電機控制技術的發展現狀與展望

緒論：寫作既是個人情感的抒發，也是對學術真理的探索，歡迎閱讀由發表云整理的1篇電機控制技術的發展現狀與展望范文，希望它們能為您的寫作提供參考和啟發。

電機控制技術的發展現狀與展望:淺析井下大功率電機絕緣檢測與溫度控制技術

【摘 要】充分利用預埋在電機定子內部的測溫元件和電加熱器，為電機提供穩定、精準、可靠的溫度保護，對電機實施自動精細管理和精心的呵護養護，對有效延長電機的使用壽命，延長電機的大修周期有積極且重大的意義。本文主要分析了井下大功率電機絕緣檢測與溫度控制技術。

【關鍵詞】井下大功率電機；絕緣檢測；溫度控制

井下大功率電機是煤炭生產中最重要的生產設備之一，由于煤礦井下工作環境復雜、惡劣，電機的運行工況下變化較大，各種原因引起電機啟停頻繁，電機自身溫度變化過大，從而引起內部絕緣的相應變化。礦用電機都是由不均質體組成。從電機的構成材料來看，組成材料有多種，各種材料的溫度特性、膨脹系數也都不相同。這樣，電機溫度的驟升或驟降對電機影響很大，突出表現在各種材料間由于膨脹系數不同而出現相對移動，材料間出現間隙、裂縫。隨著時間的延長，繞組在定子槽內松動，氣隙大到一定程度，繞組將產生振動。我們知道，繞組在電機工作過程中受到電磁力、繞組振動的影響，會加劇氣隙的擴大，同時也加劇了電機耐壓和絕緣能力的降低，加劇了電機繞組本身密閉絕緣漆的漲裂、磨損，以及磁損增大。最嚴重的情況是通過電機定子或轉子的硅鋼片的短接造成線圈兩相或三相短路，這種情況的發生將造成定子或轉子嚴重燒熔、變形、報廢。所以對井下大功率電機絕緣和溫度變化的安全運行研究具有重要的意義，受到許多煤礦企業的重視。

一、對井下大功率電機絕緣檢測與溫度控制技術研究的必要性

煤礦井下環境惡劣，負荷變動大，工況不穩定，再加上巷道內散熱條件差，礦用電機由于長期運行，絕緣強度易下降。由于電機升溫時間較短，運轉速度較快，耗能也大；且啟動過程中的急速升溫或停機時的急速降溫，由多種材料組成的電機定子不均質體中每種材料的膨脹系數不同，材料間將出現間隙、裂縫和相對移動。導致定子鐵心中各種材料間的有機體遭到破壞，鐵心內環境遭到破壞，形成隨溫度變化的局部氣隙呼吸現象，導致材料絕緣間出現氣隙或空氣氣囊，導致電機定子繞組絕緣降低，使電機工作過程中磁損耗增加，會加劇氣隙的擴大，同時也加劇了電機繞組本身密閉絕緣漆的漲裂、磨損，加劇電機耐壓和絕緣能力的降低。最嚴重的情況是通過電機定子或轉子的硅鋼片的短接造成線圈兩相或三相短路，以致電機不能正常啟動和工作，效率降低，甚至造成定子或轉子嚴重變形、燒熔、報廢，即浪費電能又縮短電機壽命，給企業造成重大經濟損失。

二、電機定子絕緣檢測技術

（一）定子槽楔松動的原因

大型電機在長期的運行過程中，由于溫度的驟變會產生氣囊，定子線棒又受到電磁力的作用會產生振動.由于端部所受電磁振動力的頻率是電網頻率的兩倍，切向、軸向分量較少，以徑向為主，為類橢圓形，因此當端部繞組的固有頻率接近二倍工頻時，尤其當端部繞組振形為橢圓形時，繞組將發生諧振，使氣囊變成空洞。長時問處于諧振狀態，運行中就可能因振動幅值增大而發生端部繞組和結構件松動、磨損、絕緣損壞，同時由于定子鐵心顫動、主絕緣輕微的熱脹冷縮等，造成槽楔嚴重松動，部分脫落，同時槽楔松動脫落加劇線棒的振動，且劃傷轉子絕緣和定子絕緣，造成定子線棒主絕緣擊穿，嚴重影響發電機的安全運行。

