電機控制范文

導語：如何才能寫好一篇電機控制，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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英文名稱：Electric Machines & Control Application

主管單位：上海市國有資產監督管理委員會

主辦單位：上海電器科學研究所

出版周期：月刊

出版地址：上海市

語

種：中文

開

本：大16開

國際刊號：1673-6540

國內刊號：31-1959/TM

郵發代號：4-199

發行范圍：國內外統一發行

創刊時間：1959

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關鍵詞：電機的啟動和控制；一次回路的端電壓；二次回路的臨界端的控制長度；二次回路的壓降

中圖分類號：TM306 文獻標識碼：A

在電機電路設計的過程中，設計人員通常情況下是依照《工業與民用配電設計手冊》（第三版）來進行設計的，具體的依照在手冊的6-19表中會有體現。在設計電機回路的第一步就是驗算電機的啟動功率是否能夠達到電機的運行中的瞬間啟動功率，如果電機的啟動功率符合我們的設計要求，那我們的設計程序就應繼續往下進行。我們從現場的使用情況反饋了解到，電機在啟動的過程中無法順利進行的原因大致有三種，第一種是在電機驗算的過程中，忽略了電機末端的壓降的驗算，這樣就會使得電機在啟動中無法直接獲得一個必要的啟動轉矩，保證不了電機的正常開啟，而且非常容易形成堵轉電流燒毀電機；第二種是我們在驗算電機的相關參數的時候，沒有進行電機的控制回路方面的長度臨界值的驗算，這樣就會使電機線路上的電容電流吸和電機接觸器，造成了電機的無法正常停泵；第三種是在電機的相關參數的驗算過程中，沒有對于電機的控制線路進行壓降的驗算，這樣就會使電機的接觸器不能夠獲得充足的吸和能量，造成設備的無法正常啟動。

本文針對上述的電機啟動和控制方面的問題進行一下兩個方面的敘述。第一，電機的啟動和電機的控制方面的相關計算。第二，電機出現啟動和控制問題的分析方法及應對辦法。下面來進行詳細的敘述說明。

一、電機的啟動和電機的控制方面的相關計算

本文以一個站場的500kVA的變壓器為例子進行說明。此變壓器的電源就是電力系統的正常電源，側短路電流為100MVA。現在有一臺37kW的電動機在100m的位置處，此電機的電流為69.8A，電機啟動所需要的電流為488.6A，電機的接觸器使用的是型號為CJ20-100的接觸器，電機的線圈的啟動功率為175W，電機的啟動吸持功率為21.5W，電機的接觸器的電阻的阻值按照300Ω來進行考慮。連接電機的控制電纜為KVV22-5004×1.5，連接電機的動力電纜采用的是YJV22-1K4×16。以上數據就是本文的實例電機的基本計算使用的參數。

關于電機的啟動和電機的控制方面的相關計算，本文從以下三個方面進行分析，分別是：第一，一次回路中電機端子的關于壓降方面的計算。第二，二次回路中電機控制長度的臨界值的計算。下面來進行詳細的計算分析。

（1）簡單敘述一次回路中電機端子的關于壓降方面的計算。我們針對37kW的電機的允許啟動電壓進行了手冊6-19查詢，查詢得到的結果是該電機的啟動最大功率在100kW，遠遠大于37kW這個數值，電機是可以進行啟動的。再進行手冊中的6-16表中查詢，得知電機的端子電壓和電機母線的電壓分別是：電機母線的相對電壓值是uqm=0.9852；電機的端子的相對電壓值是uQm=0.644。這一個數值就是比較危險的，因為通常情況下，電機的制造廠商都會嚴格要求電機的端子的相對電壓值uQm≥0.65這個數值，這一數值是基于滿足電機的啟動轉矩的最低值來界定的。0.644顯然不符合0.65這一數值的規定，因此不滿足電機的啟動要求，但是如果我們將電纜的截面進行擴大，選擇截面更大的YJV22-1K4×25電纜來進行連接電機，這樣就會滿足了電機的啟動功率的要求。

（2）簡單敘述二次回路中電機控制長度的臨界值的計算。在物理學中，我們可以了解到兩條相互之間靠近而且還是平行的電線之間會有電容的出現。在線路比較短的時候，產生的電容值是比較小的，在正常情況下，應該是忽略不計的；但是在線路比較長的情況下，我們就不能忽視電容的存在了。兩條電線路中的電容值，我們定義為C1，和電纜的長度為正比例的關系，電纜線路越長，電容C1的值就會越大，這樣就會使得在電容及接觸器的線圈中流過的電流的值變大。一旦電流的值變大值超出了維持接觸器吸和狀態的值時，我們電機的控制就不能使用停止的按鍵來實現電機的停止。這也意味著電纜的線路變長，C1 的電容值會變的更大，讓電機的啟動按鈕處在一種斷開的狀態之下，這時的電機的電流就會讓接觸器進行吸和動作，造成了電機的控制混亂，出現電機失控。

本文的電機的控制電纜的回路電流為220V的電壓進行控制的，接觸器的線圈CJ20-100的功率計算得出為21.5W，電機采用的是三線制的控制模式，我們根據計算得出，電機的二次回路的臨界值為Le=500×21.5/（0.6×2200）=0.36km

二、電機出現啟動和控制問題的分析方法及應對辦法

電機能否實現順利的啟動和控制，最主要的因素就是要讓電機獲得足夠的啟動轉矩。具體的方法就是改變電纜的電阻值，讓電纜的電阻值下降，提高導電率，提高電機端電壓。

（1）增大電機控制電纜的截面積。

（2）電機的接觸器適時的擴大一級。

（3）電機的動力電纜適時的擴大一級。

（4）電機的控制回路使用兩線制的處理。

參考文獻

[1]中國航空工業規劃設計研究院，等.工業與民用配電設計手冊（第3版）[M].北京：中國電力出版社，2005（07）.

