電機控制技術pdf

⑵ 控制演算法與電機控制的關系

照你這么說演算法和控制應該是一樣的吧，都是指：運行在計算處理器中的軟體程序。這些程序一般由定時器定時觸發，每跑一次程序就生成一個新的指令，由處理器輸送給電機驅動。比較普遍的處理器周期都是1-10kHz （0.1-1豪秒），並且和電機驅動中的功率電力電子器件的開關頻率吻合。
電機驅動是功率器件，把處理器的控制信號（信號級別，通常是占空比或者PWM信號）輸入到電力電子器件的門極上。電力電子器件在控制信號的作用下，可以對大電流、高電壓的功率級別進行動作。功率電信號用功率電線送到電機里。
演算法模型和所有公式都是在單片機、PLC裡面運行的。時域演算法（PI、PID之類的）可以進行離散化（Z變換）得到離散的控制關系，然後編相應的程序。這個離散化的采樣頻率就是程序的處理周期（0.1-1毫秒）。總之這些軟硬體的東西都是關聯的。
至於時域演算法如何得到，那需要知道電機的模型和你要控制的是什麼。電機驅動一般是電壓型輸出。所以你最終結果是得到一個電機控制電壓。電壓信號輸出到電機驅動，一般需要一個PWM控制，例如正弦調制SPWM，或者矢量控制SVPWM。在電壓基礎上，如果想控制電流，那麼一個PI就可以（電流控制器），輸入是電流反饋，輸出是電壓。如果想控制轉矩，轉矩和電流是對應的。所以另外一個模塊要加在電流控制器之前，這個模塊輸入是轉矩，輸出電流，模塊本身不是反饋控制，是比例放大。如果想控制速度，那需要在轉矩模塊之前再加一個速度模塊，輸入是速度，輸出是轉矩，這個模塊可以是PI。這些具體的東西不是一兩天可以弄懂的，我只是給你大概說一下。
至於硬體電路，一般是我上面說的電機驅動以及它內部的電壓、電流、溫度檢測、電力電子器件、保護措施。
電機上一般也有一個位置感測器，用於反饋控制信號給單片機，這個位置信號在交流電機里是用來做dq變換的，或者叫park變換。這個是交流轉化為直流控制的重要步驟。

⑶ 現代電機控制

1 控制理論方面

自70年代非同步電動機矢量變換控制方法提出，至今已獲得了迅猛的發展。這種理論的主要思想是將非同步電動機模擬成直流機，通過坐標變換的方法，分別控制勵磁電流分量與轉矩電流分量，從而獲得與直流電動機一樣良好的動態調速特性。這種控制方法現已較成熟，已經產品化，且產品質量較穩定。因為這種方法採用了坐標變換，所以對控制器的運算速度、處理能力等性能要求較高。近年來，圍繞著矢量變換控制的缺陷，如系統結構復雜、非線性和電機參數變化影響系統性能等等問題，國內、外學者進行了大量的研究。

1985年，德國的Depenbrock教授提出一種新的控制方法，即非同步電動機直接轉矩控制系統。它就是上述研究的結果。它不需要坐標變換，也不需要依賴轉子數學模型，理論上非常誘人。實驗室條件下也已做出性能指標相當高的樣機。只是還有些問題未解決，如低速時轉矩觀測器和轉速波動等，未能產品化。現在市面上自稱實現了轉矩直接控制的系統，大多都是或者採用了將磁鏈定向與直接轉矩控制相結合的方法，低速時採用磁鏈定向矢量變換控制，高速時採用直接轉矩控制。或者同時觀測轉子磁鏈，作為直接轉矩控制系統的校正。一來這種方法平穩切換的時機較難確定，目前德國大學的博士正在研究這個問題；二來如果低速時採用磁鏈定向矢量控制，或採用觀測轉子磁鏈的方法，還是要依賴轉子參數。也就是說只要有轉子磁鏈的成分在裡面，就還是對轉子參數較敏感。無法體現直接轉矩控制的優勢。看來，完全的轉矩直接控制離產品化還有一段距離。

除此之外，基於現代控制理論的滑模變結構控制技術、採用微分幾何理論的非線性解耦控制、模型參考自適應控制等等方法的引入，使系統性能得到了改善。但這些理論仍然建立在對象精確的數學模型基礎上，有的需要大量的感測器、觀察器，因而結構復雜，有的仍無法擺脫非線性和電機參數變化的影響，因而需進一步探討解決上述問題的途徑。

