永磁無刷電動機系統發展現狀-資料下載頁

　　

【正文】 的重視，這種芯片主要用在通訊、圖像處理等領域，而在電機控制中的應用較少，后來由于數字信號處理器芯片的性價比不斷提高，而且其強大的數字信號處理能力越來越受到用戶的歡迎，DSP的應用得到了較快的發展。盡管最初把DSP技術應用于電機控制的目的是其快速的數據處理能力能夠對電機進行矢量控制和直接轉矩控制，使復雜的算法得以實現，但以前的DSP芯片沒有集成數模轉換和脈寬調制等外圍電路，芯片只是作為在算法上比MCU占優勢的通用處理器來使用，大大增加了系統的體積和產品的成本，增加系統設計的復雜性，延長開發周期，降低系統工作的可靠性。(2)典型的DSP芯片在無刷電機控制中的應用TI系列DSP芯片TI公司于1998年推出的TMS320F240是電機控制領域一個劃時代的進步。芯片的執行速度很快，在20 MHz的時鐘頻率下，指令周期僅為50 ns，且多數指令都能在一個指令周期內完成，片內具有Flash ROM。內部有16通道兩路轉換精度為10位的AD變換器， μs。在電機調速系統構成電流閉環時，反饋電流信號可以經AD輸入CPU處理。另外，TMS320F240還提供28個I/O口，用于控制系統所需的各種開關量。芯片內集成的事件管理器（EV）具有控制三個半高橋的能力，當各個橋需要互補的PWM去控制時，EV可以提供這種功能，極大地方便了電機控制系統的設計。它是專門用于電機控制的模塊。AD系列DSP芯片AD公司推出基于16位26MIPS定點DSP核ADSP2171的ADMC300、3331電機控制芯片，把數字信號處理器和外圍電路結合在一起，集成了16位三相PWM發生器、存儲器，串行通訊口，定時器等外圍器件，還具有7路模擬量的輸入通道，用戶不必在外圍再設置模數轉換器，從而降低成本，提高系統工作的可靠性。采用ADSP2100系列的代碼兼容語言，使程序的移植非常方便，縮短了產品的開發周期，工作量大大減少。AD公司開發的電機控制DSP芯片ADMC401具有一套完備的外圍控制接口和豐富的電機控制外設電路，增強了DSP的快速運算能力，可以在高度集成的環境中對電機進行控制。它的基本控制外設電路是帶有8路模擬量輸入的模/數轉換系統、光電編碼器接口單元和靈活、簡便的脈沖寬度調制單元，可以輸出6路PWM信號，以控制逆變器功率開關的動作，借助于快速、高精度的模/數轉換系統和控制器來監視和調控電機的運行。ADMC401芯片可廣泛應用于控制交流電機、直流電機及開關磁阻電機等。Motorola系列DSP芯片Motorola公司研制的DSP56F8xx系列集成了Motorola 16位定點DSP微控制器內核DSP56800。芯片內核最高可工作于80 MHz，指令執行速度可達40MIPS，單指令周期可以完成1616位的并行乘、加運算，支持16位雙向循環移位。芯片內集成相位檢測器和PWM模塊，提供硬件循環操作，具有JTAG程序調試接口，允許在系統設計過程中隨時進行實時調試，非常適用于電機的實時控制。DSP56F8xx系列芯片可以實現復雜的算法并降低產品成本，提高系統的可靠性與穩定性，可用于控制交流感應電機、有刷直流及無刷電機、有傳感器及無傳感器電機、可變磁阻電機及步進電機等。 控制理論的發展1）基于穩態模型的標量控制交流電動機最初的運行方式是不受控運行。其控制功能僅限于接通和關斷以及某些情況下的輔助起動、制動和反轉。為了滿足一些調速傳動的需要，產生了一些性能較差的控制：如鼠籠異步電動機降壓調速、繞線式異步電動機轉子串電阻調速和電磁轉差離合器調速、繞線式異步電動機串極調速、鼠籠異步電動機變壓變頻調速（VVVF）、變極調速和同步電機變壓變頻調速。