[2]王宏英，龔世纓.電機重啟動的控制策略[J].電氣傳動， ISTIC PKU，2013（07）.

[3]鄧先明，張海忠，拾華杰.籠形轉子無刷雙饋電機啟動特性分析[J].電機與控制學報，ISTIC EI PKU，2008（05）.

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在電動車輛中，電機控制器的功能是根據檔位、油門、剎車等指令，將動力電池所存儲的電能轉化為驅動電機所需的電能，來控制電動車輛的啟動運行、進退速度、爬坡力度等行駛狀態，或者將幫助電動車輛剎車，并將部分剎車能量存儲到動力電池中。它是電動車輛的關鍵零部件之一。

CNC可編程步進電機控制器可與步進電機驅動器、步進電機組成一個完善的步進電機控制系統，能控制三臺步進電機分時運行本控制器采用計算機式的編程語言，擁有輸入、輸出、計數等多種指令。具有編程靈活、適應范圍廣等特點，可廣泛應用于各種控制的自動化領域。

（來源：文章屋網 ）

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機電一體化即為將電子技術合理地應用在機構的信息處理功能、主功能、控制功能以及動力功能方面，使得機械裝置能夠與軟件和電子化設計有機結合而組成的一種系統[1]。在科技飛速發展的當代，機電一體化已逐漸發展為一門新型的自成體系的學科，其具有耗能較低、功能較多以及可靠性較高等特點，可以既可以合理地的配置多項技術，例如機械技術、計算機技術以及微電子技術等等，，而且還能夠根據系統的基本功能以及優化組織目標進行操作，最終實現比較理想的目標。

2機電一體化的發展情況

到目前為止，機電一體化已經歷經了三個發展階段：第一階段為上世紀60年代之前。在此階段，電機技術的發展并不成熟，只是處于初級發展階段，電子技術與機械技術也沒有得到深入地結合。然而此時，人們已開始應用電子技術的初步成果來逐漸實現對機械產品的優化，這為機電一體化的發展奠定了一定的基礎。第二階段為上世紀70到80年期間。在此階段，機電一體化獲得了迅猛發展，這主要是因為計算機等技術、微型計算機以及大規模集成電路的發展為機電一體化的發展奠定了堅實的技術基礎與物質基礎。這三階段為上世紀90年代末。在此階段，機電一體化技術逐漸向智能化發展，而且其也進一步地創建了比較完整的基礎，并漸漸形成了一個比較系統化以及完整化的科學體系。

3機電一體化中電機控制與保護存在的問題

3.1電機控制保護裝置無法滿足應用需求

目前，在機電一體化應用中所運用的電機控制保護裝置還不夠完善，這主要是由于所應用的電機控制保護裝置主要是基于電磁原理以及電熱原理，而且是借助于熔斷器的短路保護以及繼電器的過載保護功能而實行操作的，但是這種零部件自身還不夠完善，這也就造成機電的控制與保護能力不強，無法充分滿足電機控制與保護的需求。為了解決這一問題，就需要在設計機電產品的時候，綜合性、整體性地考慮保護、設計以及控制，進而實現電機控制與保護裝置的系統化以及多樣化。

3.2井下機電設備應用方面存在的問題

目前，在井下機電設備的應用中還存在一些問題，這也就影響了電機控制與保護的功能與效果。其中最為薄弱的環節即為為鼠籠式異步電機，如果在此環節沒有進行合理有效地應用，那么就會導致許多電機的運行故障的發生。這樣就會嚴重影響到電機運行的安全性與穩定性，所以相關人員必須要充分重視井下機電設備的應用問題，并且將其與電機控制與保護有機地結合起來，從而為機電一體化的安全、穩定運行提供有力的保障。

4解決問題的方法與建議

為了充分保證機電一體化系統的安全、穩定運行，可以采取以下的電機控制與保護措施。

4.1準確檢測電流與電壓

電流與電壓的檢測是電機控制與保護裝置在機電一體化應用中非常中重要的一項操作。其有利于逆變模塊以及電機力矩等故障的正確診斷，然而采用普通的電流與電壓傳感器是難以實現此目標的，為了能夠正確而又迅速地排除故障問題，應該選用IPM輸出電壓以及霍爾型電流互感器，這樣才能更加科學、有效地檢測IPM輸出三相電流與電壓，進而達到最終的目標。

4.2合理控制閥門與速度

閥門與速度的控制是電機控制與保護裝置應用中的重要問題之一。目前，我國主要是利用雙環控制方案來解決這一問題。其中內環采用的是速度環，其主要是利用速度調節器合理地調節PWM波發生器的載波頻率，從而實現對電機實際轉速的控制以及調節[2]。外環主要是采用位置環，其主要在設定自身當前位置及速度的基礎上，再利用速度給定發生器，將速度設定值提供給內環。因為在機電控制與保護裝置的閥門與速度控制中，大流量的閥門執行機構在運行的過程中存在不同的速度階段，例如減速、勻速以及加速等，與此同時，給定位置與實際位置也并不是確定不變的，這也就會大大增加了閥門與速度控制的難度，所以在對其進行調解的時候，要對閥門與給定閥門進行對比分析，此基礎上再合理地調節速度。

