电机驱动技术的发展现状与前景展望
H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y
课程学术报告
课程名称：电机与电器学科最新发展动态
设计题目：电机驱动技术的发展现状及前
景展望
姓名：王胤燊
学号： 11S006014 指导教师：梁维燕院士邹继斌教授
贵杰教授翟国富教授
时间： 2012.7.10
工业大学
电机驱动技术的发展现状及前景展望
王胤燊
（工业大学电气工程系， 150001）
摘要：一个多世纪以前电动机的发明使其成为工业革命以后的主要驱动力之一。它在各种机械运动中的广泛应用使生活变得简单并最终推动了人类的进步。逆变器的出现推动了交流电机速度和转矩控制的发展，这使得电机在仅仅30年就应用到了不可思议的领域。功率半导体元件和数字控制技术的进步使得电机驱动具有了鲁棒性并且能够实现高精度的位置和速度控制。交流驱动技术的应用也带来了能源节约和系统效率的提高。这篇文章回顾了交流电机逆变技术的发展和应用中所起的作用，并介绍了电机驱动技术的发展前景。未来更有效更强劲的电机驱动技术的发展对于实现不污染电网系统和提高生产力这样的节能环保型驱动很重要。
PRESENT STATE AND A FUTURISTIC VISION OF MOTOR
DRIVE TECHNOLOGY
WANG Yinshen,
(Dept of Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001,
China)
Abstract： One of the main driving force behind the industrial revolution was the invention of the electric motor more than a century ago. Its widespread use for all kinds of mechanical motion has made life simple and has ultimately aided the advancement of human kind. The advent of the inverter that facilitated speed and torque control of AC motors has propelled the use of electric motor to new realms that was inconceivable just a mere 30years ago. Advances in power semiconductors along with digital controls have enabled realization of motor drives that are robust and can control position and speed to a high degree of precision. Use of AC motor drives has also resulted in energy savings and improved system efficiency. This paper introduces some futuristic vision for the motor drive technology. The development of more efficient, more powerful electric motor drives to power the demands of the future is important for achieving energy savings, environmentally harmonious drives that do not pollute the electrical power system, and improving productivity.
1引言
电机本体及其控制技术在近几年取得相当大的进步。这要归功于半导体技术的空前发展带来的电力电子学领域的显著进步。电机驱动产业发展的利处已经触及各种各样的设备，从大型工业设备像钢铁制造厂、造纸厂的轧钢机等，到机床和半导体制造机
中使用的机电一体化设备。交流电机控制器包括异步电机控制器和永磁电机控制器，这两者在电机驱动业的全过程中起着关键性作用。图1所示为电流逆变器（异步电机控制器）和交流伺服驱动器（永磁交流电机及其控制器）。图1所示的控制器使用了此行业技术所能提供的最新的功率半导体器件并采用了矢量控制方法中最先进的电机驱动控制算法。目前这样的控制器在各工业商业场合中无所不在。由于交流驱动技术的应用变得更广泛，就很难忽略一个事实：被机电系统能量转换设备消耗的电能中电机消耗大部分，超过整个行业电能产出的70% .