在以上調速方法中，除變壓變頻調速外，一般為開環控制，不需變頻器，設備簡單，但效率低，性能差。鼠籠異步電動機基于恒壓頻比控制而構成的轉差頻率閉環控制，性能相對較好，但由于它們都是基于穩態模型，動態性能較差，一般只用于水泵、風機等動態性能要求較低的節能調速和一般調速場合。2）矢量控制1971年由德國學者Blaschke提出的矢量控制理論使交流電機控制由外部宏觀穩態控制深入到電機內部電磁過程的瞬態控制。永磁同步電機的控制性能由此發生了質的飛躍。矢量控制最本質的特征是通過坐標變換將交流電機內部復雜耦合的非線性變量變換為相對坐標系為靜止的直流變量（如電流，磁鏈，電壓等），從中找到約束條件，獲得某一目標的最佳控制策略。3）直接轉矩控制1985年，Depenbrock教授提出異步電機直接轉矩控制方法。該方法在定子坐標系下分析交流電機的數學模型，在近似圓形旋轉磁場的條件下強調對電機的轉矩進行直接控制，省掉了矢量坐標變換等復雜的計算。其磁場定向應用的是定子磁鏈，只需知道定子電阻就可以把它觀測出來，相對矢量控制更不易受電機參數變化的影響。近年來，直接轉矩控制方式被移植到永磁同步電機的控制中，其控制規律和關鍵技術正逐漸被人們了解、掌握。直接轉矩控制在全數字化、大轉矩、快速響應的交流伺服系統中有廣闊應用前景。4）非線性控制交流電機是一個強耦合、非線性、多變量系統：非線性控制通過非線性狀態反饋和非線性變換，實現系統的動態解耦和全局線性化，將非線性、多變量、強耦合的交流電動機系統分解為兩個獨立的線性單變量系統。其中轉子磁鏈子系統由兩個慣性環節組成。兩個子系統的調節按線性控制理論分別設計，以使系統達到預期的性能指標。但是，非線性系統反饋線性化的基礎是已知參數的電動機模型和系統的精確測量或觀測，而電機在運行中，參數受各個因素的影響會發生變化，磁鏈觀測的準確性也很難論證，這些都會影響系統的魯棒性，甚至造成系統性能惡化。目前這種控制方法仍有待進一步完善。5）自適應控制自適應控制能在系統運行過程中不斷提取有關模型的信息，使模型逐漸完善，是克服參數變化影響的有力手段。應用于永磁交流電機控制的自適應方法有模型參考自適應、參數辨識自校正控制以及新發展的各種非線性自適應控制。但所有這些方法都存在的問題是：①數學模型和運算繁瑣，使控制系統復雜化；②辨識和校正都需要一個過程，所以對一些參數變化較快的系統，就會因來不及校正而難以產生很好的效果。6）滑模變結構控制滑模變結構控制是變結構控制的一種控制策略，它與常規控制的根本區別在于控制的不連續性，即一種使系統“結構”隨時變化的開關特性。其主要特點是，根據被調量的偏差及其導數，有目地的使系統沿設計好的“滑動模態”軌跡運動。這種滑動模態是可以設計的，且與系統的參數及擾動無關，因而使系統具有很強的魯棒性。另外，滑模變結構控制不需要任何在線辨識，所以很容易實現。在過去10多年里，將滑模變結構控制應用于交流傳動一直是國內外學者的研究熱點，并已取得了一些有效的結果。但滑模變結構控制本質上的不連續開關特性使系統存在“抖振”問題。主要原因是：①對于實際的滑模變結構系統，其控制力總是受到限制的，從而使系統的加速度有限；②系統的慣性、切換開關的時間空間滯后及狀態檢測的誤差，特別對于計算機的采樣系統，當采樣時間較長時，形成“準滑模”等。所以，在實際系統中“抖振”必定存在且無法消除，這就限制了它的應用。7）智能控制（1）專家系統智能控制專家控制(Expert control)是智能控制的一個重要分支。專家控制的實質是基于控制對象和控制規律各種知識，并以智能方式利用這些知識使控制系統盡可能優化。　　專家控制的基本思想是：自動控制理論+專家系統技術。