5結語

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[關鍵詞]電機控制；DSP；交流異步電機

中圖分類號：TM301.2 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）36-0326-01

一、電機的智能化控制概述

在實踐過程中，想要不斷提高電機效率，可以通過采用合適的智能控制手段來完成，特別是以DSP技術為核心的電機數字化控制，更能有效的提高電機效率，從而滿足實際應用過程中的各種需求。目前，采用智能控制方式來提升電機效率主要體現在如下兩個方面：首先，通過使用智能算法控制方式，可以使電機運行情況得到不斷優化。在相關應用中，AC感應電機矢量控制方式的應用范圍最廣，在對尺寸后進行重新設計后，可以使電機效率保持在最佳狀態。與此同時，還可以有效調整電機速度，最終達到優化電機效率的目的。其次，合理的采用智能控制技術來改造電機其中，比較常見的是采用永磁電機技術來進行點擊的改造。在實際運用過程中，可以有效減少感應轉子電流的傳導損耗，使機械性能得到有效提高。并且，與AC感應電機相比，永磁同步機具有更高的點擊效率，尤其是DSP控制器的合理運用，使得集成電機控制芯片在電機控制中得到更廣泛的應。一般情況下，DSP控制器通過利用微處理器，可以有效降低器件所造成的復雜性，從而大大降低系統成本。由此可見，DSP控制器已經擁有比較完善的硬件結構體系，可以在單片機的基礎上完成不同電機控制方案，通過不斷輸出PWM信號，可以對IPM進行智跑化驅動控制，從而有效控制電機的電壓和電流，真正實現電機的全面控制和調節。

二、交流異步電機的DSP控制實現方法

（一）交流異步電機的變速原理

通常情況下，交流異步電機的轉速是n=60（1-s）f/p，其中，p代表的是電機磁極的對數，f代表的是電源頻率（Hz），s代表的是電機的轉差，n則代表的是電機的轉速（r/min）。因此，，根據上述內容可知，交流異步電機的轉速與電源頻率f、電機磁極對數p、電機轉差s之間有著緊密聯系，可以采用調節電源頻率的方式來調節異步電機轉速。在調整交流異步電機的過程中，如果電機轉速的方向是由高速向著低速進行，必須讓感應電動勢、電源頻率的比值維持一個定值狀態下，才能確保電機定子的磁通量處于穩定情況。若電機的調節方向與上述相反，則電機繞組絕緣強度給電源電壓帶來的影響會處于一個保穩定狀態，而頻率會不斷增加，使得磁通量呈現逐步下降的趨勢，最終會減小電機轉矩。

（二）交流異步電機的DSP控制實現方法

通過上述分析可知，在交流異步電機的調節方向是由高速向低速進行的過程中，必須通過補償轉矩才能真正實現電機智能化控制過程。在頻率隨著轉速降低而減少的情況下，電源電壓也會呈現下降趨勢，只有采用電壓補償的方式，才能使磁通量保持在穩定狀態，從而使電機轉矩得到有效補償。在實際運過程中，合理的應用DSP控制器，可以非常方便地實現上述過程，最終讓系統電壓始終保持穩定狀態。通過情況下，采用將寬頻脈沖波轉化為寬度漸變的脈沖波SPWM，可以是諧波含量不懂減少，從而獲得比較好的驅動效果。根據DSP控制器的實際應用情況來看，SPWM脈沖波的漸變規律與正弦變化規律基本相似，在將等腰三角形波與正弦波進行比較的情況下，可以在二者位于三角形腰部交點實現開關管的開和關。通常情況下，三角形波被稱作是載波，正弦波被稱作是調制波，一般正弦波的頻率與幅值的控制都比較方便，因此，采用改變正弦波方式可以對輸出電源頻率進行有效控制，從而真正改變電機轉速。與此同時，如果調節正弦波幅值，可以有效改變其與載波之間的交點，從而改變輸出脈沖寬度，以在輸出電壓控制板連續輥壓線鋸切工序不足的情況下，結合PLC的飛剪控制系統，真正完成生產連續動態鋸切操作。通過一段時間的跟蹤調查發現，上述系統的正常運行，可以使中纖板連續輥壓線更加連續、自動化和完善，在提高中纖板連續輥壓線生產能力的同時，對于提高企業經濟效益有著重要影響，是我國電機控制技術不斷提高的重要方向。

結束語

總的來說，在軍工、機械等多個領域中，電機控制系統的不斷推廣，使生產效率得到大大提高，特別是DSP技術的合理應用，大大降低企業生產成本，使電機控制系統的整體性能得到全面提高，對于推動電機控制智能化發展有著重要影響。

參考文獻

[1] 彭濤，飛，張宏偉，張蕾.基于DSP和CAN總線多軸電機控制系統[J].信息技術，2015，02：117-120.

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【關鍵詞】模糊控制 PID 單片機 直流電機

【中圖分類號】TP273.4;TM33 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）17-0230-02

引言

在直流電機的控制過程中往往具有不確定性和非線性，難以建立精確的數學模型，采用常規PID控制算法難以達到理想的控制效果。系統設計結合模糊控制算法，按模糊控制理論建立模糊控制規則并求出模糊控制表，根據提取到的直流電機采樣信息查詢模糊控制表來對電機進行速度與轉向的控制。

1、直流電機控制系統

系統選用STC12C5A60S2作為主控芯片，用以完成對系統執行機構的控制、信息處理和直流電機的控制。在窗簾機的應用上面，直流減速電機可精確控制，又能彌補步進電機無電狀態下不能轉動的缺陷。采用L298N驅動直流電機，利用PWM調制與使能變換的方式可進行電機調速與變向。控制窗簾開合的過程中同時檢測光電開關的狀態，以確定當前窗簾/窗戶的狀態。通過對電機角速度的采樣分析，利用單片機進行信息處理并優化控制。