在现定的这种情况下，未来的家用电器设备将很快采用电机驱动技术，像洗衣机以及一些高压交流电设备中。
图1电流逆变器
因此把研发重点集中在更高效率、更小尺寸、使用更少原材料、对环境更无害、平均无故障时间间隔长、易回收的产品上是很重要的。安川公司想成为这一领域的一份子。
在电机驱动行业中应用的理念、想法和设备很适用于从代用能源如太阳能和风能中获取能量。因此，电力电子学在这些设备中起着重要作用并不惊奇。电机驱动行业在解决未来的能源危机中将成为主力军，同时也将对环境保护贡献卓著。
2交流电机驱动
现在的工业中把交流电机驱动分为明显不同的两类：异步电机驱动和永磁交流电机驱动。两者基本区别在于性能和成本上。异步电机仍然是现在工业的主要设备。采用异步电机的一般不需要十分精确地位置和速度控制。这样的设备众所周知的代表性应用为“通用交流电机”。然而，生产半导体器件的产业和其他较复杂的产业需要较高的精度和受控动作。永磁电机成为满足上述条件的首选，由于它们尺寸更小，效率更高，惯性更低，并因此具有更好的可控性。这样的电机被归类为伺服电机并且被永磁交流电机驱动器控制，一般要比与其配对的异步电机要贵。
2.1通用交流电机驱动器—V/f 控
制
通用交流电机驱动器的电源柜与永磁交流电机驱动器很相似。这两种驱动器都被称为电压源型逆变器，一个即将明确的术语。由于电拓扑包含一个大直流总线电容作为滤波器，并且由于它的电压被调制成各种幅值各种频率的电压之后输送给交流电机，这样的逆变拓扑结构被称为电压源型逆变器并称为现在交流电机驱动器不可分割的一部分。图2所示为一目前交流电机驱动器的典型原理图。
图2交流电机驱动器
通用交流电机驱动器一般为异步电机提供恒定磁通。因为电机的磁通是施加给电机的电压与频率的比值，利用这个比值不变来实现恒磁通操作。电机电流随负载几乎成线性增长。传送带和其他摩擦负荷需要这样的配置文件。
对于离心负载像风扇和泵，电机中的磁通可以被改成按照平方函数变化。通过这样处理，电机消耗的能量变成速度的立方函数，这可以节省很多能量。尽管V/f的比值用这些措施保持恒定，和恒速度相比还是可以节省很多能量，在速度保持恒定的情况下相当大的能量损失在阀门或阻尼控制上。由于负载的转矩特性具有平方的形式，所以在较低速度围降低电压来进一步提高效率是可能的。由此而带来的效率提升极其显著以至于2000年京都议定书成员国们同意把风扇和泵由以往的生产线直接控制操作改为通过交流电机驱动器来操作以节约能源和减少工厂的整体碳排放量。不仅对那些国家甚至对全人类来说把固定速度的风扇和泵转变为可变速率都是非常重要和有意义的。
2.2高性能交流电机驱动器—矢量
控制
尽管大部分工业设备需要并不复杂的V/f控制，但仍然有相当一部分设备需要更高的性能。这样的设备包括机床主轴驱动器，造纸机，拉丝机和钢铁工业中的夹送辊，电梯，石油勘探顶部驱动器，印刷机，轧钢机和其他需要低速大转矩的设备。这样的性能在过去可以用直流电机来实现，而现在逐步被矢量控制的交流电机所取代。矢量控制这一术语在技术上是指产生转矩的输入电流被控制为与异步电机中的磁场正交以产生最佳转矩。基于这样的方向控制被称为场定向控制。和直流电机相似，现在交流电机也能够独立控制磁通量和电机转矩来实现高性能。场定向控制的基本思想是把输入三相时变电流转变成电机中两相时变的成分：α和β成分。这些α和β成分之后被转化成和电机气隙磁场同步旋转的两轴（d轴和q 轴）因而使其与交流电机的旋转磁场相对静止（图3(a)）。通过保持d轴和q轴的正交关系及控制q轴成分，即使在停止条件下也可以产生最佳转矩。电机电流从三相到d-q轴的转变需要转子的瞬时位置和速度，这是由安装在交流电机轴上的脉冲编码器来实现的。在直接场定向控制中，交流电机中气隙磁场的位置和大小来源于电机输入电压和电流的测量。把被测磁通和一稳定的参考磁通比较，然后将其接入调节器来调节q-轴磁通为零以实现两正交轴之间的完全去耦。被测磁通的d-轴分量也被用于计算电机产生的电磁转矩，再将此转矩与参考转矩比较。然后转矩调节器控制转矩产生电流成分来实现期望速度下的期望转
矩。来自于编码器的角度信息被直接用于执行从三相到两轴的转变，反之亦然。
