电机控制技术的发展现状与展望

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电机控制技术的发展现状与展望:浅析井下大功率电机绝缘检测与温度控制技术

【摘 要】充分利用预埋在电机定子内部的测温元件和电加热器，为电机提供稳定、精准、可靠的温度保护，对电机实施自动精细管理和精心的呵护养护，对有效延长电机的使用寿命，延长电机的大修周期有积极且重大的意义。本文主要分析了井下大功率电机绝缘检测与温度控制技术。

【关键词】井下大功率电机；绝缘检测；温度控制

井下大功率电机是煤炭生产中最重要的生产设备之一，由于煤矿井下工作环境复杂、恶劣，电机的运行工况下变化较大，各种原因引起电机启停频繁，电机自身温度变化过大，从而引起内部绝缘的相应变化。矿用电机都是由不均质体组成。从电机的构成材料来看，组成材料有多种，各种材料的温度特性、膨胀系数也都不相同。这样，电机温度的骤升或骤降对电机影响很大，突出表现在各种材料间由于膨胀系数不同而出现相对移动，材料间出现间隙、裂缝。随着时间的延长，绕组在定子槽内松动，气隙大到一定程度，绕组将产生振动。我们知道，绕组在电机工作过程中受到电磁力、绕组振动的影响，会加剧气隙的扩大，同时也加剧了电机耐压和绝缘能力的降低，加剧了电机绕组本身密闭绝缘漆的涨裂、磨损，以及磁损增大。最严重的情况是通过电机定子或转子的硅钢片的短接造成线圈两相或三相短路，这种情况的发生将造成定子或转子严重烧熔、变形、报废。所以对井下大功率电机绝缘和温度变化的安全运行研究具有重要的意义，受到许多煤矿企业的重视。

一、对井下大功率电机绝缘检测与温度控制技术研究的必要性

煤矿井下环境恶劣，负荷变动大，工况不稳定，再加上巷道内散热条件差，矿用电机由于长期运行，绝缘强度易下降。由于电机升温时间较短，运转速度较快，耗能也大；且启动过程中的急速升温或停机时的急速降温，由多种材料组成的电机定子不均质体中每种材料的膨胀系数不同，材料间将出现间隙、裂缝和相对移动。导致定子铁心中各种材料间的有机体遭到破坏，铁心内环境遭到破坏，形成随温度变化的局部气隙呼吸现象，导致材料绝缘间出现气隙或空气气囊，导致电机定子绕组绝缘降低，使电机工作过程中磁损耗增加，会加剧气隙的扩大，同时也加剧了电机绕组本身密闭绝缘漆的涨裂、磨损，加剧电机耐压和绝缘能力的降低。最严重的情况是通过电机定子或转子的硅钢片的短接造成线圈两相或三相短路，以致电机不能正常启动和工作，效率降低，甚至造成定子或转子严重变形、烧熔、报废，即浪费电能又缩短电机寿命，给企业造成重大经济损失。

二、电机定子绝缘检测技术

（一）定子槽楔松动的原因

大型电机在长期的运行过程中，由于温度的骤变会产生气囊，定子线棒又受到电磁力的作用会产生振动.由于端部所受电磁振动力的频率是电网频率的两倍，切向、轴向分量较少，以径向为主，为类椭圆形，因此当端部绕组的固有频率接近二倍工频时，尤其当端部绕组振形为椭圆形时，绕组将发生谐振，使气囊变成空洞。长时问处于谐振状态，运行中就可能因振动幅值增大而发生端部绕组和结构件松动、磨损、绝缘损坏，同时由于定子铁心颤动、主绝缘轻微的热胀冷缩等，造成槽楔严重松动，部分脱落，同时槽楔松动脱落加剧线棒的振动，且划伤转子绝缘和定子绝缘，造成定子线棒主绝缘击穿，严重影响发电机的安全运行。

