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自1917年以来，中国的电机生产已有百年历史。目前，得益于完整的电机行业体系，我国已成为世界电机制造强国，尤其是中小型电机的生产制造基地。按照供电方式，电机可分为直流电机和交流电机两大类。直流电机具有调速性能好、起动转矩大等优点，自20世纪60年代诞生以来发展迅速，在各类调速领域广泛应用。但直流电机采用机械换向装置，导致直流电机控制系统存在以下问题：
1）换向片和电刷之间产生的换向火花，造成了直流电机换向装置的电腐蚀，危害了周围用电设备，也限制了直流电机控制系统在易燃、易爆和多粉尘或多腐蚀性气体场合的应用；
2）换向片和电刷之间滑动接触所造成的电弧磨损和机械磨损，导致直流电机工作寿命缩短、故障增多、维护工作量增大；
3）为使直流电机机械换向装置能够可靠工作，一般需增大机械换向装置外径，这增大了直流电机体积和转动惯量，降低了响应速度；
4）机械换向装置的换向电压、换向电流及换向片和电刷之间滑动接触速度存在极限容许值，这限制了直流电机在大容量和高转速等调速领域的应用。
机械换向装置的存在，限制了直流电机控制系统的进一步发展。多年来，研究者尝试寻求以交流电机控制系统取代直流电机控制系统，以满足高性能、大容量、高转速和高可靠控制应用需求。随着交流电机设计技术、电力电子技术、计算机技术和信号检测与调理技术的快速发展，交流电机控制系统存在的控制复杂、调速性能差等问题取得了重大突破。交流电机控制性能日益提高，系统成本逐渐降低，交流电机控制系统逐渐取代直流电机控制系统已成定局。交流电机控制系统主要由交流电机、功率变换装置、控制器和信号检测与调理等单元组成，结构如图1-1所示，以下分别介绍各组成单元。
图1-1 交流电机控制系统
交流电机作为交流电机控制系统中的核心部件，主要包括异步电机和同步电机。异步电机和同步电机的区别在于转子是否直接产生磁场：异步电机是在电枢绕组接入三相交流电源后产生旋转磁场，该电枢磁场在笼型转子或绕线转子中产生感应电流，感应电流在电枢磁场作用下产生磁力作用牵引或推动转子旋转；同步电机是电枢绕组和转子均产生旋转磁场，电枢磁场牵引或推动转子旋转，并且电枢磁场和转子磁场的旋转速度保持一致。
1.异步电机
异步电机的转速与电源频率没有严格的固定关系，而是随负载的变化而变化，但转速范围变化不大。异步电机的定子和转子没有电的联系，能量的传递是通过电磁感应实现。根据转子结构，异步电机分为笼型转子异步电机和绕线转子异步电机两类。笼型转子异步电机和绕线转子异步电机定子结构类似，均由定子铁心和电枢绕组等部分构成，区别在于转子结构。笼型转子异步电机的笼（俗称鼠笼）由铜条（铝条）与铜端环（铝端环）焊接而成，为增大磁导率，笼一般嵌装在转子铁心内，一种铜制笼型转子如图1-2a所示。绕线转子异步电机的转子铁心槽内嵌放着转子绕组，该转子绕组出线端通过集电环和电刷与外电路连通，一种绕线转子如图1-2b所示。相对于绕线转子异步电机，笼型转子异步电机结构简单，成本低，应用较为广泛。
图1-2 异步电机转子结构
异步电机具有结构简单、成本低、可靠性高、维护工作量低、容易实现弱磁调速等优点，而且控制技术较为成熟。但异步电机转子散热困难，转子电阻受温度影响较大。此外，异步电机转子无励磁源，需从定子侧吸取无功功率产生旋转磁场，故异步电机功率因数低，励磁损耗大，运行效率低。
2.同步电机
同步电机的转速与电源频率关系固定，通过控制电源频率，可实现转速的准确控制。同步电机结构型式多样，按转子结构型式，分为隐极型和凸极型；按励磁方式，分为电励磁型和永磁励磁型。电励磁同步电机能够工作于超前功率因数状态，可补偿感性负载的滞后功率因数，比异步电机具有更好的节能效果。但电励磁同步电机的转子在电枢磁场的作用下平均转矩为零，即同步电机无法自行起动。因此，在交流电机调速控制系统发展初期，很少采用电励磁同步电机。
