當(dāng)前，世界這艘航船正行駛在信息化的海洋中，信息技術(shù)已成為推動生產(chǎn)力發(fā)展的重要動力。我國在生產(chǎn)力特別是科學(xué)技術(shù)方面總體上雖然還比較落后，但在黨中央的英明領(lǐng)導(dǎo)下，正迎頭趕上信息化的浪潮，信息產(chǎn)業(yè)及其應(yīng)用正在蓬勃發(fā)展，成為覆蓋現(xiàn)代化建設(shè)全局的戰(zhàn)略舉措。然而，許多先進的工業(yè)國家是在完成了工業(yè)化的歷史任務(wù)后向信息化的時代邁進的，他們開發(fā)信息產(chǎn)業(yè)具有雄厚的基礎(chǔ)。而我國還是以農(nóng)業(yè)為主的國家，根據(jù)去年第5次人口普查的統(tǒng)計，鄉(xiāng)村人口還占總?cè)丝诘?3.91%,我國的工業(yè)化尚未完成，基礎(chǔ)工業(yè)還比較薄弱。所以必須在發(fā)展信息化的同時，特別強調(diào)“以信息化帶動工業(yè)化”，才能“發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，實現(xiàn)社會生產(chǎn)力的跨越式發(fā)展”（《中共中央十五屆五中全會公報》）。
所謂電氣傳動，是指用電動機把電能轉(zhuǎn)換成機械能，去帶動各種類型的生產(chǎn)機械、交通車輛以及生活中需要運動的物品。自從人類發(fā)明并掌握各種機械幫助自己勞動以來，就需要有推動機械的原動力，除人力本身外，最初使用的是畜力、水力和風(fēng)力，后來又發(fā)明了蒸汽機、柴油機、汽油機，19世紀才發(fā)明電動機。由于（1）電機的效率高，運轉(zhuǎn)比較經(jīng)濟，（2）電能的傳輸和分配比較方便，（3）電能容易控制，因此現(xiàn)在電氣傳動已經(jīng)成為絕大部分機械的傳動方式，成為工業(yè)化的重要基礎(chǔ)。
在信息化浪潮中，信息技術(shù)帶動著先進生產(chǎn)力的發(fā)展，這是無可爭辯的事實。因此，人們多熱中于通信、計算機以及軟件等行業(yè)，電氣傳動技術(shù)多少有些受到冷淡。但必須注意的是，電氣傳動是工業(yè)化的重要基礎(chǔ)，信息本身并不能直接讓機器轉(zhuǎn)動，信息技術(shù)必須通過電氣傳動才能帶動工業(yè)化。正如在人體中，信息技術(shù)好比是大腦和神經(jīng)，生產(chǎn)機械好比是四肢，電氣傳動則是牽動四肢運動的肌肉與骨骼。大腦再聰明，如果肌肉和骨骼不靈，人體也只能是癱瘓的。當(dāng)然，電氣傳動技術(shù)也必須在信息技術(shù)的推動下，適應(yīng)信息化時代的需要而向前發(fā)展，才能真正成為以信息化帶動工業(yè)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 數(shù)字控制和數(shù)據(jù)通信成為電氣傳動控制的主要手段

最早的自動控制手段是機械控制，后來逐步讓位于電氣控制和電子控制。近代的電氣傳動控制手段幾乎都是電子控制，常用的電子控制方法有兩種：模擬控制和數(shù)字控制。自20世紀70年代以來，體積小、耗電少、成本低、速度快、功能強、可靠性高的大規(guī)模集成電路微處理器已經(jīng)商品化，把電子控制推上了一個嶄新的階段，以微處理器為核心的數(shù)字控制（簡稱微機數(shù)字控制）成為現(xiàn)代電氣傳動系統(tǒng)控制器的主要形式。目前，常用的微處理器有：單片機（SCP）、數(shù)字信號處理器(DSP)、精簡指令集計算機(RISC)和包含微處理器的高級專用集成電路(ASIC)。
由于計算機除一般的計算功能外,還具有邏輯判斷和數(shù)值運算的能力，因此數(shù)字控制和模擬控制相比有兩個突出的優(yōu)點：（1）數(shù)字控制器能夠?qū)崿F(xiàn)模擬控制無法實現(xiàn)的各種比較復(fù)雜的控制策略，（2）數(shù)字控制系統(tǒng)能夠完成故障的自診斷，提高診斷過程的智能化。
1.1 數(shù)字控制器的優(yōu)越功能
PI調(diào)節(jié)器是電氣傳動控制系統(tǒng)中最常用的控制器，現(xiàn)在就以PI調(diào)節(jié)器為例來說明數(shù)字控制器的優(yōu)越功能。
