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本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目：电机控制系统研究
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层 次： 专科起点本科
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完成日期： 2021 年9月 9日
电机在电气传动和位置伺服系统中占有极其重要的位置，电机控制的目标主要是速度控制和位置控制。近年来，随着电力电子技术、微电子技术、材料技术的飞速发展，电机控制的研究成为热点，高性能电机控制系统不断更新。
普通的电机控制系统,往往要求在突然停电恢复供电后能快速启动,最大程度的提高生产效率。我们可以从增大启动电流、改善启动时间常数等角度来考虑对原有的线路进行改造,缩短启动时间,以实现最佳过渡,满足生产的要求。全文通过介绍电机系统的前景和应用，目的就是为今后自动化发展提供一些经验借鉴，更好地达到全面自动化建设。
关键词：电机系统；伺服系统；交流电机；控制
目 录
引 言
电机是与电能的生产、传输和使用有着密切关系的电磁机构。在日常生活中,电机的使用随处可见,比如:在很多场合大量使用各种电动机作为原动机,用以拖动各种机械设备；在军事、信息和各种自动控制系统中,使用大量的控制电机,作为检测!执行和计算等元件；在当今社会中,办公自动化(0A)的概念已日渐深入人心,其中也随处可见电机的身影。
电机运动控制技术以电力半导体变流器件的应用为基础,以电动机为控制对象,以自动控制理论为指导,以电子技术和微处理器控制及计算机辅助设计(CAD)为手段,并且与检测技术和数据通信技术相结合,构成一门具有相对独立性的科学技术，在生产设备和过程自动化中发挥着日益重要的作用[1]。
真正意义上的电机运动控制系统是在20世纪30年代出现的,当时是晶闸管!引燃管,而后是磁放大器、磁饱和电抗器作为静止变流器,形成了新一代电机运动控制系统。随着新型电力电子器件、自动控制理论以及微处理器技术的发展, 电机运动控制系统发生了巨大的变革。到了21世纪的今天,电机运动控制系统的技术水平更是提高到了一个新的高度,无论是应用的广泛程度,还是研究的深入程度都是过去人们想象不到的。目前，国内外电机控制有关研究工作正围绕电机控制策略、计算机辅助技术、电机控制器、电力电子技术、无速度传感器技术等方面展开。
1 电机控制系统介绍
1.1 电机控制系统的基本组成
电机控制系统的基本组成框图如图1.1所示。
图1.1 电机控制系统的组成框图
1.1.1 电动机
电动机是电机运动控制系统的控制对象，主要分为以下三类：
1.直流电动机----结构复杂，制造成本高，电刷和换向器限制了它的转速与容量。优点：易于控制。
2.交流异步电动机----结构简单、制造容易，无需机械换向器，其允许转速与容量均大于直流电动机。
3.同步电动机----转速等于同步转速，具有机械特性硬，在恒频电源供电时调速较为困难，变频器的诞生不仅解决了同步电动机的调速，还解决了其起动和失步问题，有效地促进了同步电动机在运动控制中的应用[2]。
1.1.2 功率放大与变换装置
功率放大与变换装置是电机运动控制系统的执行手段，主要由电力电子器件组成。
电力电子器件的发展历程：
第一代：半控型器件，如SCR，方便地应用于相控整流器(AC→DC)和有源逆变器(DC→AC) ，但用于无源逆变(DC→AC)或直流PWM方式调压（DC→DC）时，必须增加强迫换流回路，使电路结构复杂。
第二代：全控型器件，如GTO、BJT、IGBT、MOSFET等 。此类器件用于无源逆变(DC→AC) 和直流调压（DC→DC）时，无须强迫换流回路，主回路结构简单。另一个特点是可以大大提高开关频率，用脉宽调制（PWM）技术控制功率器件的开通与关断，可大大提高可控电源的质量。
第三代：特点是由单一的器件发展为具有驱动、保护功能的复合功率模块，提高了使用的安全性和可靠性。
1.1.3 控制器
1.模拟控制器：模拟控制器常用运算放大器及相应的电气元件实现，具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点，其控制规律体现在硬件电路和所用的器件上，因而线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响[3]。
2.数字控制器：硬件电路标准化程度高、制作成本低、而且不受器件温度漂移的影响。控制规律体现在软件上，修改起来灵活方便。此外，还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制器无法实现的功能。
1.1.4 传感器
运动控制系统中常用的反馈信号是电压、电流、转速和位置，为了真实可靠地得到这些信号，并实现功率电路（强电）和控制器（弱电）之间的电气隔离，需要相应的传感器。
精度--信号传感器必须有足够高的精度，才能保证控制系统的准确性。
滤波--信号滤波，模拟控制系统常采用模拟器件构成的滤波电路，而计算机数字控制系统往往采用模拟滤波电路和计算机软件数字滤波相结合的方法。
1.2 运动控制系统的转矩控制规律
运动控制系统的基本运动方程式：
（1.1）
其中：——机械转动惯量；
——转子的机械角速度；
——转子的机械转角。
（1）运动控制的目的：控制电动机的转速和转角；
（2）对于直线电动机来说是控制速度和位移；
（3）要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩，使转速变化率按人们期望的规律变化。因此，转矩控制是运动控制的根本问题。
（4）在高性能的运动控制系统中，采用转速闭环控制，用转速偏差来调节系统的动态转矩。
1.3 电机控制系统的分类
电机控制系统的分类见表1.1。