随着高性能永磁材料、先进电机设计加工技术、电力电子技术、现代控制理论和高精度传感器的发展，同步电机的起动和调速性能不断提高，其在调速领域的应用日益广泛。目前，在交流电机控制系统中常用的同步电机主要为永磁交流电机。相较于电励磁同步电机，永磁交流电机采用永磁励磁，无需从电网吸取无功电流建立气隙磁场，无励磁损耗，电机效率可提高4%~8%。同时，永磁交流电机可实现高功率/转矩密度、优良的动态性能、良好的低速性能和更小的体积。此外，在同样输出功率下，永磁交流电机所需逆变器容量更小，可显著地降低系统的总成本。
永磁交流电机主要包括永磁同步电机和无刷直流电机，如图1-3所示。永磁同步电机和无刷直流电机具有相似的定子和转子结构，即永磁体都安装在转子侧，省掉了励磁绕组；通过功率开关器件实现了电枢绕组的电流换相，省掉了直流电机中的机械换向装置，提高了电机运行可靠性。永磁同步电机和无刷直流电机的运行原理不同，在控制方法、转矩产生和位置信号检测等方面差异较大。永磁同步电机的气隙磁密按正弦波波形分布，而无刷直流电机的气隙磁密按梯形波波形分布，这导致了两种交流电机的电流控制方式存在不同，前者采用正弦波电流控制，后者采用方波电流控制。永磁同步电机的反电动势近似为正弦波，在三相电枢绕组中注入正弦电流，便可获得稳定电磁转矩输出。无刷直流电机电枢绕组中的电流为非理想方波，气隙磁场的极弧宽度也小于180°电角度，输出电磁转矩存在较大波动，不适合在高精度交流电机控制系统中应用。永磁同步电机需要连续位置信号实现高性能控制，一般采用光电编码器、旋转变压器等高分辨率的转子位置传感器，导致了永磁同步电机控制系统的成本偏高。无刷直流电机一般采用两相导通控制模式，每次换相间隔为60°电角度，只需间隔60°电角度的离散位置信号，三个低成本的霍尔位置传感器即可满足其位置检测要求。
图1-3 永磁交流电机
近年来，随着新材料、新工艺和新设计工具的出现，同步电机结构不断推陈出新，相继开发了多相永磁同步电机、开关磁阻电机、轴向磁场永磁同步电机及定子永磁型同步电机等。
（1）多相永磁同步电机
功率开关器件的性能和制造工艺限制了三相电机系统的供电水平，一般通过将多个功率开关器件串并联以达到大功率应用场合要求，但功率开关器件存在控制复杂和难以均压和均流问题。采用多相永磁同步电机系统替代三相永磁同步电机系统，不仅降低了平均相电压，也降低了功率开关器件的功率等级，相对地增加了系统容量，有利于大功率输出。同时，多相永磁同步电机系统在发生一相或多相开路故障时，中性点不需要与变频器相连，结合故障前后定子总磁动势不变原理，重新整定相电流大小和相位，适当减少输出功率后可以由非故障相实现电机的断相运行，提升了系统的可靠性。
（2）轴向磁场永磁同步电机
轴向磁场永磁同步电机也被称为盘式永磁同步电机，其气隙为平面型的，气隙磁场呈轴向分布。与径向磁场永磁同步电机相比，轴向磁场永磁同步电机磁力线所在平面与转轴平行，具有高径长比、高转矩密度及高运行效率的特点，尤其适用于电动汽车、飞轮储能、风力发电、船舶推进等转矩密度和结构紧凑度要求较高的应用场景。轴向磁场永磁同步电机结构多样，按照定转子数目可分为四类：单定子/单转子，单定子/双转子，双定子/单转子和多定子/多转子，如图1-4所示。单定子/单转子电机外观简单，容易制造。单定子/双转子电机采用双边永磁体结构，可以充分利用永磁体材料，相同体积下能够产生更大的转矩，有利于提高电机的性能。双定子/单转子电机构造较为复杂，但由于一个转子同时被两个定子共用，可减少永磁体的使用，降低损耗，另外，定子安置在转子两边，便于散热。多定子/多转子电机可进一步提高转矩密度，但加工复杂，装配困难。
图1-4 轴向磁场永磁同步电机结构
（3）定子永磁型同步电机
为克服高速运转时的离心力，传统永磁交流电机通常对转子采取加固措施，如安装由非金属纤维材料或不锈钢制成的套筒，不仅导致转子结构复杂，制造成本高，而且增大了等效气隙，降低了电机性能。同时，永磁体安放在转子上，散热困难，引起的温升会导致永磁体发生不可逆退磁，限制电机出力，减小功率密度。为克服传统永磁交流电机的缺点，近年出现了将永磁体安装于定子侧的定子永磁型同步电机，受到了日益广泛的关注。定子永磁型同步电机主要有磁通反向永磁电机和磁通切换永磁电机两类类，如图1-5所示。每一类型电机在结构上又有很多变化，它们既有共性，又有个体差异性。