在PI調(diào)節(jié)器中，比例部分能快速響應(yīng)控制作用，而積分部分是偏差的積累，能最終消除穩(wěn)態(tài)誤差。在模擬PI調(diào)節(jié)器中，只要有偏差存在，P和I就同時起作用，因此，在滿足快速調(diào)節(jié)功能的同時，不可避免地會帶來超調(diào)，嚴重時將導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。采用微機數(shù)字控制時，可以不拘泥于模擬控制器的數(shù)字化，還可以充分利用計算機的功能加以改進，例如積分分離法、分段PI算法、智能型PI調(diào)節(jié)器等。
積分分離法的關(guān)鍵就是把P和I分開。當(dāng)偏差大時，只讓比例部分起作用，以快速減少偏差。當(dāng)偏差低到一定程度后，再將積分投入，以最終消除穩(wěn)態(tài)誤差。這樣兩種作用各得其所，避免了相互之間的矛盾，提高了系統(tǒng)的控制性能。
在分段PI算法中，為了解決動態(tài)跟隨性和穩(wěn)定性之間的矛盾，對比例系數(shù)和積分系數(shù)分別取兩套或多套參數(shù)，根據(jù)轉(zhuǎn)速或/和電流偏差的大小，在不同套參數(shù)之間進行切換，以提高系統(tǒng)的控制性能。
近代智能控制包含專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)元及其網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法等等，其突出特點是：控制算法不依賴或不完全依賴于對象模型，因而系統(tǒng)具有較強的魯棒性。采用單神經(jīng)元和專家系統(tǒng)相結(jié)合的方法，可以構(gòu)成一類智能型PI調(diào)節(jié)器。以轉(zhuǎn)速偏差、偏差的積分和實際轉(zhuǎn)速變化率為控制信號，它們分別代表了系統(tǒng)輸出的當(dāng)前、過去和將來三種狀態(tài)。按照專家系統(tǒng)的方法，在不同條件下，改變?nèi)N信號的加權(quán)系數(shù)，合理地綜合這些信號，使系統(tǒng)在允許條件下，盡快消除轉(zhuǎn)速偏差，又不產(chǎn)生或少產(chǎn)生超調(diào)，達到最佳運行狀態(tài)。這樣的智能控制系統(tǒng)的動態(tài)性能將大大優(yōu)于傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)系統(tǒng)。而且，其動態(tài)性能僅僅決定于系統(tǒng)的實際偏差及其變化率，與控制對象參數(shù)無關(guān)，因而魯棒性也很強。
1.2 數(shù)字控制系統(tǒng)的故障檢測、保護與自診斷
能夠?qū)崿F(xiàn)較全面的故障自診斷是計算機數(shù)字控制系統(tǒng)的另一優(yōu)點。利用計算機的邏輯判斷與數(shù)值運算功能，對實時采樣的檢測數(shù)據(jù)進行必要的處理和分析，再利用故障診斷模型或?qū)＜抑R進行推理，可對故障類型和/或故障發(fā)生處做出正確的判斷，這就是故障自診斷。計算機故障自診斷雖然還不能完全取代人工故障診斷，但計算機系統(tǒng)能真實可靠地記錄發(fā)生故障的時刻及其前一段時間內(nèi)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，為人們的最終判斷提供有力依據(jù)，這又是單純?nèi)斯ぴ\斷所不能及的。計算機故障自診斷的前提是計算機能可靠地工作，檢測元件也正確無誤，而對于計算機和檢測元件本身的故障還得依靠人工來檢查。
1.3 數(shù)據(jù)通信在電氣傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用
對于單臺生產(chǎn)設(shè)備的電氣傳動，一般只要構(gòu)成微處理器-電力電子變換器-電動機系統(tǒng)就可以了。如果控制和管理的任務(wù)比較復(fù)雜，可采用多微機系統(tǒng)，這時，在各臺微機之間必須建立數(shù)據(jù)通信通道。常采用串行通信接口，如RS232,RS422,RS485等，其硬件簡單，但傳輸速率不高。