（二）定子槽楔松動的危害

由于定子鐵心槽內的線棒是疊繞式的，上、下層各有一根不同相別的線棒，機組在運行過程中，同一槽內的線棒由于電磁力的作用，由于氣囊的存在，槽楔松動，則線棒會產生低頻電磁振動，線圈在槽內可能會徑向串動，磨損主絕緣，可能會造成對地短路。

（三）解決措施

為此，定子線棒嵌入定子槽以后利用槽楔等將其緊固是很重要的一個環節。然而，這種傳統的槽部固定方式，由于結構及材質的缺點，不能保證槽部線棒長時間緊固，所以在發電機大修時必須重新打緊松動了的槽楔，松動槽楔的檢測和重打緊對保證大型發電機的安全運行有著重要意義。

三、電機溫度保護措施

對電機進行溫度保護，有兩個方向的含義：一方面是電機運行過程中，突然遭遇高電壓、低電壓、負載突增等情況，這種情況無疑也會導致電機溫度驟增，這種情況的溫度保護一般體現在電機的繼電保護或微護（計算機綜合保護）領域。一般采用的方法是對電機溫度設一個報警極限值和跳閘保護極限值。

另一方面，電機的溫度保護體現在電機停機后，電機在停機后一般采取兩種方法：一種是置之不理，電機在停機后不進行停機溫度管理，另一種是在停機后，把預埋在電機定子中的電加熱器全壓投入。

四、結論

采用嵌入式微型計算機為核心控制模塊與PWM調制控制裝置相結合，實現大功率電機的溫度精細控制；項目以先進的模糊控制理論為基礎，融合多模塊智能監控系統，實現煤礦井下大功率電機定子的絕緣保護與在線檢測，為井下大功率電機的正常安全運行提供了技術性保障。主要表現在如下內容：

（一）實現嵌入式微型計算機為核心控制模塊與PWM調制控制裝置相結合，改善了井下大功率電機絕緣；

（二）實現嵌入式微型計算機為核心控制模塊與PWM調制控制裝置相結合，達到了對溫度變化的無諧波下的精細控制；

（三）采取集散式模糊控制理論，完善了大功率電機的在線溫度檢測與控制，確保了電機的安全運行；

（四）利用自動檢測技術實現大功率電機的啟動、停機制動狀態檢測下，通過溫度變化對電機定子絕緣保護，提高了大功率電機安全運行可靠程度，延長了電機壽命和減少維修；

（五）開發的控制裝置可以一臺裝置控制多臺電機的溫度變化。

電機控制技術的發展現狀與展望:超聲波電機電學匹配與控制技術研究

【摘要】由于微機電領域中超聲波電機得到越來越的關注，其伺服控制技術的研究也越來越廣泛。筆者首先對超聲波電機進行電學分析。之后分析了超聲電機3種控制變量，研究其控制特點及他們與控制目標的關系。指出結合調頻調相調幅等多種控制方式，綜合多種先進控制策略的優點，實現超聲電機的速度、位置、能量轉換效率和電機壽命等多目標優化控制，將是超聲電機伺服控制的發展方向。之后分析了目前超聲電機控制系統常見的三種控制器，指出用DSP為核心的控制器將是其控制系統的首選。

【關鍵詞】超聲電機;電學匹配;控制器;控制變量;控制策略

引言

超聲電機（ultrasonic motor，USM）是利用壓電效應為原理，用特殊材料制作的一種新型微特電機。

它與傳統的電機有本質的區別不同，沒有磁極和繞組，不依靠電磁相互作用來傳遞能量，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應和超聲振動，將定子的微觀變形通過共振放大和定轉子間的摩擦耦合轉換轉子的宏觀運動[1]。由于超聲電機特殊的工作原理，它具有很多傳統電磁電機無法比擬的優越性能，如低速大力矩、響應速度快、保持力矩大和結構簡單等優點。超聲電機的優點使得它非常適合于非連續運動的伺服控制及直接驅動。

但超聲電機是一種強非線性的時變系統，很難得到精確的數學模型，難于實現超聲電機的高性能伺服控制[2]。

超聲電機在非連續的運動伺服控制領域具有廣闊應用前景，吸引了國內外許多學者對超聲電機伺服控制技術進行研究，本文對超聲電機伺服控制所涉及的控制器、控制變量、控制目標和控制策略等方面的研究進展進行了綜述。

