電機(jī)及其控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，現(xiàn)代電控技術(shù)也呈現(xiàn)出良好發(fā)展態(tài)勢(shì)，應(yīng)用于機(jī)械、石油、煤礦、化學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。本文針對(duì)現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)的現(xiàn)狀，電機(jī)結(jié)構(gòu)與分類入手，詳談無(wú)刷直流電機(jī)控制技術(shù)與交流電機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用，并對(duì)其未來(lái)進(jìn)步方向做了展望。

2 電機(jī)結(jié)構(gòu)與分類

2.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

普通電機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)部件多樣，以三相鼠籠式電機(jī)結(jié)構(gòu)最為常見，主要結(jié)構(gòu)包括軸承、轉(zhuǎn)子、基座、風(fēng)扇、定子等。具體如圖1所示：

電動(dòng)機(jī)中定子繞組，通入電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子繞組，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)體在電子磁場(chǎng)作用下，會(huì)產(chǎn)生電磁力，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生機(jī)械能，為石油、煤礦、機(jī)械等行業(yè)提供運(yùn)轉(zhuǎn)支撐[1]。在普通電機(jī)結(jié)構(gòu)中，定子是靜止不動(dòng)的結(jié)構(gòu)，主要由鐵心、繞組以及機(jī)座等元素構(gòu)成，而轉(zhuǎn)子是電動(dòng)機(jī)中能夠運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，按照其繞組方式，可以被區(qū)分為鼠籠式和線繞式。線繞式與鼠籠式的電動(dòng)機(jī)雖然繞組方式存在一定差異，但是其工作原理并未有不同。

2.2 電機(jī)分類

電機(jī)一般按照工作電源種類，可以被分為交流電機(jī)與直流電機(jī)兩種，直流電機(jī)又可以被細(xì)分為無(wú)刷與無(wú)刷兩種直流電機(jī)。交流電又可以按照相數(shù)的不同，分為單相與三項(xiàng)異步電機(jī)。電機(jī)能夠在實(shí)踐中發(fā)揮重要功能。能夠提升航空、交通等各行業(yè)的工作效率，是當(dāng)下各行各業(yè)創(chuàng)新與發(fā)展中不可獲取的重要基礎(chǔ)，其在未來(lái)必然有良好的發(fā)展空間[2]。

3 直流電機(jī)控制技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

直流電機(jī)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)七八十年代，MAC無(wú)刷直流電機(jī)問(wèn)世，帶動(dòng)了直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)在國(guó)際范圍內(nèi)的發(fā)展。我國(guó)國(guó)內(nèi)也開始對(duì)直流電機(jī)展開廣泛研究，先后推出了方波無(wú)刷電機(jī)、正弦波直流電機(jī)等典型的直流電機(jī)[3]。與此同時(shí)，與電機(jī)相關(guān)的材料研究，也開始廣泛開展，永磁材料也開始與微電子技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)等相結(jié)合，促使直流電機(jī)控制技術(shù)的研究與實(shí)踐無(wú)限貼合。本文以有刷向無(wú)刷直流電機(jī)控制技術(shù)過(guò)渡為例，探討了直流電機(jī)控制技術(shù)的整體現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展。

3.1 直流電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

無(wú)論是無(wú)刷還是有刷兩種情況，直流電機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)基本一致，只是無(wú)刷直流電機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，簡(jiǎn)化了原本復(fù)雜的直流電機(jī)結(jié)構(gòu)，降低了轉(zhuǎn)子重量，可以直接將繞組放在定子之上，能夠最大程度的保證直流電機(jī)的工作效率。無(wú)刷電機(jī)之所以能夠興起與發(fā)展，和我國(guó)材料科學(xué)領(lǐng)域的不斷突破密切相關(guān)，永磁材料研發(fā)，并投入使用，經(jīng)歷了從鋁材，到鐵氧體磁性材兩個(gè)階段，后步入釹鐵硼材料階段[4]。

3.1.2 控制電路

有刷直流電路在控制上相對(duì)復(fù)雜，且缺乏一定電路保護(hù)系統(tǒng)。而無(wú)刷直流電機(jī)則可以有效解決此問(wèn)題，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路中的開關(guān)器件，就能調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行速度，在出現(xiàn)過(guò)流、或過(guò)熱，甚至局部過(guò)壓等情況時(shí)，電路也可以觸發(fā)保護(hù)機(jī)制，對(duì)電機(jī)運(yùn)行進(jìn)行阻斷，保證電機(jī)與操作人員的安全。當(dāng)下，投入實(shí)踐應(yīng)用的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，往往采用專用的集成電路以及信號(hào)處理系統(tǒng)，更大程度保證控制效率和控制安全。

3.1.3 驅(qū)動(dòng)電路

無(wú)刷直流控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路往往從屬于控制系統(tǒng)，并受控于整體的控制系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)樞紐，經(jīng)過(guò)從半控制系統(tǒng)，向全控制功率開關(guān)器件的過(guò)渡，形成了完善的反饋系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的控制效果。目前，全控型開關(guān)器件也處在不斷的發(fā)展過(guò)程中，并逐漸實(shí)現(xiàn)了對(duì)普通晶閘管的取代作用。

3.1.4 檢測(cè)電路

為了保證無(wú)刷直流電機(jī)的進(jìn)一步應(yīng)用以及發(fā)展，與之相應(yīng)的配套完善器件的發(fā)展也在順勢(shì)推進(jìn)。以檢測(cè)電路的轉(zhuǎn)子位置為例。眾所周知，無(wú)刷直流電機(jī)，是閉環(huán)的一體化系統(tǒng)，為了保證轉(zhuǎn)子磁極位置，磁敏式的霍爾傳感器被不斷應(yīng)用于電機(jī)的工作之中，可以讓轉(zhuǎn)子磁極信號(hào)成為換相信號(hào)。