2、PID控制

按偏差信號的比例、積分和微分進行控制的控制器稱為PID控制器，其控制規律成為PID控制算法。如圖1所示，給定值與輸出值的偏差e（t）的比例、積分和微分線性組合，形成控制量u（t）的輸出。

式中：u（t）-控制器的輸出 Kp -控制器的比例系數。

Ti-控制器的積分時間常數。 Td-控制器的微分時間常數。

e（t）-控制器輸入，給定值和被控對象輸出值的差，稱偏差信號。

PID控制器中的比例環節、積分環節、微分環節的參數都必須選取適當，否則也會使系統不穩定。（1）比例環節能迅速反映偏差從而減小偏差，控制作用強弱取決于Kp。Kp越大，則過渡過程越短，穩態誤差也越小;但Kp越大，超調量也越大，越容易產生振蕩，導致動態性能變壞，甚至會使閉環系統不穩定。（2）積分環節：只要存在偏差，積分的控制作用就會不斷積累，輸出控制量以消除偏差。但積分作用太強會使系統超調加大，控制的動態性能變差，甚至會使閉環系統不穩定。（3）微分環節：微分控制有助于減小超調量，克服振蕩，提高系統的穩定性，但會使系統抑制干擾的能力降低。微分部分的作用強弱由微分時間Td決定。Td越大，抑制e（t）變化的作用越強;Td越小，反抗e（t）變化的作用越弱。

PID控制系統的連續時間信號經過采樣和整量化后，變成的數字量無論是積分還是微分都只能用數值計算去逼近。因此PID控制規律的實現，也必須用數值逼近的方法。當采樣周期相當短時，用求和代替積分、差商代替微商，使 PID 算法離散化，將描述連續時間 PID算法的微分方程，變為描述離散時間 PID 算法的差分方程，即為數字PID 位置型控制算式。

其中Kp、Ki、Kd分別為比例、積分、微分系數。

PID控制在穩定性、響應速度、超調量和穩定精度方面都體現很好，其適應性強，適應各種控制對象。但參數的整定是PID控制的一個關鍵問題，動態特性不太理想;PID控制不具有自適應控制能力，對于時變、非線性系統控制效果不佳。當系統參數變化時，控制性能會產生較大的變化，控制特性可能變壞，嚴重時可能導致系統的不穩定。

3、模糊控制

模糊控制是以模擬集合論、模擬語言變量和模擬推理為基礎的一種智能控制方法。它模擬人的思維推理過程，構造一種非線性控制，以滿足復雜的、不確定的過程控制需要。

模糊控制器的控制規律由程序實現。首先根據采樣值得到模糊控制器的輸入量并進行量化處理;量化后的變量進行模糊化處理，得到模糊量;根據輸入模糊控制量及模糊控制規則，按模糊推理合成規則計算控制量（輸出的模糊量）;對模糊輸出量進行模糊化處理，得到控制量的精確量，并進行輸出量化處理，得到實際控制量。

3.1模糊控制器的設計

模糊控制器的設計包括四個層面：模糊控制器輸入輸出量的確定、輸入輸出變量模糊集合和隸屬函數的確定、模糊控制規則表、反模糊化處理求取輸出控制量。

在模糊控制器中，模糊控制規則表是系統控制自整定最重要的環節。變量包括系統偏差e和偏差變化率ec、輸出控制量u。根據系統輸出的偏差及偏差變化率趨勢來消除偏差，得到模糊控制規則。

通過模糊控制規則表的查詢，反模糊化處理可求取精確的輸出控制量。

3.2自適應模糊控制算法

模糊控制與PID控制結合構成模糊PID控制。PID控制的關鍵是參數的確定，自適應模糊控制算法是用模糊控制來確定PID參數的，也就是根據系統偏差e和偏差變化率ec，用模糊控制規則在線對PID參數進行修改。先找出PID各個參數與e和ec之間的模糊關系，在運行中通過不斷檢測e和ec，再根據模糊控制原理來對各個參數進行在線修改，以滿足在不同e和ec時對控制參數的不同要求，使控制對象具有良好的動、靜態性能，且計算量小，易于在單片機上實現。

根據參數Kp、Ki和Kd對系統輸出特性的影響，可歸納出在不同的e和ec時，被控參數Kp、Ki和Kd的自整定要求，從而可得模糊控制規則的語言描述為：

不同的偏差e和偏差變化率ec，對PID控制器參數Kp，Ki，Kd的整定要求不同。

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關鍵詞：智能控制 電機控制 裝置 保護

中圖分類號：TM3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2012）002-057-02

1 前言

無論是由三相感應電動機還是由三相永磁同步電動機構成的伺服系統，都是非線性的時變系統。盡管采用了矢量控制，仍然不能從根本上改變系統的非線性特性，而直接轉矩控制自身就是一種非線性控制方式。矢量控制嚴重依賴于電動機的數學模型，其參數在電動機運行中會發生較大變化。事實上，這些與實際電動機是不完全相符的。其結果之一是在電磁轉矩中一定還包含有諧波轉矩，這些諧波轉矩是未知的，在實際控制系統中，通常將其作為一種擾動來處理。此外，還會有多種原因增加系統的非線性和不確定因素。在不同條件下，這些都會成為制約伺服系統控制質量的瓶頸。所以，需要真正改變高性能服系統中的非線性、參數變化、擾動和噪聲等控制問題，才能進一步提高系統的控制性能。

