、过热等保护。控制电路最初采用模拟电路，控制比较简单。目前，控制电路一般有专用集成电路、微处理器和数字信号处理器等三种组成形式。驱动电路:驱动电路输出电功率，驱动电机的电枢绕组并受控于控制电路，它一般由大功率开关器件组成。随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控型功率开关器件。目前，全控型开关器件正在逐渐取代普通晶闸管，驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态，同时电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路。（c）转子位置检测电路永磁无刷电机是一闭环的机电一体化系统，它是通过转子磁极位置信号作为电子开关线路的换相信号。目前，磁敏式的霍尔位置传感器广泛应用于无刷直流电机中，另外还有光电式的位置传感器。为了适应无刷电机的进一步发展，无位置传感器应运而生；近年来，一种新型无位置传感器的无刷电机正处于研制之中。4.交流电机控制技术(1)矢量控制技术的现状与展望目前，在矢量控制方面出现了许多新兴的技术，如磁通的快速控制、参数辨识和调节器自整定、非线性自抗扰控制器以及矩阵式变换器技术等。在不久的将来，矢量采用高速电机控制专用DSP、嵌入式实时软件操作系统，开发更实用的转子磁场定向方法和精确的磁通观测器，使变频器获得高起动转矩、高过载能力，将是未来矢量控制技术的重要发展方向。(2)直接转矩控制技术的现状与展望直接转矩无差拍控制是基于离散化直接转矩控制系统提出来的一种控制方法。无差拍控制可以在一个控制周期内，完全消除定子磁链模值和电磁转矩的动、静态误差，消除由于使用滞环比较器产生的转矩脉动，使电机可以运行在极低速下，扩大了调速范围。转矩跟踪预测控制方法认为磁链模值已经被准确控制或只发生缓慢地变化，没有考虑磁链模值的控制问题。随着现代科学技术的不断发展，直接转矩控制技术必将有所突破。一是交流调速向高频化方向发展，进一步提高控制性能，消除脉动，其中空间矢量脉宽调制和软关断技术又是重点。二是与智能控制相结合，使交流调速系统的性能有一个根本的提高。目前，直接转矩控制主要有以下几种新兴技术：（a）模糊控制和神经网络控制:模糊控制是根据人工控制规则组织控制规则决策表，采用人类思维中模糊量、控制量，由模糊推理导出。神经网络控制是人脑神经系统的某种简化抽象和模拟，由大量的简单的神经元互相连接形成的高度复杂的非线性系网络系统，具有逼近任意非线性函数的功能、高容错性、多输入输出特性，易用于多变量系统的控制。（b）鲁棒控制和自抗扰控制器:鲁棒控制是针对时间域或频率域来说的，一般假设过程动态特性的信息和它的变化范围。自抗扰控制器利用非线性结构克服经典PID的缺陷，抵消和估计出异步电机高阶、非线性、强耦合的多变量系统中，同步旋转坐标系中定子电压方程存在的非线性耦合作用，使电机定子电流的转矩分量与励磁分量的相互影响，主要用于异步电机的非线性控制.三、参考文献（1）徐卓君,高晓霞.PLC与电机控制技术课程改革研究与实践（2）蔡亚平.电动车辆电机控制技术的应用与研究（3）龚慧君.混合动力汽车电机控制和动力系统参数匹配研究（4）陈余华.基于Internet远程电机控制技术的研究（5）石艺楠,郝靖.基于音圈电机伺服控制的应用研究