廿世紀(jì)后期的電子技術(shù)(包括大規(guī)模集成電路技術(shù)、電力電子技術(shù)和計算機技術(shù))的飛速發(fā)展以及現(xiàn)代電機控制理論的完善，仿真工業(yè)的日漸成熟，極大地推動了作為機電能量轉(zhuǎn)換的基本單元電動機控制技術(shù)的發(fā)展，這種發(fā)展對各行各業(yè)的影響是巨大的。進(jìn)入廿十一世紀(jì)后，電子技術(shù)、計算機技術(shù)和電機控制技術(shù)相結(jié)合的趨勢更為明顯，促進(jìn)電機技術(shù)以更快的速度發(fā)展著。本文總結(jié)這些新技術(shù)的發(fā)展給電機控制帶來的新機遇，從控制理論、控制器、電力電子技術(shù)以及微型計算機技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合電機控制的現(xiàn)狀，介紹國內(nèi)外的這些領(lǐng)域內(nèi)的最新技術(shù)進(jìn)展，展望今后的趨勢，希望有助于大家了解并追蹤電機控制領(lǐng)域中的最新技術(shù)和信息，把握行業(yè)的發(fā)展方向。
一、電機控制理論
自70年代異步電動機矢量變換控制方法提出，至今已獲得了迅猛的發(fā)展。這種理論的主要思想是將異步電動機模擬成直流機，通過坐標(biāo)變換的方法，分別控制電機的勵磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量，從而獲得與直流電動機一樣的良好的動態(tài)調(diào)速特性。這種控制方法現(xiàn)已較成熟，已經(jīng)產(chǎn)品化，且產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定。因為這種方法采用了坐標(biāo)變換，需要進(jìn)行快速、復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算，所以對控制器的運算速度、處理能力等要求較高，微型計算機技術(shù)的發(fā)展為矢量變換控制的實現(xiàn)提供了良好的外部條件。近年來，圍繞著矢量變換控制的缺陷，如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非線性和電機參數(shù)變化影響系統(tǒng)性能等問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)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，即異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。它就是上述研究的結(jié)果。它不需要坐標(biāo)變換，也不需要依賴轉(zhuǎn)子數(shù)學(xué)模型，理論上非常誘人。實驗室條件下也已做出性能指標(biāo)相當(dāng)高的樣機。只是還有些問題未解決，如低速時轉(zhuǎn)矩觀測器和轉(zhuǎn)速波動等，未能產(chǎn)品化?，F(xiàn)在市面上自稱實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩直接控制的系統(tǒng)，大多都是或者采用了將磁鏈定向與直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合的方法，低速時采用磁鏈定向矢量變換控制，高速時采用直接轉(zhuǎn)矩控制?；蛘咄瑫r觀測轉(zhuǎn)子磁鏈，作為直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的校正。一來這種方法平穩(wěn)切換的時機較難確定，目前德國大學(xué)的學(xué)者正在研究這問題；二來如果低速時采用磁鏈定向矢量控制，或者采用觀測轉(zhuǎn)子磁鏈的方法，還是要依賴轉(zhuǎn)子參數(shù)。也就是說只要有轉(zhuǎn)子磁鏈的成分在里面，就還是對轉(zhuǎn)子參數(shù)較敏感。無法體現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)勢?？磥?，完全的轉(zhuǎn)矩直接控制離產(chǎn)品化還有一段距離。
除此之外，基于現(xiàn)代控制理論的滑模變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)、采用微分幾何理論的非線性解耦控制、模型參考自適應(yīng)控制等方法的引人，使系統(tǒng)性能得到了改善。但這些理論仍然建立在對象精確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，有的需要大量的傳感器、觀察器，因而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有的仍無法擺脫非線性和電機參數(shù)變化的影響，因而需進(jìn)一步探討解決上述問題的途徑。