2 智能控制及其控制目的

智能控制是自動控制領域內的一門新興學科，模糊控制與神經網絡是其中的兩項關鍵技術，可以用來解決一些傳統控制方法難以解決的問題。首先，智能控制不依賴于控制對象的數學模型，只按實際效果進行控制，在控制中有能力并可以充分考慮系統的不精確性和不確定性。其次，智能控制具有明顯的非線性特征。就模糊控制而言，無論是模糊化、規則推理，還是反模糊化，從本質上來說都是一種映射，這種映射反映了系統的非線性，而這種非線性很難用數學來表達。神經網絡在理論上就具有任意逼近非線性有理函數的能力，還能比其他逼近方法得到更加易得的模型。近些年來，已提出了各種基于智能控制的控制策略和控制方法，已逐步形成了一種新的控制技術。應著重指出的是，雖然將智能控制應用于伺服驅動的研究已取得了不少成果，但是還有許多理論和技術問題尚待解決。由于智能控制涉及面廣，不可能具體介紹很多內容，好在這方面已有很多文獻可供參考，這里希望通過舉例來介紹它們的控制思想和控制方式。

3 智能電機控制系統的組成及應用

3.1 逆變器

(1)主要電路形式選擇與功率開關管的應用

現階段，很多生產加工行業常用的是以星形三相三狀態和兩相導通星形三相六狀態兩種方式。主電路的核心部分是作用各異的逆變器功率開關管。在大功率電機的控制中，也可選擇MCT，它是MOSFET與晶閘管的復合器件，具有高電壓、大電流、工作頻次高、控制功率小、易驅動、使用低成本集成驅動電路控制等優點。為了提高逆變器的可靠性、縮小體積，也可以采用近年來迅速發展的功率集成電路(PIC)。PIC將多個功率開關管及其快恢復二極管集成為一體。

(2)驅動電路的構成

在電機使用中，首先由驅動電路將控制器的輸出信號進行功率放大后，才能向各功率開關管送去使其能飽和導通和可靠關斷的驅動信號。隨著集成電路技術的發展，現在已經把驅動電路制成有一定輸出功率的專用集成電路，并且已經開始漸漸在無刷直流電動機上得到推廣應用。

3.2 控制器

智能電機中的控制器主要有兩個概念。一個是基于專用集成電路的控制系統。就現在的市場環境來講，國內很多生產廠家推出了不同規格和用途的無刷直流電動機控制專用集成電路。這些具有一定專利的指定電機配用的集成控制電路克服了分立元件帶來的弊端，使控制電路體積小、可靠性高，對于特定環境下完成特定功能、并具有規模化生產的無刷直流電動機來說，是首選方案。但其應用范圍局限性大，功能難以擴展。第二種智能電機中的控制器主要是指以微型計算機技術為核心的數模混合控制系統與全數字化控制系統。隨著無刷直流電動機應用領域的應用范圍越來越廣，對它的實用性能也提出了更高的要求，因而其控制器由以硬件模擬電子器件為主，轉向采用數字電路、單片機以及數字信號處理器方向發展，實現半數字化的數模混合控制和全數字化控制，控制規律由硬件實現轉向以軟件實現。

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關鍵詞：電機驅動器；采樣電阻；電流傳感器；電流采樣

一、引言

電動機自誕生之日起，就對人類社會的發展起著極大的推動作用，大大提高了社會的生產力水平。電動機的應用涉及到生活的方方面面，大到軍事、航空，小到辦公自動化、家用電器、工業過程控制、精密機床以及汽車電子等工業和民用領域，無不活躍著各式各樣的電動機。相應地，圍繞電動機的驅動控制開發也在飛速發展，各種調速系統、伺服系統、變頻器等應用產品層出不窮，在各行各業得到了廣泛的應用。

在電機的驅動控制開發中，電流檢測是非常重要的環節，精確的電流采樣，是電機良好運轉的必要條件。電流檢測的目的有兩個：一是為了確保電機的快速啟動性能，對電機電路主電流信號進行監測，讓控制器給出確切的PWM控制信號，實現電流閉環控制；二是為了保障電機在實際運行中出現的短路、過流等故障，能夠準確及時地將這些故障信息反饋給控制器，控制器給出控制信號使得及時關斷開關以便硬件得到保護。

也就是說，一個典型的電機驅動控制系統，應該含有母線電流檢測、電機相電流檢測電路，還可能為了檢測某個功能模塊電路是否止常T作而設置特定的電流檢測電路。因此，如何精確有效地設計電流檢測電路是電機驅動控制系統設計的關鍵。

二、電流信號的采樣

監測某個信號之前，首先需要對該信號進行采樣。通常，電流信號的采樣有以下幾種方法。

（1）采樣電阻。采樣電阻測電流的原理是這樣的：將采樣電阻串接在要監測的電路回路里，電流流過時，在采樣電阻兩端產生壓降，這樣就把電流信號轉化為電壓信號。然后，對該電壓信號進行處理變換，輸入到微處理器的A/D單元，完成檢測的目的。

采樣電阻的這種檢測方法實現簡單，成本低，但是很難做到電阻值穩定不變，采樣精度不高，不能提供準確的電流值。而且反饋控制電路與主電路沒有隔離，在電機驅動控制系統中，萬一功率電路的高電壓通過反饋電路進入控制電路，將危及到控制系統的安全 。因此，采樣電阻一般應用在精度要求不高、成本敏感的應用場合。