如图1-5a所示，磁通反向永磁电机是一种将永磁体安装在定子齿表面的定子永磁型无刷电机，通过在每个定子齿面上安装两块磁化方向相反的永磁体，当转子与定子齿对齐时，根据磁阻最小原理，极性相反的永磁磁通会穿过定子侧的绕组，从而在电枢绕组中匝链极性和数值都随转子位置变化的永磁磁通。磁通反向永磁电机的电枢绕组磁链呈现双极性。在磁通反向永磁电机中，可通过转子斜槽来获得正弦感应电动势。由于永磁体位于定子齿表面，电枢绕组具有较强的相间隔离作用，提高了磁通反向永磁电机的容错能力，减小了电枢电感的变化范围。但磁通反向永磁电机中相邻永磁体之间的漏磁较为严重，永磁体涡流损耗较大，并且功率因数也较低，这些因素在一定程度上限制了该类电机的发展。
如图1-5b所示，磁通切换永磁电机的绕组采用集中绕组，永磁体上端嵌在定子铁心里，与定子外空气不直接接触，转子为凸极结构。当转子齿与同一相线圈下分属于不同定子单元的定子齿对齐时，绕组里匝链的永磁磁通极性会改变，实现了所谓“磁通切换”。因此，随转子位置变化，磁通切换永磁电机电枢绕组中会匝链交变的永磁磁通。磁通切换永磁电机本身具有绕组一致性和绕组互补性，即组成一相的各线圈感应电动势谐波相位互补，使得合成相感应电动势正弦度显著高于单个线圈感应电动势正弦度。经过转子齿宽优化设计后，采用直槽转子和集中绕组的磁通切换永磁电机可获得高度正弦的永磁磁链和空载感应电动势。此外，磁通切换永磁电机的定子单元完全独立，非常适合模块化制造。
图1-5 定子永磁型同步电机
3.开关磁阻电机
开关磁阻电机的定子、转子均为双凸极结构，转子无绕组和永磁体，结构简单、坚固，特别适用于高速及高温等应用场合。开关磁阻电机的绕组与功率开关器件串联，同一桥臂上下两个功率开关器件不会同时导通。电机的各相绕组独立分布，一相出现故障不会危及整个控制系统的运行，但影响系统电磁转矩性能。开关磁阻电机的控制参数多，使用不同参数组合可实现多种模式控制，满足航空航天、风力发电和电动汽车等应用场合高可靠性的应用需求。开关磁阻电机存在功率/转矩密度低的不足，而且凸极定转子结构导致电机输出较大的转矩脉动，产生了振动和噪声。
对于交流电机控制系统，其功率变换装置性能提升离不开电力电子器件和电能变换技术的发展。迄今为止，电力电子器件经历了不控器件、半控器件、自关断能力器件和复合型场控器件以及集成功率模块等发展历程。交流电机控制系统常用的功率变换拓扑包括交-交变换器和交-直-交变换器两种，通过采用先进脉宽调制技术，可实现交流电机高性能控制。
1.电力电子器件
目前，已问世的电力电子器件分类如图1-6所示，主要包括不控器件，如二极管（Diode），半控器件，如晶闸管（Thyristor），自关断能力器件，如功率晶体管（Giant Transistor，GTR）、门极关断晶闸管（Gate Turn-Off Thyristor，GTO），复合型场控器件，如功率场效应晶体管（Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）和绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor，IGBT）以及集成功率模块（Integrated Power Module，IPM）。
图1-6 电力电子器件类别
二极管作为应用最为广泛的电力电子器件，可构成不控整流电路，为功率变换装置提供直流供电电压，也可与功率开关器件反并联，为功率变换装置提供续流回路。晶闸管具有高电压、大电流等特性，在高压直流输电和大容量无功补偿器中有一定的应用。但晶闸管的关断条件受限于输入电压及负荷换流状态，只能在较低的开关频率范围内使用。GTR和GTO属于电流控制型电力电子器件，存在控制电路复杂和工作频率较低等问题。MOSFET和IGBT为电压控制型电力电子器件，采用电压信号来控制器件的开通和关断，具有控制方便、控制功率小和工作频率高等特点。作为高性能的全控型功率开关器件，电压型控制器件在开关速度和可靠性方面都有很大程度上的提高，具有较好的综合性能，在功率变换装置中应用广泛。IPM不但能实现功率输出，还含有驱动电路、保护电路，具有过电流、短路、负压、过电压保护等功能。用户只需提供信号给IPM，就可实现复杂的外围电路功能。