1.超聲波電機的電學匹配

電學匹配對超聲電機具有重要意義，它直接決定超聲電機運行的性能，在驅動系統中占有重要的地位。用開關電源輸出的方波驅動超聲電機時，其所含高次諧波會激發出超聲電機的非工作振動模態，必然影響電機的工作狀態。

以往常用串聯電感濾波，但串聯電感與容性的超聲電機產生諧振。單純串聯電感雖然能起到很好的濾波效果，但無法調整電機本身諧振峰與串聯電感后的諧振峰的重疊區間，可能造成電機上電壓過高、過低或者電壓隨頻率變化劇烈，造成超聲電機運行不穩定[3]。

超聲電機是通過滿足一定時間和空間關系的壓電陶瓷疊加而成。每一路振動由一組壓電陶瓷驅動，以圓形陶瓷壓電片為例，其上會被施加兩對電壓，可以用一個等效電路表達每組壓電陶瓷與金屬彈性體組成的復合體的等效電學關系，從而轉化成兩路等效電路。

任意一路振動在諧振頻率附近空載時的等效電路是又三個電路并聯組成，分別為一個電阻，一個容，和一個電阻電感電容串聯而成的電路[4]。

2.控制變量分析

超聲電機的控制變量有：電機兩相輸入電壓幅值、頻率、相位差。

保持施加在超聲電機上UA、UB兩相電壓頻率不變，兩相電壓相位差固定為90o，改變電壓的幅值，可調節超聲定子振動的振幅，從而改變電機的速度。利用電機輸入電壓幅值作為控制變量，調速范圍較小，低速時轉矩小，甚至不能使電機啟動，所以在實際控制中一般不能把電壓幅值作為單一的控制變量來實現超聲波電機的調速。

保持兩相輸入電壓幅值不變，兩相電壓的相位差固定為90o，固定兩相驅動電壓的頻率為f=38.5kHz，通過調節兩相輸入電壓的相位差，可以實現電機的正反轉，并且能夠平穩的停止。兩相驅動信號相差90o時，電機的轉速最大，此時效率也最高。

要實現超聲電機快速而精確控制，其控制變量應由單一的電壓幅、頻率或相位差控制，向3個控制變量相結合轉變。

3.控制器分析

超聲電機伺服控制系統通常由控制器、驅動放大電路、超聲電機、負載、編碼器等組成。控制器是超聲電機伺服控制系統的指揮中心，借鑒傳統電磁電機控制器并結合超聲電機的特點進行選取，主要有：以單片機作為控制器，用通用計算機作為控制器，以DSP作為控制器。

利用單片機作為電機控制器，成本低，可以實現較復雜的控制算法，如曾經有人利用單片機對超聲波直線電機的運動位置進行控制。但由于單片機一般采用馮諾依曼總線結構，處理器速度有限，難滿足運算量較大的實時信號處理的需要，一些復雜的控制算法在單片機上難以實現[5]。

利用通用計算機的高速度、強大運算能力和方便的編程環境，可實現高性能、高精確度、復雜的控制算法。但這種控制器體積過大，難以應用于工業現場。

這種控制系統實現方法可用于控制軟件的仿真研究，或者用作上位機，與下層的實時系統一起構成兩級或多級控制系統。利用LABVIEW可以對其控制系統進行仿真，虛擬儀器技術的運用，可以很好的仿真超聲波電機電壓頻率、相位、幅值的控制。

DSP控制器采用哈佛結構，分別采用獨立的總線來訪問程序和數據存儲空間，配合片內硬件乘法器、指令的流水線操作和優化的指令集，可以較好地滿足伺服控制系統的實時性要求，實現復雜的控制算法，智能控制策略，其體積也比以通用計算機小得多[6]。另外，許多DSP廠家開發了專門用于電磁電機的控制器，這些DSP控制器集成了高性能的DSP核，大容量的片上存儲器和專用的運動控制外設電路。顯然DSP的控制方式最為合理。