（2）電流傳感器。霍爾效應在1879年被E.H.霍爾發現，它定義了磁場和感應電壓之間的關系，這種效應和傳統的感應效果完全不同。當電流通過一個位于磁場中的導體的時候，磁場會對導體中的電子產生一個垂直于電子運動方向上的作用力，從而在導體的兩端產生電壓差。霍爾電流傳感器就是利用霍爾效應將一次大電流變換為二次微小電壓信號的傳感器，它有兩種工作方式，分別是直測式（開環）電流傳感器和磁平衡式（閉環）電流傳感器。直測式霍爾電流傳感器的不足是檢測裝置的體積過大；而磁平衡式霍爾電流傳感器體積小，其顯著長處是磁場補償法，保持鐵心磁通為零，電流過載能力強，套在被測母線上即可工作。

霍爾電流傳感器產品已經模塊化，可以測量交流、直流、脈沖等多種電流信號，其最大優點是測量精度高、響應快速、隔離檢測、線性度好。因此，電機驅動控制系統中采用霍爾電流傳感器檢測電流的方法是目前應用比較普遍的方法，已經在中高端伺服產品中得到了廣泛的應用。

（3）電流互感器。電流互感器是利用變壓器原、副邊電流成比例的特點制成的。其工作原理、等值電路也與一般變壓器相同，只是其原邊繞組串聯在被測電路中，且匝數很少；副邊繞組接電流表、繼電器電流線圈等低阻抗負載，近似短路。原邊電流（即被測電流）和副邊電流取決于被測線路的負載，而與電流互感器的副邊負載無關。電流互感器運行時，副邊不允許開路。因為一旦開路，原邊電流均成為勵磁電流，使磁通和副邊電壓大大超過正常值而危及人身和設備安全。

在測量交變電流的大電流時，為便于二次儀表測量需要轉換為比較統一的電流，另外，線路上的電壓都比較高，如直接測量是非常危險的，電流互感器就起到變流和電氣隔離作用。它將高電流按比例轉換成低電流，一次側接在一次系統，二次側接測量儀表、繼電保護等測量裝置。電流互感器一般體積較大，造價昂貴，因此，一般應用在電力系統中，作為測量儀表、繼電保護等二次設備獲取電氣一次回路電流信息的傳感器。

綜上所述，由于體積和成本的原因，在電機驅動控制系統中，經常采用采樣電阻和霍爾電流傳感器來進行電流采樣。

三、電流信號的處理

下面分別針對采樣電阻和霍爾電流傳感器的工作特性、使用特點介紹一下相應的信號調理電路。

（1）采樣電阻

采樣電阻信號調理電路如圖1所示，圖中R7為采樣電阻，應用中將其串接在回路中。以運放為中心構成一個差分放大器，R1～R6設置放大器增益，R5同時用來提升采樣后的電壓值，使得放大器的輸入在合適的范圍。R8和C2用來濾除高頻噪聲。

圖1 采樣電阻信號調理電路

REF為參考電壓，產生電路如圖2所示，圖中R1和R2用來設置參考電壓值，根據不同的需要可以靈活調整這兩個電阻的值。

圖2 電流傳感器輸出信號調理電路

經過處理后的電壓輸出信號Vo再經過限幅即可輸人到微處理器的A/D單元。

（2）霍爾電流傳感器。霍爾電流傳感器輸出信號調理電路如圖3所示，電路形式和圖1類似。區別在于放大器的輸入，因為常用的霍爾電流傳感器是單輸出信號，有電流輸出和電壓輸出兩種形式，經常把電流輸出形式轉換為電壓信號進行處理。圖3中參考電壓的產生可參考圖2。

四、器件選擇及注意事項

存選用采樣電阻的過程中，要考慮自身的阻值、電感和精度，以降低自身的功率損耗和電壓尖峰。同時要注意溫度系數（TCR），可以參考其溫漂曲線。

電流傳感器的選擇注意測量范圍，的需要選擇不同量程的傳感器。根據不同當原邊電流超過傳感器額定時，線性度將降低。為保證測量精度，傳感器額定測量值為被測信號l-1.5倍較為合適，如果被測信號有較大的波形系數，還需進一步加大量程，確保被測信號峰值不超出傳感器測量范同。電流傳感器的生產廠家比較有代表性的有LEM公司、IR公司、Honey-well公司等。國內做的較好的有寧波株洲時代電子、南京托肯電子、南京中旭等。

尤其要注意的是運放的選擇，因為一般伺服系統中PWM調制頻率很高，通常在20kHz左右，因此相電流是一個脈動電流。另外，A/D轉換單元采樣速度很高。因此，在選擇運放時，要選擇帶寬大、高速的精密運放，只有這樣才能滿足電流采樣的需要。

圖3 參考電壓產生電路

五、結束語

精確的電流檢測在電機驅動控制系統中起著關鍵作用，它是構成電流閉環的前提條件，同時，監測電流可以防止系統發生短路、過流故障，有效保護系統安全，可以說是電機控制系統中不可缺少的環節。目前在各種自動門系統、安防工程、鉗形儀表等設備中都或多或少地應用到電流檢測技術，探討其實現形式有助于推動其應用發展。

參考文獻：

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篇9

效率問題很復雜

同大多數性能指標一樣，效率是非常復雜的。經常就連設計者和調試者都經常無法確定應該如何解釋給定系統中各部件眾多的標稱效率。

電機手冊上可能標著85％，變速箱數據單則寫著90％，而控制部分則僅僅標著“高效率”。這些表示效率的數字通常來自理想的運轉模式，不一定能夠代表各個部件的目標應用。圖1為簡單的運動系統示意圖。