目前，具有更高功率等级、更高耐温和更高频率的新型电力电子器件，如碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等宽禁带器件还有待于进一步的开发和应用考验。
2.电能变换技术
电力电子器件是交流电机控制系统功率变换装置的核心，其在一定程度上决定了功率变换装置的发展方向。目前，交流电机控制系统常用的功率变换装置包括交-交变换器和交-直-交变换器，如图1-7所示。
图1-7 功率变换装置
交-交变换器存在输出频率低、网侧谐波成分较大等缺点，在交流电机控制系统应用中，多被控制性能更优的交-直-交变换器取代。交-直-交变换器是交流电机控制系统的主流电路，常用的交-直-交变换器分为大电感平波电流源型和电容储能电压源型两类变换器。
电力电子器件性能的不断提升使得功率变换装置不断革新，推出了多种多电平变换电路拓扑、零电流零电压功率开关谐振电路以及清洁电能变换拓扑，不断推进了交流电机控制系统的发展。一种二极管钳位型三电平变换电路如图1-8所示。
图1-8 二极管钳位型三电平变换电路
其由两个容值相等的储能电容C 1 和C 2 、12个功率开关器件及6个钳位二极管组成。两个储能电容的中点为多电平变换电路的中性点，当功率开关器件VT 11 和VT 12 同时导通时，每相输出电压为 U dc /2；当功率开关器件VT 41 和VT 42 同时导通时，每相输出电压为 -U dc /2；当功率开关器件VT 12 和VT 41 同时导通时，每相输出电压为0。该电路每相输出电压有 U dc /2、0和 -U dc /2三个状态，也被称为三电平变换电路。多电平变换电路拓扑通过将低压、小电流的功率开关器件串联或并联，实现功率变换装置高电压和大电流输出，而且具有多个电平的输出，谐波含量较小，非常适合在中大容量交流电机控制领域应用。
随着功率开关器件的功率等级越来越高，功率开关器件承受的电压应力和电流应力都比较大，而且在高频交流电机控制系统中，功率开关器件开关损耗在系统总损耗中的占比较大，造成系统运行效率降低。同时，过高的d u /d t 、d i /d t 还会造成严重的电磁干扰。
20世纪80年代，研究者提出了“软开关（Soft Switching）”的概念，发展至今已相当成熟。一种二极管钳位型三电平变换器的软开关电路如图1-9所示，该软开关电路的一个桥臂具有两对功率开关器件，需要两组吸收单元与直流母线正负端相连。两组吸收单元均有吸收电感、吸收电容、能量回馈电感和若干二极管构成，其中L s1 、C s1 及VD s11 、VD s12 构成无源吸收电路，VD r1 和L r1 串联构成能量回馈支路，上述电子器件构成了第一个吸收单元；L s2 、C s2 及VD s21 、VD s22 构成无源吸收电路，VD r2 和L r2 串联构成能量回馈支路，上述电子器件构成了第二个吸收单元。两个吸收单元的中点连接到两个容值相等的储能电容的中点，以适应功率开关器件的换流。两组吸收单元的自举电容C b1 和C b2 的作用是构造一个电压源。应用于交流电机控制系统中的软开关技术可显著降低功率开关器件的开关损耗，提高系统运行效率，而且还减小了功率变换装置的电磁干扰。
图1-9 一种二极管钳位型三电平变换器的软开关电路
二极管不控整流电路具有结构简单、可靠性高等优点，在交-直-交变换器整流环节中应用广泛。但该整流电路导致电网侧电流发生畸变，造成电网的“污染”。研究者以复合型场控器件替代不控器件二极管，并采用PWM技术控制电网侧电流，实现了交-直-交变换器单位功率因数运行。PWM整流电路可实现能量的双向流动，是一种真正的“绿色电能变换”。图1-10所示为一种常用的三相电压源型PWM整流电路，由六个功率开关器件组成三相桥臂，交流侧采用无中线的三相对称连接方式。该可控整流电路只需六个功率开关器件，成本较低，控制策略灵活，适合于电网三相平衡系统。
图1-10 三相电压源型PWM整流电路