4.結論與展望

超聲電機作為一種新型電機，它具有許多傳統電磁電機所沒有的優點，同時具有強非線性和時變性，為實現超聲電機的高性能伺服控制，首先應該對其等效電路進行分析。除改善超聲電機本身的性能，提高效率以外，驅動與伺服控制方面也研究的重點，如控制器及驅動放大電路集成，實現控制系統小型化;多控制變量、多控制目標的實現;采用先進的控制策略，模糊控制、神經網絡、魯棒控制和滑模變結構控制等多種控制策略有效結合等。

電機控制技術的發展現狀與展望:交流電機控制技術的發展與展望

【摘要】引言與直流電機相比,交流電動機是多變量,強耦和的非線形系統,要實現良好的轉矩控制非常困難。闡述了交流電機控制技術的發展應用及發展方向。

【關鍵詞】 電機控制技術； 交流電動機； 控制問題

前言

20世紀70年代德國工程師F.Blaschke首先提出異步電動機矢量控制理論來解決交流電機轉矩控制問題。1985年，德國的Depenbrock教授提出了異步電動機直接轉矩控制方法。近年來，矢量控制和直接轉矩控制技術不斷發展，且有各自不同的應用領域。隨著現代控制理論和電子技術的發展，各種控制方法和器件不斷出現。

一、矢量控制技術的現狀與展望

1.、矢量控制新技術

磁通的快速控制：在直接磁場定向矢量控制異步電動機變頻調速系統中，利用磁鏈預測值進行磁通快速控制的方法。

參數辨識和調節器自整定：基于模型參考自適應算法的一慣性系統及二慣性系統轉動慣量參數的辨識方法。

非線性自抗擾控制器：在異步電動機系統的動態方程中，用自抗擾控制器取代經典PID控制器進行控制。

矩陣式變換器：一種適用于矩陣式變換器驅動異步電動機調速系統的組合控制策略，同時實現了矩陣式變換器的空間矢量調制和異步電動機的直接磁場定向矢量控制。

2、矢量控制技術的發展

矢量采用高速電動機控制專用DSP、嵌入式實時軟件操作系統，開發更實用的轉子磁場定向方法和精確的磁通觀測器，使變頻器獲得高起動轉矩、高過載能力，將是未來矢量控制技術的重要發展方向。無速度傳感器的交流異步電動機驅動系統和永磁電動機驅動系統控制也是開發熱點之一。永磁電動機驅動系統由于它的高效、高功率因數、高可靠性而得到越來越多的關注。無刷電動機的無位置傳感器控制和正弦波電流控制，在應用方面已趨成熟。開關磁阻電動機在許多領域應用也取得了很多進展。

二、直接轉矩控制技術的現狀與展望

1、直接轉矩控制新技術

直接轉矩無差拍控制是基于離散化直接轉矩控制系統提出來的一種控制方法。無差拍控制可以在一個控制周期內，完全消除定子磁鏈模值和電磁轉矩的動、靜態誤差，消除由于使用滯環比較器產生的轉矩脈動，使電機可以運行在極低速下，擴大了調速范圍。

轉矩(磁鏈)跟蹤預測控制方法認為磁鏈模值已經被準確控制或只發生緩慢地變化，沒有考慮磁鏈模值的控制問題。對磁鏈和轉矩都進行了預測跟蹤控制，控制效果明顯優于單純的轉矩跟蹤預測控制。

直接解耦控制(DDe)有兩種方法，一種是預測直接解耦控制(P-DDC)，另一種是使用PI調節器的直接解耦控制(PI-DDC)。PI-DDC控制方法具有很好的動、靜態特性，能夠在很大程度上消除轉矩脈動，即使在極低速條件下，轉矩脈動也非常小。

PI調節器控制是使用PI調節器輸出定子電壓矢量的直接轉矩控制技術，其中磁鏈調節器AψR和轉矩調節器ATR都使用PI調節器，通過兩個PI調節器給出相應定子電壓分量，提高控制系統對參數變化的魯棒性，同時也減少了控制算法的計算量。

間接轉矩控制是通過計算相鄰控制周期的磁鏈增量來決定定子電壓空間矢量，并且在保證磁鏈軌跡為圓形的條件下，對電磁轉矩進行控制。

2、直接轉矩控制的發展方向

隨著現代科學技術的不斷發展，直接轉矩控制技術必將有所突破。一是交流調速向高頻化方向發展，進一步提高控制性能，消除脈動，其中空間矢量脈寬調制(SVPWM)和軟關斷技術又是重點。二是與智能控制相結合，使交流調速系統的性能有一個根本的提高，這是直接轉矩控制的未來。