對于給定的電機和調制方式，系統的工作效率是供電電壓、轉動速度、負荷扭矩和溫度的函數。因為標稱效率只適用于這些參數的特定組合，所以設計者必須要求電機廠商提供更多的效率數據。在變速應用中，效率會隨著各種運轉模式而改變。這一點也同樣適用于系統中的傳送帶、滑輪、變速箱等。

交流電機效率主要是通過鐵芯損耗、轉子／定子銅損和偏差／摩擦損耗來決定的。鐵芯損耗是由鐵質轉子和定子中的感應渦電流和磁滯效應造成的。因為轉子和定子的銅損是由銅電阻決定的(12R)，所以增加轉子銅條尺寸和定子線規可以降低銅損。要降低鐵芯損耗，可以使用更高級的鋼片和通過改變尺寸來降低磁通量密度。但增加銅條尺寸會增加成本，而且會限制定子上能夠繞線的匝數。當鐵芯損耗和銅損相等時，電機的工作效率最高，這種情況通常出現在其標稱負載的75％～90％之間。

有些電機拓撲結構受這類損耗的影響較小。例如，無刷直流電機中不存在轉子銅損，因為它采用永磁性轉子。開關或可變磁阻電機的效率很高，部分歸因于不存在轉子銅損，因為這兩種電機的轉子也不會通過傳導電流。

雖然使用高級控制算法的電子驅動電路可以通過向電機提供理想電壓波形來顯著地提高效率，但是其也存在自身的效率問題。控制效率因素包括軟啟動損耗、整流損耗、功率橋切換和傳導損耗以及功率因數校正損耗。

只有在電源加載到驅動電路之后大約1s內，有源軟啟動電路才有很大的功耗。此后，它們只占用非常小的VI功耗，因為功率都通過有源開關分路到軟啟動限流器。分馬力控制系統通常使用一個繼電器來實現這一目的――將這些損耗降低到接近零。

整流損耗占到這部分損耗的很大一部分。由于常見的橋式整流器的Vf是1V，所以在2kW電機控制中這部分損耗很容易就會接近15W。Vf較低的整流器的價格很高。對于交流感應和無刷直流電機控制而言，功率橋電路通常是由6個二極管和6個MOSFET／IGBT組成的完整的三相整流橋電路。功率橋電路的開關損耗是調制方式的函數，與開關頻率成正比。

功率因數控制

最后，同樣重要的是從交流輸電線引出功率的效率，即功率因數(PF)。感性和容性元件會在電路和交流輸電線之間產生重復的環電流。交流電源電流中的諧波失真可能是由電機驅動中的非線性元件產生的。

無功功率和諧波電流要求交流電源所提供的功率要比系統實際消耗功率更多，才能很好地利用視在功率。有功功率與視在功率的比值就是PF，取值范圍在0～1.0之間。PF等于1.0是理想情況，而在0.65時，交流輸電線路需要提供大約1.5倍于應用有功功率的功率，這會極大得提高電力公司的成本，而電力公司通常會向低PF的工業客戶收取額外的費用。

有很多的功率因數校正(PFC)拓撲結構存在。PFC升壓變換器是電機控制系統中最常見的，因為其易于實現且成本低廉。PFC升壓變換電路使得驅動能夠輕松地支持寬的輸入電壓范圍(100～250V交流電壓)并校正低壓線路問題。在PFC升壓變換器結構中，直流鏈路通常是370～400V直流電壓。

在驅動中增加PFC電路帶來了一些好處，其中包括不低于0.95的PF以及期望得到的較小直流鏈路電容，這是因為能量是以PFC開關頻率(標稱頻率>20kHz)從PFC的電感傳輸到電容的，而不是以120Hz從整流線路上傳輸來的。

不過，顯而易見，這樣會引入PFC損耗。對1kW電機控制電路而言，常見的PFC電路損耗大約為50W。另一種結構是采用MOSFET來代替橋式整流二極管，這樣可以減小整流損耗。

是啟用新方案時候了

一般的電機在其服役期間的用電費用會高達最初購買價格的75倍，因此，是進行補救的時候了。幸運的是，半導體廠商極大地簡化了這些效率問題的解決辦法。比如，飛兆半導體公司同時為電機控制和PFC應用提供了一套完整的智能功率模塊(SPM)產品系列。這些模塊包括柵極驅動器、MOSFET／IGBT、二極管以及其他輔助元件，它們封裝小，可以加快產品上市時間。

一個應用示例

為了認識系統效率的重要性，我們可以看一個現實生活中的應用。這個特定的應用出現在家畜育種房舍的通風系統中，該通風系統使用60個風扇，每個風扇的扇葉長52英寸。每個風扇每分鐘必須扇動28000立方英尺的空氣。在必需速度780rpm時，扇軸需要提供大約2kW功率才能轉動扇葉。這些風扇每年需要工作8500小時。

在傳統方案中，這種應用都會使用三相、2.5kW的交流感應電機／啟動器通過繼電器連接到交流輸電線，效率大約為80％，而PF大約為0.88。因為這些風扇的標稱速度大約為1750rpm，所以就會使用機械傳送帶和皮帶輪系統將速度降低到風扇葉片所需要的速度(見圖2)。

篇10

Abstract: With the increased demand of mechanical and electrical products on the winding quality,the original PLC control system of winding machine has been difficult to meet the requirements of evolving mechanical and electrical products. Winding machine PLC control system has the disadvantages of high cost,single work way and inconvenient human computer interaction. To solve this problem,we designed a new control system that could replace PLC control system - using single chip to control motor windings machine controller.