對于規(guī)模生產(chǎn)的生產(chǎn)線，往往需要多臺設(shè)備的連續(xù)協(xié)調(diào)控制，則可用PLC控制幾臺設(shè)備，再由上位機指揮若干臺PLC。上位機、PLC、各臺控制器和檢測元件之間的信息聯(lián)系（指令信息、反饋信息、監(jiān)測信息）過去都要通過控制電纜，現(xiàn)在則可用現(xiàn)場總線或計算機網(wǎng)絡(luò)來代替密密麻麻的電纜，用通信板和通信協(xié)議（如Profibus,Interbus等）來實現(xiàn)聯(lián)系，其傳輸速率高、通信距離長、出錯概率低。于是，電子控制又由數(shù)字化進一步發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)化。

2 電力電子變換器是信息流與物質(zhì)/能量流之間必需的接口

電力電子技術(shù)是信息流與物質(zhì)/能量流之間的重要紐帶，如果沒有電力電子變換，沒有弱電控制強電的接口，則信息始終就是信息，不可能真正用來控制物質(zhì)生產(chǎn)。現(xiàn)在，電力電子技術(shù)的發(fā)展正處于壯年期，新的電力電子器件和變換技術(shù)仍在不斷涌現(xiàn)出來。
電力電子器件的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷過三個平臺：（1）晶閘管（SCR）,（2）GTR和GTO，（3）IGBT。目前，市場上能夠廣泛供應(yīng)的IGBT其電壓和電流容量有限，一般只夠中、小容量的低壓電氣傳動使用。容量再大時，還得采用GTO，而GTO的可靠性總是不能令人滿意的。于是世界上很多電力電子企業(yè)和研究所都在努力開發(fā)新型的高壓功率開關(guān)器件，已經(jīng)問世的有IGCT,IEGT以及3300-6000V的IGBT等，可供中壓、大容量電氣傳動使用。電力電子器件的進一步發(fā)展方向是；模塊化和集成化、高頻化、改善封裝、采用新材料（如SiC）等。
在電力電子變換器中，用于控制直流電機的主要是由全控器件組成的斬波器或PWM變換器，以及晶閘管相控整流器。用于控制交流電機的主要是變壓變頻器，其中中、小容量的多為PWM變換器。常用的交流PWM控制技術(shù)有：
（1）基于正弦波對三角波脈寬調(diào)制的SPWM控制；
（2）基于消除指定次數(shù)諧波的HEPWM控制；
（3）基于電流滯環(huán)跟蹤的CHPWM控制；
（4）電壓空間矢量控制（SVPWM控制），或稱磁鏈軌跡跟蹤控制。
在以上4種PWM變換器中，前兩種是以輸出電壓接近正弦波為控制目標(biāo)的，第3種以輸出正弦波電流為控制目標(biāo)，第4種則以被控電機的旋轉(zhuǎn)磁場接近圓形為控制目標(biāo)。顯然第4種的效果最好，而且是直接控制功率器件的開關(guān)狀態(tài)，算法簡單，故應(yīng)用最廣。
隨著電力電子變換器的日益普及，諧波和無功電流給供電電網(wǎng)造成的“電力公害”越來越值得重視。解決這個問題的辦法有二：（1）采用有源濾波和無功補償裝置，（2）開發(fā)“綠色”電力電子變換器。后者要求功率因數(shù)可控，各次諧波分量小于國際和國家標(biāo)準允許的限度，顯然這是一種治本的辦法。
目前已經(jīng)應(yīng)用的綠色變換器有：雙PWM交-直-交變換器、多單元串聯(lián)的中壓變換器、多電平中壓變換器等。受到普遍重視還在開發(fā)的有：交-交矩陣式變換器，它具有輸入電流和輸出電壓都接近正弦波、能量傳輸可逆、可省去直流濾波電容等優(yōu)點，但主電路略嫌復(fù)雜，如果能成功地開發(fā)出雙向IGBT模塊，則結(jié)構(gòu)可大為簡化。

3 可控交流電氣傳動逐步取代直流傳動已經(jīng)成為不爭的事實

直流電氣傳動和交流電氣傳動在19世紀先后誕生。在20世紀大部分年代里，鑒于直流傳動具有優(yōu)越的可控性能，高性能可調(diào)速傳動一般都用直流電機，而約占電氣傳動總?cè)萘?0%的不變速傳動則采用交流電機，這種分工在當(dāng)時已成為舉世公認的格局。直到20世紀70年代，由于采用電力電子變換器的高效交流變頻傳動開發(fā)成功，結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠、維護方便、效率高、轉(zhuǎn)動慣量小的交流籠型電機進入了可調(diào)速領(lǐng)域，一直被認為天經(jīng)地義的交直流傳動按調(diào)速分工的格局終于被打破了。此后，交流調(diào)速傳動主要沿著下述三個方向發(fā)展和應(yīng)用：（1）一般性能的節(jié)能調(diào)速和工藝調(diào)速，（2）高性能交流調(diào)速系統(tǒng)，（3）特大容量、極高轉(zhuǎn)速的交流傳動。