（二）定子槽楔松动的危害

由于定子铁心槽内的线棒是叠绕式的，上、下层各有一根不同相别的线棒，机组在运行过程中，同一槽内的线棒由于电磁力的作用，由于气囊的存在，槽楔松动，则线棒会产生低频电磁振动，线圈在槽内可能会径向串动，磨损主绝缘，可能会造成对地短路。

（三）解决措施

为此，定子线棒嵌入定子槽以后利用槽楔等将其紧固是很重要的一个环节。然而，这种传统的槽部固定方式，由于结构及材质的缺点，不能保证槽部线棒长时间紧固，所以在发电机大修时必须重新打紧松动了的槽楔，松动槽楔的检测和重打紧对保证大型发电机的安全运行有着重要意义。

三、电机温度保护措施

对电机进行温度保护，有两个方向的含义：一方面是电机运行过程中，突然遭遇高电压、低电压、负载突增等情况，这种情况无疑也会导致电机温度骤增，这种情况的温度保护一般体现在电机的继电保护或微护（计算机综合保护）领域。一般采用的方法是对电机温度设一个报警极限值和跳闸保护极限值。

另一方面，电机的温度保护体现在电机停机后，电机在停机后一般采取两种方法：一种是置之不理，电机在停机后不进行停机温度管理，另一种是在停机后，把预埋在电机定子中的电加热器全压投入。

四、结论

采用嵌入式微型计算机为核心控制模块与PWM调制控制装置相结合，实现大功率电机的温度精细控制；项目以先进的模糊控制理论为基础，融合多模块智能监控系统，实现煤矿井下大功率电机定子的绝缘保护与在线检测，为井下大功率电机的正常安全运行提供了技术性保障。主要表现在如下内容：

（一）实现嵌入式微型计算机为核心控制模块与PWM调制控制装置相结合，改善了井下大功率电机绝缘；

（二）实现嵌入式微型计算机为核心控制模块与PWM调制控制装置相结合，达到了对温度变化的无谐波下的精细控制；

（三）采取集散式模糊控制理论，完善了大功率电机的在线温度检测与控制，确保了电机的安全运行；

（四）利用自动检测技术实现大功率电机的启动、停机制动状态检测下，通过温度变化对电机定子绝缘保护，提高了大功率电机安全运行可靠程度，延长了电机寿命和减少维修；

（五）开发的控制装置可以一台装置控制多台电机的温度变化。

电机控制技术的发展现状与展望:超声波电机电学匹配与控制技术研究

【摘要】由于微机电领域中超声波电机得到越来越的关注，其伺服控制技术的研究也越来越广泛。笔者首先对超声波电机进行电学分析。之后分析了超声电机3种控制变量，研究其控制特点及他们与控制目标的关系。指出结合调频调相调幅等多种控制方式，综合多种先进控制策略的优点，实现超声电机的速度、位置、能量转换效率和电机寿命等多目标优化控制，将是超声电机伺服控制的发展方向。之后分析了目前超声电机控制系统常见的三种控制器，指出用DSP为核心的控制器将是其控制系统的首选。

【关键词】超声电机;电学匹配;控制器;控制变量;控制策略

引言

超声电机（ultrasonic motor，USM）是利用压电效应为原理，用特殊材料制作的一种新型微特电机。

它与传统的电机有本质的区别不同，没有磁极和绕组，不依靠电磁相互作用来传递能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将定子的微观变形通过共振放大和定转子间的摩擦耦合转换转子的宏观运动[1]。由于超声电机特殊的工作原理，它具有很多传统电磁电机无法比拟的优越性能，如低速大力矩、响应速度快、保持力矩大和结构简单等优点。超声电机的优点使得它非常适合于非连续运动的伺服控制及直接驱动。

但超声电机是一种强非线性的时变系统，很难得到精确的数学模型，难于实现超声电机的高性能伺服控制[2]。

超声电机在非连续的运动伺服控制领域具有广阔应用前景，吸引了国内外许多学者对超声电机伺服控制技术进行研究，本文对超声电机伺服控制所涉及的控制器、控制变量、控制目标和控制策略等方面的研究进展进行了综述。