间接场定向控制的控制原理和直接场定向控制十分不同。在间接场定向控制情况下，气隙磁场并不是明确计算出来的。感应电机转差率是在测量电流参数的基础上计算出来的。所得的转差率被用于计算偏离角，此偏离角又被加到来自编码器的转角信息以获得气隙磁场的正确位置。这个新估计出来的角度用于转变过程这样d-轴电机电流和气隙磁场完全一致，可以实现高性能转矩控制即使是在停止的条件下。显然和直接场定向控制相比是一个重大的优势。然而，电机转
差率和偏离角的计算需要有关转子参数的信息，而这些参数对温度和其他操作条件十分敏感。在较高容量的电机中这一敏感性更加明显。在较高速的情况下，间接场定向控制方法中供微处理器计算转差率和偏离角用的编码器分辨率和计算时间是主要的限制因素。这种局限在直接场定向控制方法中和同时采用这两种类型的控制方法中是不存在的—停止和低速围下间接场定向控制和高速围直接场定向控制是一种经典的现代控制方法，鉴于现在的微处理器具有足够的鲁棒性来进行两种方法的计算并且可以根据基于电机速度的可设置的状态标志位来决定从一种算法转到另一种算法。图3所示为两种类型控制的典型控制原理图和坐标变换的概念。2.3高性能交流电机驱动器—测器
控制
在上述讨论的控制方案中及图3所示，编码器反馈构成不可或缺的一部分。不幸的是，在很多工业应用中，害怕任何一根传载编码器信号的信号线中断或者编码器本身可能由于电机所处的高温和潮湿等恶劣环境而无法操作。
在其他情况下，轴上编码器的安装可能会花销很大，而用户可能无法承担，在任何一种情况下，都有必要不使用编码器就由交流电机实现高性能。
上述这种情况导致一种被称作测器控制器的新型控制器的出现。一些驱动器制造商把这种控制器称作“开环控制器”。具有执行实时高密集性计算能力的复杂微处理器的出现使得这个领域的研究非常有趣和具有挑战
性。许多研究人员致力于这一课题并且它也成为一个许多主要电机驱动器制造商的重要研发课题。目前有两种日趋流行的方法。他们是：a.通过给电机注入高频信号来显示由定子结构中的齿和槽所决定的特性，这样电机本体就被用作传感器。b.基于机器模型的流量观测器随电机温度的改变更新数据。在后一种情况下，无法进行零输入频率操作，然而能确定转子位置的凸极电机的开发已经被证实能够控制零输入频率。
实际上，零轴转速胜任很多像拉丝机和顶部驱动器等高性能的应用场合，这些场合下当需要改变钻头的时候，钻头要被夹紧和放松。因此，用于直接转矩控制驱动器的流量观测器更加胜任这些场合。如果所使用的部微处理器足够快能满足流量观测器的计算要求，其他采用标准PWM技术的流量观测器也可以胜任。很多研究人员已经着手此领域的工作，而且很多电机驱动器制造商提供了高级测器算法。
3电力拓扑学取得的进步
半导体技术的突飞猛进促进了更高开关频率的基于电压源逆变器（现在交流电机驱动器的主力军）的PWM 技术的出现。开关频率在10-kHz 到15-kHz的载体十分普遍。这十分有助于提高电压，电流，和转矩的可控性。同时有助于减少噪声。然而，高速切换的IGBT会增加高频泄漏电流，轴承电流和转轴电压。但这更加剧了电压反射问题带来的电机终端高压，尤其是当电机与驱动器之间的距离在20m 以上时。电力电子和交流电机驱动器领域的研究人员和工程师发现这个问题已经很久了，并且为此开发了很多工具，将这些工具放在电机与驱动器之间以解决类似的应用问题。
3.1三级中性点钳位逆变器
和在电机与驱动器间添加器件相比通过改变电力拓扑结构来较少上述问题是更明智的处理方法。安川公司是第一个提出在通用低压设备中采用三级驱动结构的驱动器制造商。安川公司所属的三级驱动器拓扑结构被称为三级中性点钳位逆变器。
三级中性点钳位逆变器是1980年由 A. Nabae, I. Takahashi 和H. Akagi
首先提出并于1981年发表。在这个电路结构中，施加到开关设备上的电压是传统的两级逆变器（图2）的一半。由于这一特性，它被应用于中高压驱动器中。早期在欧洲和日本被应用于钢铁行业和铁路牵引机等领域。
除了处理高压的能力，NPC（中性点钳位）逆变器还有许多优点；较低的线电压和共模电压，一个载波周期更频繁的电压阶跃，相同载波频率下输出电流中脉动成分更低。这些优点以及之前所说的施加到电机线圈和轴承上的电压较低，对相邻的设备噪声影响更小，使得其与传统的两级电机驱动器相比具有明显的优势。加上先进的PWM控制方案，使得采用双观测器方法来提高动态性能成为可能。
为了发挥上述优越特性，把通用脉宽调制NPC逆变器应用于低压驱动器