交流電機主要分異步電機和同步電機兩大類。異步電機調(diào)速傳動種類繁多，以其轉(zhuǎn)差功率的去向來區(qū)分有三大類：（1）轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速——如降電壓調(diào)速、繞線電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；（2）轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速——如繞線電機串級調(diào)速、內(nèi)饋斬波調(diào)速、雙饋調(diào)速；（3）轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速——如變壓變頻調(diào)速、變極對數(shù)調(diào)速。各種調(diào)速方法各有其用途，目前應(yīng)用最普遍的是籠型轉(zhuǎn)子電機變壓變頻調(diào)速。同步電機沒有轉(zhuǎn)差功率，故其調(diào)速只能是轉(zhuǎn)差功率不變（恒等于0）型的，只能靠變壓變頻調(diào)速。開關(guān)磁阻電機是一種特殊型式的同步電機，有其獨特的比較簡單的調(diào)速方法。
為了適應(yīng)生產(chǎn)工藝的進步、節(jié)約能源以及自動化的需要，交流調(diào)速系統(tǒng)的控制策略也在不斷發(fā)展。與直流電機不同，交流電機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是非線性、多變量、強耦合的，因此其控制策略也比較復(fù)雜，下面以籠型異步電機變壓變頻調(diào)速為例，介紹交流傳動控制的發(fā)展脈絡(luò)。
3.1 基于穩(wěn)態(tài)模型的控制策略
在開始研究和應(yīng)用交流調(diào)速時，人們對交流電機的動態(tài)模型還不十分清楚，只能從其穩(wěn)態(tài)模型出發(fā)來探討調(diào)速方法。為了充分利用電機鐵心，希望在調(diào)速時保持磁通不變，應(yīng)使定子感應(yīng)電動勢與頻率成正比，如果忽略定子電阻，可使定子電壓與頻率成正比，于是出現(xiàn)了恒壓頻比的控制方法。至今這種方法仍普遍應(yīng)用于沒有高動態(tài)性能要求的節(jié)能調(diào)速和一般工藝調(diào)速中，例如風(fēng)機、水泵調(diào)速。
如果對調(diào)速性能有一定要求，可采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。從異步電機穩(wěn)態(tài)模型可以證明，當(dāng)磁通恒定時，電磁轉(zhuǎn)矩近似與轉(zhuǎn)差頻率成正比，因此控制轉(zhuǎn)差頻率就相當(dāng)于控制轉(zhuǎn)矩。采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)的轉(zhuǎn)差頻率控制，可得到平滑而穩(wěn)定的調(diào)速，獲得較高的調(diào)速范圍。
3.2 基于動態(tài)模型的控制策略
鑒于異步電機動態(tài)模型的性質(zhì)，按照動態(tài)規(guī)律來控制必然需要比較復(fù)雜的控制算法，這時采用數(shù)字控制恰好能使計算機的優(yōu)越性得以發(fā)揮?，F(xiàn)已獲得廣泛應(yīng)用的高動態(tài)性能異步電機控制系統(tǒng)有兩種：矢量控制系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。