縱觀電機工業(yè)的發(fā)展史，幾乎每一次大的發(fā)展都有理論方面的突破。但現(xiàn)在作為較成熟的電機控制理論，再提出具有劃時代意義的理論不太容易。因此，今后相當(dāng)一段時間內(nèi)還會是將現(xiàn)有的各種理論加以結(jié)合，互相取長補短，或都將其它學(xué)科的理論、方法引入電機控制，走交叉學(xué)科的道路，以解決上述問題。近年業(yè)，智能控制研究很活躍，并在許多領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。典型的如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和基于專家系統(tǒng)的控制。由于智能控制無需對象的精確數(shù)學(xué)模型并具有較強的魯棒性，因而許多學(xué)者將智能控制方法引入了電機控制系統(tǒng)的研究，并預(yù)言未來的十年將開創(chuàng)電力電子和運動控制的新紀(jì)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(shù)學(xué)模型、能克服非線性因素的影響、對調(diào)節(jié)對象的參數(shù)變化具有較強的魯棒性等優(yōu)點。模糊控制已在交直流調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)中取得了滿意的效果。它的典型應(yīng)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(shù)辨識中的應(yīng)用；基于模糊邏輯的異步電動機效率優(yōu)化控制；基于模糊邏輯的智能逆變器的研究等。近年來已有一些文獻(xiàn)探討將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制或?qū)＜蚁到y(tǒng)引入異步電動機的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，相信不久會有實用的結(jié)果。
二、電機控制器
有了好的控制方法，還需要有能將其實現(xiàn)的控制器?？煽啃愿撸瑢崟r性好是對控制系統(tǒng)的基本要求。最初的電機控制都是采用分立元件的模擬電路，后來隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，集成電路甚至電機控制專用集成電路被大量在電機控制中引用，這些電路大多為模擬數(shù)字混合電路，它大大提高了電機控制器的可靠性、抗干擾能力、又縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了研制費用，因而近年來發(fā)展很快。
作為專用集成電路(ASIC－－－ApplicationSpecificIntegratedCircuit)的一個重要方面，目前世界上幾乎所有的大半導(dǎo)體廠商都提供了自己開發(fā)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(guī)格繁多，產(chǎn)品資料和應(yīng)用資料十分豐富。但同時由于各廠商之間無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因而產(chǎn)品極其分散，又不斷有新產(chǎn)品出現(xiàn)，為滿足一次設(shè)計的需要，往往要花很大力氣和時間去收集整理資料。當(dāng)前電機控制的發(fā)展越來越趨于多樣化、復(fù)雜化，現(xiàn)有的專用集成電路未必能滿足苛刻的新品開發(fā)要求，為此可考慮自己開發(fā)電機專用的控制芯片。現(xiàn)場可編程門陳列(FPGA)可以作為一種解決方案。作為開發(fā)設(shè)備，F(xiàn)PGA可以方便地實現(xiàn)多次修改。簡單地打個比方，F(xiàn)PGA相對于ASIC好比EPROM相對于掩膜生產(chǎn)的ROM。由于FPGA的集成度非常大，一片F(xiàn)PGA少則幾千個等效門，多則幾萬或幾十萬等效門。所以一片F(xiàn)PGA就可以實現(xiàn)非常復(fù)雜的邏輯，替代多塊集成電路和分立元件組成的電路。它借助于硬件描述語言(VHDL或VerilogHDL)來對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，硬件描述語言擯棄了傳統(tǒng)的從門級電路向上直至整體系統(tǒng)的方法。它采用三個層次的硬件描述和自上至下(從系統(tǒng)功能描述開始)的設(shè)計風(fēng)格，能對三個層次的描述進(jìn)行混合仿真，從而可以方便地進(jìn)行數(shù)字電路設(shè)計。具體層次及其簡單介如下：第一層為行為描述，主要是功能描述，并可以進(jìn)行功能仿真；第二層是RTL描述，主要是邏輯表達(dá)式的描述，并進(jìn)行RTL級仿真；第三層是門級描述，即用基本的門電路進(jìn)行描述，相應(yīng)地進(jìn)行門級仿真。最后生成門級網(wǎng)絡(luò)表，再用專用工具生成FPGA的編程碼點，就可以進(jìn)行FPGA的編程了。試制成功后，如要大批量生產(chǎn)，可以按照FPGA的設(shè)計定做ASIC芯片，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。
電機控制專用集成電路的出現(xiàn)對電機控制的影響是深遠(yuǎn)的，它大大地推動了電機控制行業(yè)的發(fā)展，市場前景十分廣闊，只可惜國內(nèi)的集成電路廠商至今還不能在這一市場上占據(jù)應(yīng)有的份額。
隨著技術(shù)的進(jìn)步，特別是數(shù)字化趨勢廣泛流行的今天，人們不會滿足于停留在模擬數(shù)字混合的時代。