先進控制理論在電機控制中的應用

模糊控制和神經網絡控制

模糊控制是根據人工控制規則組織控制規則決策表，采用人類思維中模糊量、控制量，由模糊推理導出。典型應用如：用于電機速度控制的模糊控制器；模糊邏輯在電機模型及參數辨識中的應用；基于模糊邏輯的異步電動機效率優化控制；基于模糊邏輯的智能逆變器等。

神經網絡控制是人腦神經系統的某種簡化抽象和模擬，由大量的簡單的神經元互相連接形成的高度復雜的非線性系網絡系統，具有逼近任意非線性函數的功能、高容錯性、多輸入輸出特性，易用于多變量系統的控制。

三、魯棒控制和自抗擾控制器

魯棒控制是針對時間域或頻率域來說的，一般假設過程動態特性的信息和它的變化范圍。算法不需要精確的過程模型，但需要離線辨識。近年來，在多電機協調控制中有重要的應用。

自抗擾控制器利用非線性結構克服經典PID的缺陷，抵消和估計出異步電動機高階、非線性、強耦合的多變量系統中，同步旋轉坐標系中定子電壓方程存在的非線性耦合作用，使電機定子電流的轉矩分量與勵磁分量的相互影響，主要用于異步電動機的非線性控制。

復合控制

也可以將上述幾種控制方法組合起來使用，如神經網絡與內模復合控制；模糊與變結構控制，在滑模變結構控制系統中用模糊控制取代Bang-Bang控制；滑模、模糊、神經網絡的復合控制；自調整模糊滑模變結構控制和自適應模糊神經網路滑模變結構控制等。

電機控制相關技術的發展

電機控制器電路集成化

目前用于電機控制的集成電路可分為三大類：電機控制專用集成電路(ASIC)、專門為電機控制設計的MCU和DSP。電路集成有兩個途徑，一是將電動機控制器和中等電流功率MOSFET集成在一個芯片上。二是將硬件和程序基礎結構放在一個模塊里，如數字式智能電機控制模塊，它集單片機數字化控制、鍵盤操作、LED顯示電路于一身，通過設定可實現壘壓起動、軟起動、斜坡起動、階躍起動，限流起動、限壓起動、節能運行并可實現軟停車。另外，把微處理器、微控制器和數字信號處理器的能力集中于一塊芯片上，能解決大多數工程問題。對于少數需要大量并行處理的電機控制，可以采用專用的控制芯片，如FPGA或ASIC芯片。

電機控制微控制器的應用

MCU側重于I/O接口的數量和可編程存儲器的大小，非常適用于有大量的I/O操作的場合，應用于一些精度要求不高的電機控制系統中。

數字信號處理器(DSP)的應用

DSP芯片內部集成了模／數轉換、數字輸入／輸出、串口通信，電機控制PWM信號輸出等接口，因此使得電機控制系統硬件設計更加靈活、簡易。DSP的特長在于高速運算，側重于運算速度，DSP一般用于高檔工業電動機控制中，如伺服電動機控制。近年來，隨著DSP價格的降低，逐漸用DSP代替MCU實現電動機控制。

未來，具有更高速、方便的周邊功能模塊的電機專用DSP是電機控制微處理器的方向。直接集成FPGA、CPLD等大規模邏輯器件，將兩者的優勢相結合，設計混合式CPU/DSP也是發展方向之一。更高效的支持C/C++等高級語言編程，采用更強大的集成調試環境，從硬件上更好地支持實時在線調試，實時操作系統在控制系統軟件中的應用是軟件方面的發展方向。

四結語

目前，異步電動機矢量控制技術、直接轉矩控制技術乃至無傳感器的直接轉矩控制技術已實用化，人工神經網絡、自適應控制狀態觀測器等方法已得到廣泛采用。未來，交流電機控制技術將隨控制理論、計算機技術和電子技術的發展，圍繞解決異步電動機非解藕性及參數依賴性等問題，致力于新的控制策略、器件及系統的研究。