關鍵詞:單片機;步進電機驅動器;加/減速控制

Key words: singlechip;stepper motor driver;accelerate/deceleration control

中圖分類號:F270 文獻標識碼:A文章編號:1006-4311(2010)12-0218-01

1系統性能及控制要求

1.1 系統性能

在本控制系統中,主要利用控制器輸出的CP、CW脈沖信號,通過步進電機驅動器對三臺步進電機的轉速、轉向進行控制,帶動機械傳動機構工作,實現繞線,另外通過拖板電機實現繞組位置轉動的控制,從而實現整個電機繞組的全自動化繞線操作。在生產過程中,可以根據操作的要求實現不同的繞線速度、線圈匝數等的設定。

1.2 控制要求

1.2.1 可預設多種控制模式。可預先設定慢速、中速、快速和拖板運行等四種操作模式。

1.2.2 每種控制模式下的加減速、步數可隨意設定。在任一控制模式下的加減速曲線、運行步數都可事先設定。

1.2.3 可同時控制三臺電機的同步工作和單獨控制一臺拖板電機工作。

1.2.4 具有斷電數據保持功能,能記憶上次的參數及最后一次運行值。

1.2.5 具有數據顯示及告警提示功能。

2設計方案的實現

2.1 硬件電路設計

2.1.1 整體電路設計思想。本設計采用STC89C51系列單片機芯片對步進電機進行控制,通過I/O口輸出具有時序的方波作為步進電機的控制信號,信號經過步進電機驅動器驅動步進電機工作;同時采用二極管矩陣鍵盤來對電機的狀態或設置進行控制,并用4位LED數碼管顯示出相關的參數,還利用AT24C02對系統參數進行存儲。

2.1.2 各功能電路的實現。①電源電路。將交流220V經過降壓、整流、濾波和穩壓的形式,得到直流9V和5V對控制器進行供電。②單片機最小系統電路。本單片機系統采用宏晶科技推出的新一代超強抗干擾/高速/低功耗的STC89C51系列單片機芯片,它是MCS-51系列單片機的派生產品;它們在指令系統中、硬件系統和片內資源與標準的51系列單片機完全兼容。③鍵盤電路。采用二極管矩陣鍵盤電路,分別由P1.0-1.3作輸入,當某一按鍵被按下時,相對應的端口被置為高電平,此時CPU檢測到相應端口的變化,通過查表的方式確認按鍵的功能,減少CPU對各端口掃描時間,提高CPU的效率。④顯示電路。采用4只共陽數碼管作顯示,分別利用P0口對各數碼管的筆劃段進行掃描,P2.4-2.7口作循環掃描顯示控制,另外還通過P2和P3口作按鍵顯示和告警音提示等功能控制。⑤存儲電路。由于本系統需要存儲的數據比較多,并且要具有斷電數據保持功能,能對上次的參數及運行值進行記錄,因此采用AT24C02存儲器作數據存儲。⑥接口電路。分別利用P1.4、P3.5、P3.4口經過ULM2003反相放大后作CP脈沖和CW脈沖的信號輸出,對步進電機驅動器進行控制,從而達到控制步進電機轉速和轉向的目的。

2.2 軟件程序設計

在該系統中,相應的控制信號由單片機來產生,根據需要通過鍵盤輸入電機的轉動方向、轉動速度及轉動步數,在工作時用數碼管來動態顯示運行的步數。所以軟件部分由4大模塊組成:系統監控、鍵盤掃描及處理、顯示程序、控制信號產生程序。

2.2.1 系統監控模塊。在監控模塊中,應完成系統的啟動,進行鍵盤掃描得到相應鍵值,完成對步進電機轉向轉速、步數及運行方式的設置,并使步進電機按要求進行工作。為增加控制的靈活性,鍵盤輸入數據及啟動命令在鍵盤掃描及處理程序中實現。

2.2.2 鍵盤掃描及處理、顯示模塊。本軟件程序模塊主要完成對鍵盤有無鍵按下進行確認。當有鍵按下時,通過查表方式確定按鍵值,并根據所得鍵值進行處理,包括所按鍵是輸入鍵還是執行鍵。顯示模塊主要是完成在進行數據輸入時,顯示輸入的數據值。

2.2.3 控制信號產生模塊。①步進脈沖的產生。在采用單片機控制的步進電機開環系統中,控制系統的CP脈沖的頻率或者CW換向脈沖的高低電平實際上就是控制步進電機的運行速度和方向。②步進電機起動及加/減速控制。速度控制中加/減控制是最基本的控制。電機由靜止到達設定的最大的速度所需的時間是由調試決定的。加速度太大,電機甚至不能克服負載轉矩而失步,加速度太少,則完成指定的運動耗費時間太多,加速度有兩種方案:線性加/減速度控制和等步距加/減速度控制。③步進電機的換向控制。一般來說,驅動器的輸入共有三路,它們是:步進脈沖信號CP、方向電平CW、脫機使能信號EN。它們在驅動器內部分別通過限流電阻接入光藕的負輸入端,且電路形式完全相同,在這三路輸入信號的共同的控制下,驅動器將輸入合適的電流來控制步進電機完成指定的操作。

3結論

本控制器采用單片機控制的步進電機系統,其轉動方向、轉動速度及運行圈數可以通過鍵盤輸入,運用程序對這些數據進行處理,由單片機發出相應的控制信號,增加了控制的靈活性,經實踐使用,達到了預期的設計目的。本控制器對于不同的繞線系統,不同控制要求,通過修改相應的電路及相關程序即可實現,通用性強,具有自動化程度高、成本低、體積小、控制精確等優點,有很好的經濟效益和廣闊發展前景。

參考文獻:

[1]劉國永,陳杰平.單片機控制步進電機系統設計[J].安徽技術師范學院學報,2002.