三相異步電機的動態(tài)模型雖然復(fù)雜，采用座標(biāo)變換可以把它等效成直流電機模型，從而可以仿照直流電機進行控制。在矢量控制系統(tǒng)中，采用由轉(zhuǎn)子磁鏈決定d-軸方向的dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，可把定子電流分解為其勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，從而實現(xiàn)二者之間的解耦，得到類似于直流電機的轉(zhuǎn)矩模型，并仿照直流電機進行轉(zhuǎn)矩控制。除此以外，還須利用磁鏈模型進行反饋，實現(xiàn)具有磁鏈閉環(huán)的直接矢量控制系統(tǒng)。也可以不用磁鏈反饋，而利用給定磁鏈計算轉(zhuǎn)差頻率，得到磁鏈開環(huán)的轉(zhuǎn)差型矢量系統(tǒng)，或稱間接矢量控制系統(tǒng)。
直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)舍去了比較復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，僅在二相靜止坐標(biāo)系上構(gòu)成轉(zhuǎn)矩反饋信號，并用雙位式砰-砰控制代替線性調(diào)節(jié)器來直接控制轉(zhuǎn)矩，同時采用定子磁鏈的砰-砰控制，根據(jù)二者的變化選擇電壓空間矢量(SVPWM)的開關(guān)狀態(tài)，以控制電機的轉(zhuǎn)速。這種方法控制結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，但輸出轉(zhuǎn)矩有脈動，影響系統(tǒng)的調(diào)速范圍。
3.3 無速度傳感器的高動態(tài)性能調(diào)速
上述高動態(tài)性能的交流傳動系統(tǒng)都需要轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，所需的轉(zhuǎn)速反饋信號來自與電機同軸的速度傳感器，其成本、安裝、可靠性都有問題。如果能取消速度傳感器而保持良好的控制性能，顯然會大受歡迎的。目前，已有若干品種的無速度傳感器高性能調(diào)速系統(tǒng)問世，但研究工作仍在繼續(xù)。
在無速度傳感器控制系統(tǒng)中，可以通過容易測量的定子電壓和電流信號間接求得轉(zhuǎn)速。常用的方法有：（1）利用電機模型推導(dǎo)出轉(zhuǎn)速方程式，從而計算轉(zhuǎn)速；（2）利用電機模型計算轉(zhuǎn)差頻率，進行補償；（3）根據(jù)模型參考自適應(yīng)控制理論，選擇合適的參考模型和可調(diào)整模型，同時辨識轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈；（4）利用其它辨識或估計方法求得轉(zhuǎn)速；（5）利用電機的齒諧波電勢計算轉(zhuǎn)速；等等。但是，無論哪一種方法，都難以保證很高的精度和很準確的動態(tài)轉(zhuǎn)速，因此目前實用的無速度傳感器調(diào)速系統(tǒng)只能實現(xiàn)一般的動態(tài)性能，其調(diào)速范圍不過1：10左右。
3.4 同步電機傳動系統(tǒng)的控制策略
前已指出，同步電機只能采用變壓變頻調(diào)速，其變壓變頻的原理和方法與異步電機調(diào)速基本相同。采用獨立的變壓變頻器給同步電機供電的系統(tǒng)叫做他控式變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于同步電機運行時能保持嚴格的同步轉(zhuǎn)速，如果在電機軸上安裝一個能反映轉(zhuǎn)子磁極位置的裝置，稱作轉(zhuǎn)子位置檢測器，用它發(fā)出的轉(zhuǎn)子位置信號來控制變頻器換相，則為自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)。
常用的同步電機傳動系統(tǒng)控制策略有：（1）小容量同步電機群恒壓頻比控制；（2）中、小容量永磁同步電機自控式變頻控制（又稱無刷直流電機控制）；（3）中、大容量勵磁同步電機自控式變頻控制和自然換流逆變器控制；（4）大容量同步電機按磁場定向矢量控制；（5）小容量永磁同步電機無位置傳感器自控式變頻控制（由電動勢波形產(chǎn)生換相信號，他控變頻啟動）；（6）開關(guān)磁阻電機的控制；等等。應(yīng)該看到，目前對同步電機控制策略的研究還不如對異步電機控制的研究那樣深入而充分。
 
 
 

（轉(zhuǎn)載）