表1.1 电机控制系统的分类
直流电机 | 交流电机 （异步电机、同步电机） | |
速度控制 | 直流调速系统 | 交流调速系统 |
位置控制 | 直流伺服系统 | 交流伺服系统 |
2.1 概述
在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点。
长期以来，直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。直流电动机在额定转速以下运行时，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速；在额定转速以上运行时，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此，20世纪80年代以前，在变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位[4]。
20世纪80年代随着以IGBT为代表的新型电力电子器件的发明及不断完善，及以矢量控制为代表的各种交流调速控制理论的深入发展，加上计算机(单片机、数字信号处理器DSP)控制技术迅速发展的配合，使交流调速系统在性能上开始可以与直流调速系统相媲美。之后，交流调速系统在调速领域中的比重逐步加大，目前已经成为调速系统的主流。在交流调速技术中，变频调速以其优异的调速和启制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式[5]。
2.2 交流电机的调速方式
按照电机学的基本原理，电机的转速满足如下的关系式:
（2.1）
式中：——电动机的转速；
——电动机的电源频率；
——电动机的同步转速；
——转差率；
——极对数。
由式（2.1）可知，若要实现转速的调速，只需调节、和三个变量。根据改变电机的不同参数，有以下三种调速措施：
1.改变电机的转差率
该调节方式有着简单的系统结构，在某些场合得到应用。例如电机的转子串电阻调速和串极调速都属于通过改变电机的转差率来进行调速。
2.改变电机的磁极对数
其应用的广泛程度受到限制，主要原因是调速方式的影响，其采用的是有级调速的方法。
3.改变电机的电源频率
该调节方式应用最为广泛，效率也最高，能够构成高性能的动态交流调速系统，相比较而言是发展前途最大的调节方法。电动机制造完成，转差率和磁极对数就确定了，而转速与频率之间有着线性关系，因此在理论上该调节方式的调速范围可达到 100%。由于这些优点变频调速方法在改造工程中得到广泛采用。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的一种理想的高效率、高性能的调速手段。其作用是通过改变电源频率来改变电机的转速，也就是通常所说的变频调速。
交流电机的调速方式对比见表2.1。
表2.1 交流电机的调速方式比较
调速方式名称 | 控制对象 | 特点 |
变极调速 | 交流异步电动机 | 有级调速，系统简单，最多4段速 |
调压调速 | 无级调速，调速范围窄 电机最大出力能力下降，效率低 系统简单，性能较差 | |
转子串电阻调速 | ||
变频调速 | 交流异步电动机 交流同步电动机 | 真正无级调速，调速范围宽 电机最大出力能力不变，效率高 系统复杂，性能好 可以和直流调速系统相媲美 |
变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）见表2.2。
表2.2 变频调速的优点
序号 | 优点 |
1 | 平滑软启动，降低启动冲击电流，减少变压器占有量，确保电机安全 |
2 | 在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出频率提高工作速度 |
3 | 无级调速，调速精度大大提高 |
4 | 电机正反向无需通过接触器切换 |
5 | 非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制 |
2.3 变频调速系统
在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点。
长期以来，直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。直流电动机在额定转速以下运行时，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速；在额定转速以上运行时，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此，20世纪80年代以前，在变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位[4]。
变频调速系统可分为两大类:
1.交-直-交变频调速
先把电网中的交流电整流成直流电，再通过逆变器逆变为频率可调的交流电。按变频电路最后一级变换器的电源特性又可分为电压型(电容器滤波)和电流型(电感滤波)两种。目前生产的异步电动机变频器几乎都采用电压源型晶体管SPWM交-直-交变频电路，它具有体积小、重量轻，在采用矢量控制时系统性能好的特点，但需考虑回馈制动的问题。随着电力电子技术的发展，目前已有多种把电压源的能量回馈到电网的方案，且已经开始批量上市。因此，回馈制动及四象限运行的问题不久也会得到很好的解决。它是异步电动机交-直-交变频调速的主流[6]。
2.交-交变频调速
把工频交流电直接变换成可变频率的交流电，由于它只有一级功率变换，省去了直流环节，减少了损耗，进一步提高了效率。也因此结构复杂、额定工作频率较低、造价较高。但它能够提供比较逼近正弦的交流电流，可以四象限运行，主要适用于低速大容量的交流调速设备中，变频器的输出功率一般不超过电源频率的1/3，主开关元件采用晶闸管，依靠电源电压自然换流。