1.超声波电机的电学匹配

电学匹配对超声电机具有重要意义，它直接决定超声电机运行的性能，在驱动系统中占有重要的地位。用开关电源输出的方波驱动超声电机时，其所含高次谐波会激发出超声电机的非工作振动模态，必然影响电机的工作状态。

以往常用串联电感滤波，但串联电感与容性的超声电机产生谐振。单纯串联电感虽然能起到很好的滤波效果，但无法调整电机本身谐振峰与串联电感后的谐振峰的重叠区间，可能造成电机上电压过高、过低或者电压随频率变化剧烈，造成超声电机运行不稳定[3]。

超声电机是通过满足一定时间和空间关系的压电陶瓷叠加而成。每一路振动由一组压电陶瓷驱动，以圆形陶瓷压电片为例，其上会被施加两对电压，可以用一个等效电路表达每组压电陶瓷与金属弹性体组成的复合体的等效电学关系，从而转化成两路等效电路。

任意一路振动在谐振频率附近空载时的等效电路是又三个电路并联组成，分别为一个电阻，一个容，和一个电阻电感电容串联而成的电路[4]。

2.控制变量分析

超声电机的控制变量有：电机两相输入电压幅值、频率、相位差。

保持施加在超声电机上UA、UB两相电压频率不变，两相电压相位差固定为90o，改变电压的幅值，可调节超声定子振动的振幅，从而改变电机的速度。利用电机输入电压幅值作为控制变量，调速范围较小，低速时转矩小，甚至不能使电机启动，所以在实际控制中一般不能把电压幅值作为单一的控制变量来实现超声波电机的调速。

保持两相输入电压幅值不变，两相电压的相位差固定为90o，固定两相驱动电压的频率为f=38.5kHz，通过调节两相输入电压的相位差，可以实现电机的正反转，并且能够平稳的停止。两相驱动信号相差90o时，电机的转速最大，此时效率也最高。

要实现超声电机快速而精确控制，其控制变量应由单一的电压幅、频率或相位差控制，向3个控制变量相结合转变。

3.控制器分析

超声电机伺服控制系统通常由控制器、驱动放大电路、超声电机、负载、编码器等组成。控制器是超声电机伺服控制系统的指挥中心，借鉴传统电磁电机控制器并结合超声电机的特点进行选取，主要有：以单片机作为控制器，用通用计算机作为控制器，以DSP作为控制器。

利用单片机作为电机控制器，成本低，可以实现较复杂的控制算法，如曾经有人利用单片机对超声波直线电机的运动位置进行控制。但由于单片机一般采用冯诺依曼总线结构，处理器速度有限，难满足运算量较大的实时信号处理的需要，一些复杂的控制算法在单片机上难以实现[5]。

利用通用计算机的高速度、强大运算能力和方便的编程环境，可实现高性能、高精确度、复杂的控制算法。但这种控制器体积过大，难以应用于工业现场。

这种控制系统实现方法可用于控制软件的仿真研究，或者用作上位机，与下层的实时系统一起构成两级或多级控制系统。利用LABVIEW可以对其控制系统进行仿真，虚拟仪器技术的运用，可以很好的仿真超声波电机电压频率、相位、幅值的控制。

DSP控制器采用哈佛结构，分别采用独立的总线来访问程序和数据存储空间，配合片内硬件乘法器、指令的流水线操作和优化的指令集，可以较好地满足伺服控制系统的实时性要求，实现复杂的控制算法，智能控制策略，其体积也比以通用计算机小得多[6]。另外，许多DSP厂家开发了专门用于电磁电机的控制器，这些DSP控制器集成了高性能的DSP核，大容量的片上存储器和专用的运动控制外设电路。显然DSP的控制方式最为合理。