自動控制系統中存在大量的啟發式邏輯，這是因為工業控制對象及其環境的變化呈現出多樣性、非線性和不確定性，這些啟發式邏輯實際上是實現最優控制目標的各種經驗知識，難以用一般的數值形式描述，而適于用符號形式來表達，人工智能中的專家系統技術恰恰為這類經驗知識提供了有效的表示和處理方法。　　知識庫和推理機為專家系統的兩大要素，知識庫存儲某一專門領域的專家知識、條目，推理機制按照專家水平的問題求解方法調用知識庫中的知識條目進行推理、判斷和決策。專家系統與傳統自動控制理論的結合，形成了專家控制系統，這類系統以模仿人類智能為基礎，彌補了以數學模型為基礎的控制系統的不足。（2）模糊邏輯智能控制模糊邏輯控制實質上是利用計算機模擬人的模糊邏輯思維功能實現的一種數字反饋控制。人的思維具有模糊邏輯的特點，因此用計算機模擬人的模糊思維，即模糊概念、模糊判斷和模糊推理，就是模糊控制的思維科學基礎，再和反饋控制理論相結合就可以實現模糊控制。傳統的PID控制系統設計中需要給出被控對象的精確模型。模型的不精確性及不確定性都會影響PID控制性能。相反，模糊控制不需要知道被控對象的精確模型，它是基于控制系統輸入/輸出數據因果關系的模糊推理控制。模糊控制不是基于被控對象精確模型的控制方式，因此具有較強的魯棒性，其穩態精度可以通過引進智能積分等方法達到所要求的精度。此外，還可以將模糊邏輯推理和PID控制相結合，對PID控制參數進行自適應調整，實現無靜態跟蹤伺服控制。（3）神經網絡智能控制人工神經網絡是利用計算機模擬人類大腦神經系統的聯接機制而設計的一種信息處理的網絡結構，一般簡稱神經網絡（NN）。神經網絡中最基本單元是神經細胞，簡稱神經元。它是一種多輸入單輸出的信息處理單元，包括輸入處理、活化處理和輸出處理三個部分。從控制的觀點，神經元模型由加權加法器、單輸入單輸出線性動態系統和靜態非線性函數所組成。它們模擬神經細胞綜合處理信息的突變性和飽和性的非線性特征。神經網絡是由大量神經元構成網絡，能夠根據某種學習規則，通過調整神經元之間的聯接強度（權重）來不斷改進網絡的逼近性能，即神經網絡具有非常強的非線性映射能力。正因為如此，神經網絡在智能控制、模式識別、故障診斷、系統辯識等領域獲得了廣泛應用。（4）除了上述的專家系統、模糊伺服控制、神經網絡伺服控制策略外，還有遺傳算法等控制。5 結 語永磁無刷電動機系統在運動控制系統中的作用越來越突出，是目前國內外最活躍和最具發展前途的控制系統。文中首先介紹了系統的組成，對電機技術、設計和工藝以及傳感技術和控制技術做了較為詳細的論述，并提出發展動向；對于研究人員和管理人員有一定意義。參考文獻［1］ 王宗鮮，韓光鮮，［J］.微電機，2002，35（6）：36.［2］［J］.微電機，1994，27（3）：37.［3］ ［J］.微電機，2005，38（6）：7477.［4］ 孫建忠，［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.［5］ 正田英介（日）.電機電器［M］.北京：科學出版社，2001.［6］ 祝恩國，楊公訓，［J］.微電機，2006,39（1）：5557.［7］ ［J］.微電機，2007，40（3）：14.［8］ ［C］.企業產品國際化戰略與微電機技術發展論壇，寧波，西安微電機研究所，寧波，2006，12：1619.【9】［C］.微電機工業“十一五”發展論壇，西安微電機研究所，西安，2005，7：13－20。 作者簡介：莫會成（1962），男，研究員級高工，教授，享受國務院特殊津貼專家，從事永磁交流伺服電動機技術研究及技術管理。28 / 2