縱觀電機工業的發展史，幾乎每一次大的發展都是有理論方面的突破。但現在作為一些較成熟的現代交流系統，再提出具有劃時代意義的理論不太容易。因此今後的發展，相當長一段時間內還會是將現有的各種控制理論加以結合，互相取長補短，或者將其它學科的理論、方法引入電機控制，走交叉學科的道路，以解決上述問題。近年來，智能控制研究很活躍，並在許多領域獲得了應用。典型的如模糊控制、神經網路控制和基於專家系統的控制。由於智能控制無需對象的精確數學模型並具有較強的魯棒性，因而許多學者將智能控制方法引入了電機控制系統的研究，並預言未來的十年將開創電力電子和運動控制的新紀元。比較成熟的是模糊控制，它具有不依賴被控對象精確的數學模型、能克服非線性因素的影響、對調節對象的參數變化具有較強的魯棒性等等優點。模糊控制已在交直流調速系統和伺服系統中取得了滿意的效果。它的典型應用如：用於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；基於模糊邏輯的非同步電動機效率優化控制；基於模糊邏輯的智能逆變器的研究等等。近年來已有一些文獻探討將神經網路控制或專家系統引入非同步電動機的直接轉矩控制系統，相信不久的將來會獲得實用性結果。

2 控制器方面

有了好的控制方法，還需要有能將其實現的控制器。可靠性高，實時性好是對控制系統的基本要求。最初的電機控制都是採用分立元件的模擬電路，後來隨著電子技術的進步，採用集成電路甚至專用集成電路。這些電路大多為模擬數字混合電路，既提高了可靠性、抗干擾性，又縮短了開發周期和研製費用，減小了體積，因而發展很快。

作為專用集成電路（ASIC-Application Specific Integrated Circuit）的一個重要方面，幾乎所有先進工業國家的半導體廠商，都能提供自己開發的電機控制專用集成電路。所以電機控制專用集成電路品種、規格繁多，產品資料和應用資料十分豐富。但同時由於各廠商之間無統一標准，因而產品極其分散，又不斷有新產品出現，為滿足一次設計的需要，往往要花很大力氣、很多時間去收集整理資料。但如前所述，當前電機控制的發展越來越趨於多樣化、復雜化。所以有時未必能滿足越來越苛刻的性能要求。這時可以考慮自己開發電機專用的控制晶元。現場可編程門陣列（FPGA)可以作為一種解決方案。作為開發設備，FPGA可以方便地實現多次修改。簡單地打個比方，FPGA相對於ASIC好比EEPROM相對於掩模生產的ROM。由於FPGA的集成度非常大。一片FPGA少則幾千個等效門，多則幾萬或幾十萬等效門。所以一片FPGA就可以實現非常復雜的邏輯，替代多塊集成電路和分立元件組成的電路。它藉助於硬體描述語言（VHDL或VerilogHDL）來對系統進行設計，硬體描述語言擯棄了傳統的從門級電路向上直至整體系統的方法。它採用三個層次的硬體描述和自上至下（從系統功能描述開始）的設計風格，能對三個層次的描述進行混合模擬，從而可以方便地進行數字電路設計。具體層次及其簡介如下：第一層為行為描述，主要是功能描述，並可以進行功能模擬；第二層是RTL描述，主要是邏輯表達式的描述，並進行RTL級模擬：第三層是門級描述，即用基本的門電路進行描述，相應地進行門級模擬。最後生成門級網路表，再用專用工具生成FPGA的編程碼點，就可以進行FPGA的編程了。試製成功後，如要大批量生產，可以按照FPGA的設計定做ASIC晶元，降低成本。目前已有探討這方面可行性的文章，有興趣的讀者可參閱。

集成電路的出現對電機控制的影響是深遠的。它大大地推動了電機控制行業的發展，至今仍具有廣大市場，只可惜國內的集成電路廠商不能佔到這一市場他們應該佔到的份額。隨著技術的進步，特別是數字化趨勢廣泛流行的今天，人們不會滿足於停留在模擬數字混合的時代。

現在市面上較通用的變頻器大多都是採用單片機來控制。應用較多的是8096系列產品。但單片機的處理能力有限，特別是採用矢量變換控制的系統，由於需要處理的數據量大，實時性和精度要求高，單片機往往不再能滿足要求。因此人們自然而然地又想到了數字信號處理器（DSP）。近年來，各種集成化的單片DSP的性能得到很大改善，軟體和開發工具也越來越多，越來越好；價格卻大幅度下滑，目前低端產品已接近單片機的價格水平，且具有更高的性能價格比。從而使得DSP器件及技術更容易使用，價格也能夠為廣大用戶接受。越來越多的單片機用戶開始選用DSP器件來提高產品性能，DSP器件取代高檔單片機的時機已經成熟。而且隨著DSP在各行各業中的廣泛普及，專業人才方面的供需矛盾也會很快解決。