4.结论与展望

超声电机作为一种新型电机，它具有许多传统电磁电机所没有的优点，同时具有强非线性和时变性，为实现超声电机的高性能伺服控制，首先应该对其等效电路进行分析。除改善超声电机本身的性能，提高效率以外，驱动与伺服控制方面也研究的重点，如控制器及驱动放大电路集成，实现控制系统小型化;多控制变量、多控制目标的实现;采用先进的控制策略，模糊控制、神经网络、鲁棒控制和滑模变结构控制等多种控制策略有效结合等。

电机控制技术的发展现状与展望:交流电机控制技术的发展与展望

【摘要】引言与直流电机相比,交流电动机是多变量,强耦和的非线形系统,要实现良好的转矩控制非常困难。阐述了交流电机控制技术的发展应用及发展方向。

【关键词】 电机控制技术； 交流电动机； 控制问题

前言

20世纪70年代德国工程师F.Blaschke首先提出异步电动机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。1985年，德国的Depenbrock教授提出了异步电动机直接转矩控制方法。近年来，矢量控制和直接转矩控制技术不断发展，且有各自不同的应用领域。随着现代控制理论和电子技术的发展，各种控制方法和器件不断出现。

一、矢量控制技术的现状与展望

1.、矢量控制新技术

磁通的快速控制：在直接磁场定向矢量控制异步电动机变频调速系统中，利用磁链预测值进行磁通快速控制的方法。

参数辨识和调节器自整定：基于模型参考自适应算法的一惯性系统及二惯性系统转动惯量参数的辨识方法。

非线性自抗扰控制器：在异步电动机系统的动态方程中，用自抗扰控制器取代经典PID控制器进行控制。

矩阵式变换器：一种适用于矩阵式变换器驱动异步电动机调速系统的组合控制策略，同时实现了矩阵式变换器的空间矢量调制和异步电动机的直接磁场定向矢量控制。

2、矢量控制技术的发展

矢量采用高速电动机控制专用DSP、嵌入式实时软件操作系统，开发更实用的转子磁场定向方法和精确的磁通观测器，使变频器获得高起动转矩、高过载能力，将是未来矢量控制技术的重要发展方向。无速度传感器的交流异步电动机驱动系统和永磁电动机驱动系统控制也是开发热点之一。永磁电动机驱动系统由于它的高效、高功率因数、高可靠性而得到越来越多的关注。无刷电动机的无位置传感器控制和正弦波电流控制，在应用方面已趋成熟。开关磁阻电动机在许多领域应用也取得了很多进展。

二、直接转矩控制技术的现状与展望

1、直接转矩控制新技术

直接转矩无差拍控制是基于离散化直接转矩控制系统提出来的一种控制方法。无差拍控制可以在一个控制周期内，完全消除定子磁链模值和电磁转矩的动、静态误差，消除由于使用滞环比较器产生的转矩脉动，使电机可以运行在极低速下，扩大了调速范围。

转矩(磁链)跟踪预测控制方法认为磁链模值已经被准确控制或只发生缓慢地变化，没有考虑磁链模值的控制问题。对磁链和转矩都进行了预测跟踪控制，控制效果明显优于单纯的转矩跟踪预测控制。

直接解耦控制(DDe)有两种方法，一种是预测直接解耦控制(P-DDC)，另一种是使用PI调节器的直接解耦控制(PI-DDC)。PI-DDC控制方法具有很好的动、静态特性，能够在很大程度上消除转矩脉动，即使在极低速条件下，转矩脉动也非常小。

PI调节器控制是使用PI调节器输出定子电压矢量的直接转矩控制技术，其中磁链调节器AψR和转矩调节器ATR都使用PI调节器，通过两个PI调节器给出相应定子电压分量，提高控制系统对参数变化的鲁棒性，同时也减少了控制算法的计算量。

间接转矩控制是通过计算相邻控制周期的磁链增量来决定定子电压空间矢量，并且在保证磁链轨迹为圆形的条件下，对电磁转矩进行控制。

2、直接转矩控制的发展方向

随着现代科学技术的不断发展，直接转矩控制技术必将有所突破。一是交流调速向高频化方向发展，进一步提高控制性能，消除脉动，其中空间矢量脉宽调制(SVPWM)和软关断技术又是重点。二是与智能控制相结合，使交流调速系统的性能有一个根本的提高，这是直接转矩控制的未来。