現(xiàn)在市場上較通用的變頻器大多采用單片機來控制，應(yīng)用較多的是8096系列產(chǎn)品。但單片機的處理能力有限，對采用矢量變換控制的系統(tǒng)，由于需要處理的數(shù)據(jù)量大，實時性和精度要求高，單片機往往不能滿足要求。人們自然而然地想到數(shù)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，軟件和開發(fā)工具也越來越多，越來越好；價格卻大幅度降低，目前低端產(chǎn)品已接近單片機的價格水平，而其比單片機具有更高的性能價格比。從而使 DSP器件及技術(shù)更容易使用，價格也能為廣大用戶接受。越來越多的單片機用戶開始選用DSP器件來提高產(chǎn)品性能，DSP器件取代高檔單片機的時機已成熟。
與單片機相比DSP數(shù)字信號處理器件具有較高的集成度。DSP數(shù)字信號處理具有快的CPU，更大容量的存儲器，內(nèi)置有波特率發(fā)生器和FIFO緩沖器，提供高速、同步串口和標(biāo)準(zhǔn)異步串口。有的片內(nèi)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(tǒng)計算機(RISC)器件，大多數(shù)指令都能在一個指令周期內(nèi)完成，并且通過并行處理技術(shù)，使一個指令周期內(nèi)可完成多條指令。DSP數(shù)字信號處理采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時存取程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)置高速的硬件乘法器，增加的多級流水級，使DSP器件具有高速的數(shù)據(jù)運算能力。而單片機為復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機(CISC)，多數(shù)指令要2 －3個指令周期來完成。單片機能采用諾依曼結(jié)構(gòu)。程序和數(shù)據(jù)在同一空間存取，同一時刻只能單獨訪問指令或數(shù)據(jù)。ALU只能做加法，乘法需要由軟件來實現(xiàn)，因此占用較多的指令周期，也就是說速度比較慢。所以,結(jié)構(gòu)上的差異使DSP器件比16位單片機單指令執(zhí)行時間快8－10倍，完成一次乘法運算快16－30 倍。簡單地說，就是DSP器件運算功能強，而單片機的事務(wù)處理能力強。DSP器件還提供了高度專業(yè)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(JointTsetActionGroup)接口，具有更先進(jìn)的開發(fā)手段，批量生產(chǎn)測試更方便。
為了在廣闊的電機控制市場搶占份額，各大DSP生產(chǎn)廠商紛紛推出自己的內(nèi)嵌式DSP電機專用控制電路。如占DSP市場份額45％的美國德州儀器公司，憑借自己的實力，推出了電機控制器專用DSP-TMS320C24x(TMS320F24x片內(nèi)ROM為可擦寫)。新的TMS32024xDSP 采用TI的T320C2xLP16位定點DSP核心，并集成了一個電機事件管理器，后者的特點是可以最佳方式實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)向的電子控制。該器件利用TI的可重用DSP核心技術(shù)，顯示出TI的特殊能力-通過在單一芯片上集成一個DSP核及其數(shù)字和混合信號外設(shè)件，制造出面向各種應(yīng)用的DSP方案。 TMS320C24x作為第一個數(shù)字電機控制器的專用DSP系列，可支持電機的轉(zhuǎn)向、指令的生產(chǎn)、控制算法的處理、數(shù)據(jù)交流和系統(tǒng)監(jiān)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(shè)計等諸多因素加在一起，就可提供一個單芯片式數(shù)字電機控制方案。系列中的TMS320C240包括一個20NIPSDSP核、一個事件管理器、兩個串行口、一對10位A/D轉(zhuǎn)換器、一個32位數(shù)字I/O系統(tǒng)、一個監(jiān)視計算器、一個低電壓監(jiān)視器和一個 16K字符快部分存儲器，它利用TMS320的定點DSP軟件開發(fā)工具和JTAG仿真支持，可使電機控制領(lǐng)域的開發(fā)商方便地從微控制器升遷至新的DSP。美國模擬設(shè)備(AD)公司也不甘落后，與著名intel公司合作，生產(chǎn)出ADMC3xx系列電機控制專用DSP，性能與TI公司的產(chǎn)品相差不大，也是基于 AD公司的16位定點DSP核ADSP2171來設(shè)計的，它還集成了三相PWM產(chǎn)生器(16位)和A/D轉(zhuǎn)換器。其它比較有名的生產(chǎn)DSP的廠商還有 Motorola公司和NEC公司。采用基于DSP的電機控制專用集成電路的另一個好處是，可以降低對傳感器等外圍器件的要求。通過復(fù)雜的算法達(dá)到同樣的控制性能，降低成本，可靠性高，有利于專利技術(shù)的保密。用電機控制專用的DSP集成芯片通過卡爾曼濾波器算法實現(xiàn)無位置傳感器的無刷直流電動機控制即是一典型例子。
有時，系統(tǒng)要求的人機交互、打印等控制較多，一個DSP不能勝任，這時可采用一個單片機來處理事務(wù)，一個DSP來處理運算的異型多處理器系統(tǒng)。但這樣做，既增加了兩個處理器之間同步和通信的負(fù)擔(dān)，又使系統(tǒng)實時性變壞，延長系統(tǒng)開發(fā)時間。此時，采用Tricore是解決問題的好方法，它把微處理器、微控制器和數(shù)字信號處理器的能力集成于一塊芯片上，從而能單片解決遇到的大多數(shù)工程問題。
（轉(zhuǎn)載）