PWM整流电路具有能量双向流动的特点，非常适合应用于四象限运行的交流电机控制系统。PWM整流电路不仅可使交流电机制动时向电网反馈能量，实现能量回收，还能使直流侧获得稳定直流电压。同时PWM整流电路采用适当的控制策略，可减小直流侧电容容值，提高系统可靠性，降低系统成本。
微处理器和自动控制理论等计算机技术的发展，有力促进了交流电机控制技术的发展。早期电机控制技术采用的是模拟微处理器，不仅体积大、可靠性低，而且抗干扰能力差，不能满足高性能交流电机调速控制的需要。随着微电子集成技术和精简指令集的不断进步，具有快速性、高精度和可靠性等特征的数字微处理器取得了飞速发展。现有应用于交流电机领域中常用的微处理器包括不同系列的单片机、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）和现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）。单片机、DSP和FPGA在交流电机控制系统中的应用，简化了系统结构，显著提高了交流电机调速控制的可靠性、灵活性和动态性能。
数字微处理器的应用，不仅使控制系统具有高精度、高可靠性等特性，还为新型自动控制理论的应用提供了基础。交流电机矢量控制技术依赖于电机的数学模型和电磁参数，而电磁参数在电机运行过程中随外部环境发生变化，这将影响交流电机矢量控制效果。通过采用滑模变结构控制、模糊控制、神经网络和遗传算法等先进自动控制理论技术，能使交流电机调速系统在数学模型或者电磁参数变化时保持良好的控制性能。自适应控制通过交流电机的参考模型和可调模型，采用参数辨识算法自适应率辨识电机电磁参数，使交流电机的可调参数模型待辨识电磁参数趋近于参考模型中的电磁参数，以期改善系统在控制对象和运行条件发生变化时的控制性能。滑模变结构控制通过调整反馈控制系统结构，使其状态向量在开关面的领域内滑动。滑模变结构控制的动态品质由开关函数决定，与控制系统参数和扰动无关，鲁棒控制性强，已经应用于交流电机控制系统中，但该控制技术本质是一种开关控制，存在抖动问题。
此外，卡尔曼滤波、最小二乘法和龙贝格观测器等参数辨识技术参与到交流电机控制中，可降低交流电机电磁参数变化对电机控制性能的影响。
交流电机控制系统需要检测多个变量，如电机绕组电流或电压、直流母线电压或电流、转子位置和速度，以实现高性能控制和故障保护。从简单的调压调速控制到复杂的伺服控制，交流电机控制系统涵盖不同功率等级和不同级别检测及反馈单元。对于泵、风扇和压缩机等简单的控制系统，无需精密反馈。对于机器人、机床和贴片机器等复杂的伺服控制，不仅需要精确反馈，还需高速模数转换和通信接口。
目前，应用于交流电机控制系统的电流检测法主要有分流电阻法、霍尔效应电流传感器法和电流互感器法。分流电阻法在检测电流时存在损耗，但分流电阻法的输出线性度高，成本低，适用于交流和直流测量。霍尔效应电流传感器法和电流互感器法具有固有的隔离作用，适用于电流等级较高的交流电机控制系统。相较于分流电阻法，霍尔效应电流传感器法和电流互感器法的精度对温度敏感，而且成本偏高。电压检测法分为分压电阻法、霍尔效应电压传感器法和电压互感器法，其检测特征与电流检测方法类似，在此不再赘述。
为提高交流电机运行稳定性，一般采用位置传感器检测转子位置。常用的位置传感器为旋转编码器，根据工作原理，可分为磁性编码器和光学编码器，根据输出信号，可分为绝对值编码器和增量式编码器。绝对值编码器直接测量转子的绝对位置。增量式编码器在编码盘上均匀地刻制一定数量的光栅，在光线照射作用下，接收装置输出端得到频率与转速成正比的方波脉冲序列，基于此可以计算出转子位置。基于增量式编码器进行测速的方法有M法、T法和M/T法，其中M法适用于高转速工况，T法适用于低转速工况，而M/T法适合于全速域内测速。
基于传感器检测的机电信号经过信号调理，转化为可用于控制器运算的数字量。信号调理主要实现如下功能：①安全隔离以防电击，或功能隔离以便在非致命电压之间进行电平转换；②偏移补偿和电平转换，以匹配模数转换输入范围；③保证数据的完整性并消除噪声。