先进控制理论在电机控制中的应用

模糊控制和神经网络控制

模糊控制是根据人工控制规则组织控制规则决策表，采用人类思维中模糊量、控制量，由模糊推理导出。典型应用如：用于电机速度控制的模糊控制器；模糊逻辑在电机模型及参数辨识中的应用；基于模糊逻辑的异步电动机效率优化控制；基于模糊逻辑的智能逆变器等。

神经网络控制是人脑神经系统的某种简化抽象和模拟，由大量的简单的神经元互相连接形成的高度复杂的非线性系网络系统，具有逼近任意非线性函数的功能、高容错性、多输入输出特性，易用于多变量系统的控制。

三、鲁棒控制和自抗扰控制器

鲁棒控制是针对时间域或频率域来说的，一般假设过程动态特性的信息和它的变化范围。算法不需要精确的过程模型，但需要离线辨识。近年来，在多电机协调控制中有重要的应用。

自抗扰控制器利用非线性结构克服经典PID的缺陷，抵消和估计出异步电动机高阶、非线性、强耦合的多变量系统中，同步旋转坐标系中定子电压方程存在的非线性耦合作用，使电机定子电流的转矩分量与励磁分量的相互影响，主要用于异步电动机的非线性控制。

复合控制

也可以将上述几种控制方法组合起来使用，如神经网络与内模复合控制；模糊与变结构控制，在滑模变结构控制系统中用模糊控制取代Bang-Bang控制；滑模、模糊、神经网络的复合控制；自调整模糊滑模变结构控制和自适应模糊神经网路滑模变结构控制等。

电机控制相关技术的发展

电机控制器电路集成化

目前用于电机控制的集成电路可分为三大类：电机控制专用集成电路(ASIC)、专门为电机控制设计的MCU和DSP。电路集成有两个途径，一是将电动机控制器和中等电流功率MOSFET集成在一个芯片上。二是将硬件和程序基础结构放在一个模块里，如数字式智能电机控制模块，它集单片机数字化控制、键盘操作、LED显示电路于一身，通过设定可实现垒压起动、软起动、斜坡起动、阶跃起动，限流起动、限压起动、节能运行并可实现软停车。另外，把微处理器、微控制器和数字信号处理器的能力集中于一块芯片上，能解决大多数工程问题。对于少数需要大量并行处理的电机控制，可以采用专用的控制芯片，如FPGA或ASIC芯片。

电机控制微控制器的应用

MCU侧重于I/O接口的数量和可编程存储器的大小，非常适用于有大量的I/O操作的场合，应用于一些精度要求不高的电机控制系统中。

数字信号处理器(DSP)的应用

DSP芯片内部集成了模／数转换、数字输入／输出、串口通信，电机控制PWM信号输出等接口，因此使得电机控制系统硬件设计更加灵活、简易。DSP的特长在于高速运算，侧重于运算速度，DSP一般用于高档工业电动机控制中，如伺服电动机控制。近年来，随着DSP价格的降低，逐渐用DSP代替MCU实现电动机控制。

未来，具有更高速、方便的周边功能模块的电机专用DSP是电机控制微处理器的方向。直接集成FPGA、CPLD等大规模逻辑器件，将两者的优势相结合，设计混合式CPU/DSP也是发展方向之一。更高效的支持C/C++等高级语言编程，采用更强大的集成调试环境，从硬件上更好地支持实时在线调试，实时操作系统在控制系统软件中的应用是软件方面的发展方向。

四结语

目前，异步电动机矢量控制技术、直接转矩控制技术乃至无传感器的直接转矩控制技术已实用化，人工神经网络、自适应控制状态观测器等方法已得到广泛采用。未来，交流电机控制技术将随控制理论、计算机技术和电子技术的发展，围绕解决异步电动机非解藕性及参数依赖性等问题，致力于新的控制策略、器件及系统的研究。