3.2 未來(lái)趨勢(shì)及發(fā)展方向

隨著新技術(shù)不斷創(chuàng)新，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)在我國(guó)的不斷發(fā)展，直流電機(jī)控制系統(tǒng)也必將不斷發(fā)展，并迎來(lái)新的突破，效率在不斷提升的同時(shí)，運(yùn)行成本會(huì)逐漸下降。如位置檢測(cè)，可以通過(guò)芯片實(shí)現(xiàn)，高速微處理器與DSP，可以提速電機(jī)的反應(yīng)效率，使得電機(jī)設(shè)備在不同領(lǐng)域與行業(yè)的應(yīng)用中，能夠得到更有效發(fā)展。DSP的強(qiáng)計(jì)算能力，也可以成為未來(lái)無(wú)位置傳感器研究的重要方向之一，當(dāng)DSP技術(shù)能夠被應(yīng)用于直流電機(jī)控制系統(tǒng)之中，電機(jī)的控制運(yùn)營(yíng)成本必然會(huì)呈顯著下降。

4 交流電機(jī)控制技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

交流電機(jī)興起于1985年，德國(guó)首先提出了異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩的概念及控制方法，為交流電機(jī)的產(chǎn)生及研究提供了理論基礎(chǔ)，而后在上世紀(jì)末，矢量控制技術(shù)與轉(zhuǎn)矩技術(shù)也開始為人們所了解，通過(guò)不斷研究，最終交流電機(jī)開始走向成熟，并不斷投入市場(chǎng)應(yīng)用之中，為各行各業(yè)生產(chǎn)提供了保障，加速了各個(gè)行業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)化進(jìn)程。隨著現(xiàn)代電機(jī)控制理論的不斷完善，以及我國(guó)電子科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，如今不同的交流電機(jī)控制方法，也開始不斷出現(xiàn)。

4.1 矢量控制技術(shù)

矢量控制技術(shù)在近些年來(lái)得到了廣泛發(fā)展，一些新型的技術(shù)開始不斷出現(xiàn)，如電機(jī)磁通量的快速控制、調(diào)節(jié)器自整定等，以及一些與電機(jī)變換的相關(guān)技術(shù)也開始興起，如非線性自抗擾控制器等。在未來(lái)，矢量控制技術(shù)，必然還會(huì)持續(xù)不斷的整合創(chuàng)新性強(qiáng)的新技術(shù)，矢量的控制也將更為高效與迅速，專用的DSP能夠使轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)方向穩(wěn)定，能夠更為精確的確定實(shí)時(shí)磁通量。變頻器的轉(zhuǎn)動(dòng)矩也會(huì)逐漸提高，讓交流電機(jī)的過(guò)載能力不斷增加。未來(lái)針對(duì)交流電機(jī)矢量控制的研究，最終的核心重點(diǎn)，還應(yīng)該是變頻器的過(guò)載能力以及轉(zhuǎn)矩大小，才能提升交流電機(jī)的效率。

4.2 轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是基于離散化轉(zhuǎn)矩提出的一種針對(duì)交流電機(jī)直接的控制技術(shù)方法，可以實(shí)現(xiàn)將電機(jī)運(yùn)行控制在合理的周期范圍內(nèi)，消除定子磁鏈膜值與轉(zhuǎn)矩之間存在的差值，保證電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確性。也可以避免滯環(huán)比較器脈動(dòng)產(chǎn)生的干擾，保證電機(jī)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

隨著當(dāng)下我國(guó)對(duì)于電子科學(xué)技術(shù)重視程度的不斷提升，轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)必然可以得到進(jìn)一步的發(fā)展，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)從低頻向高頻的發(fā)展，也可以讓交流電機(jī)的控制更為高效，進(jìn)而提升交流電機(jī)的工作效率。對(duì)于滯環(huán)比較器產(chǎn)生的脈動(dòng)，也可以合理控制，甚至有效消除。針對(duì)于直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，軟關(guān)斷技術(shù)將是未來(lái)研究的重要方向。其次，如何將電機(jī)控制技術(shù)與智能化、數(shù)據(jù)化相結(jié)合，也是電機(jī)控制技術(shù)未來(lái)發(fā)展需要研究與考慮的重點(diǎn)。以下為兩種常見新型控制技術(shù)。

4.2.1 模糊控制

模糊控制是一種將人類思維應(yīng)用到控制系統(tǒng)，形成的可控制模型，可以將人腦控制中的抽象思維與電機(jī)系統(tǒng)控制相合，形成非線性的系統(tǒng)，讓電機(jī)控制系統(tǒng)的處理效率更高、容錯(cuò)能力更強(qiáng)。利用模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，可以讓多變量的電機(jī)控制系統(tǒng)更為靈魂，也可以不斷容納新興信息源。

4.2.2 魯棒控制

魯棒控制是一種基于時(shí)間域概念，提出的控制技術(shù)，首先要假設(shè)工作動(dòng)態(tài)特性，然后設(shè)置變化范圍，在通過(guò)控制器及非線性結(jié)構(gòu)，抵消和估計(jì)電機(jī)高階，克服PID缺陷。魯棒控制，是一種主要應(yīng)用于異步交流電機(jī)中的控制系統(tǒng)。