與單片機相比DSP器件具有較高的集成度。DSP具有更快的CPU，更大容量的存儲器，內置有波特率發生器和FIFO緩沖器。提供高速、同步串口和標准非同步串口。有的片內集成了A／D和采樣／保持電路，可提供PWM輸出。更為不同的是，DSP器件為精簡指令系統計算機（RISC）器件，大多數指令都能在一個指令周期內完成，並且通過並行處理技術，使一個指令周期內可完成多條指令。DSP採用改進的哈佛結構，具有獨立的程序和數據空間，允許同時存取程序和數據。內置高速的硬體乘法器，增強的多級流水線，使DSP器件具有高速的數據運算能力。而單片機為復雜指令系統計算機（CISC），多數指令要2～3個指令周期來完成。單片機採用諾依曼結構，程序和數據在同一空間存取，同一時刻只能單獨訪問指令或數據。ALU只能做加法，乘法需要由軟體來實現，因此佔用較多的指令周期，也就是說速度比較慢。所以，結構上的差異使DSP器件比16位單片機單指令執行時間快8～10倍，完成一次乘加運算快16～30倍。簡單地說，就是DSP器件運算功能強，而單片機的事務處理能力強。DSP器件還提供了高度專業化的指令集，提高了FFT快速傅里葉變換和濾波器的運算速度。此外，DSP器件提供JTAG(JointTest Action Group)介面，具有更先進的開發手段，批量生產測試更方便。

為了在電機控制市場搶占份額，各大DSP生產廠商紛紛推出自己的內嵌式DSP電機專用控制電路。如佔DSP市場份額45％的美國德州儀器公司，憑借自己的實力，推出電機控制器專用DSP-TMS320C24x（TMS320F24x片內ROM為可擦寫）。新的TMS320C24xDSP採用TI的T320C2xLP16位定點DSP核心，並集成了一個電機控制事件管理器，後者的特點是可以最佳方式實現對電機轉向的電子控制。該器件利用TI的可重用DSP核心技術，顯示出TI的特殊能力—通過在單一晶元上集成一個DSP核及其數字和混合信號外設件，製造出面向各種應用的DSP方案。TMS320C24x作為第一個數字電機控制器的專用DSP系列，可支持電機的轉向、指令的產生、控制演算法的處理、數據交流和系統監控等功能。集成化DSP核、最佳化電機控制器事件管理器和單片式A／D設計等諸多因素加在一起，就可提供一個單晶元式數字電機控制方案。系列中的TMS320C240包括一個20MIPS DSP核、一個事件管理器、兩個串列介面、一對10位A/D轉換器、一個32位數字I/O系統、一個監視計時器、一個低電壓監測器和一個16K字元快閃記憶體(TMS320F240型）。依靠兼容性實現系統升級。TMS320C240的編碼與TI的TMS320Clx，TMX320C2x，TMS230C2xx和TMS320C5x系列中的DSP相兼容。它利用TMS320的定點DSP軟體開發工具和JTAG模擬支持，從而可使電機控制器領域內的開發商方便地從微控制器升遷至新的DSP。美國模擬設備（AD）公司也不甘落後，與著名的英特爾（intel）公司合作，生產出ADMC3xx系列電機控制專用DSP，性能與TI公司的產品相差不大。也是基於AD公司的16位定點DSP核ADSP2171來設計的，此外還集成了三相PWM產生器（16位）和A/D轉換器。其它比較有名的生產DSP的廠商還有摩托羅拉公司（Motorola）和國家電器公司（NEC）。採用基於DSP的電機專用集成電路的另一個好處是，可以降低對感測器等外圍器件的要求。通過復雜的演算法達到同樣的控制性能，降低成本，可靠性高，有利於專利技術的保密。

有時，系統要求的人機交互、列印等控制較多，一個DSP不能勝任，這時可採用一個單片機來處理事務，一個DSP來處理運算的異型多處理器系統。但這樣做，既增加了兩個處理器之間同步和通信的負擔，又使系統實時性變壞，延長系統開發時間。這種情況下，採用Tricore是解決問題的好方法，它把微處理器、微控制器和數字信號處理器的能力集中於一塊晶元上，從而能單片解決遇到的大多數工程問題。