电机及其控制技术发展趋势

随着科学技术进步，我国经济不断发展，现代电控技术也呈现出良好发展态势，应用于机械、石油、煤矿、化学等各个领域。本文针对现代电机控制技术的现状，电机结构与分类入手，详谈无刷直流电机控制技术与交流电机控制技术的应用，并对其未来进步方向做了展望。

2 电机结构与分类

2.1 电机结构

普通电机的结构相对复杂，结构部件多样，以三相鼠笼式电机结构最为常见，主要结构包括轴承、转子、基座、风扇、定子等。具体如图1所示：

电动机中定子绕组，通入电流，产生旋转磁场，磁场切割转子绕组，会产生感应电流，导体在电子磁场作用下，会产生电磁力，驱动电机运动，产生机械能，为石油、煤矿、机械等行业提供运转支撑[1]。在普通电机结构中，定子是静止不动的结构，主要由铁心、绕组以及机座等元素构成，而转子是电动机中能够运动旋转的结构，按照其绕组方式，可以被区分为鼠笼式和线绕式。线绕式与鼠笼式的电动机虽然绕组方式存在一定差異，但是其工作原理并未有不同。

2.2 电机分类

电机一般按照工作电源种类，可以被分为交流电机与直流电机两种，直流电机又可以被细分为无刷与无刷两种直流电机。交流电又可以按照相数的不同，分为单相与三项异步电机。电机能够在实践中发挥重要功能。能够提升航空、交通等各行业的工作效率，是当下各行各业创新与发展中不可获取的重要基础，其在未来必然有良好的发展空间[2]。

3 直流电机控制技术现状及发展

直流电机的发展起步于二十世纪七八十年代，MAC无刷直流电机问世，带动了直流电动机控制技术在国际范围内的发展。我国国内也开始对直流电机展开广泛研究，先后推出了方波无刷电机、正弦波直流电机等典型的直流电机[3]。与此同时，与电机相关的材料研究，也开始广泛开展，永磁材料也开始与微电子技术、自动化控制技术等相结合，促使直流电机控制技术的研究与实践无限贴合。本文以有刷向无刷直流电机控制技术过渡为例，探讨了直流电机控制技术的整体现状及未来发展。

3.1 直流电机控制技术发展现状

3.1.1 电机结构

无论是无刷还是有刷两种情况，直流电机的电磁结构基本一致，只是无刷直流电机的进一步发展，简化了原本复杂的直流电机结构，降低了转子重量，可以直接将绕组放在定子之上，能够最大程度的保证直流电机的工作效率。无刷电机之所以能够兴起与发展，和我国材料科学领域的不断突破密切相关，永磁材料研发，并投入使用，经历了从铝材，到铁氧体磁性材两个阶段，后步入钕铁硼材料阶段[4]。

3.1.2 控制电路

有刷直流电路在控制上相对复杂，且缺乏一定电路保护系统。而无刷直流电机则可以有效解决此问题，通过驱动电路中的开关器件，就能调节电机运行速度，在出现过流、或过热，甚至局部过压等情况时，电路也可以触发保护机制，对电机运行进行阻断，保证电机与操作人员的安全。当下，投入实践应用的无刷直流电机控制系统，往往采用专用的集成电路以及信号处理系统，更大程度保证控制效率和控制安全。

3.1.3 驱动电路

无刷直流控制系统的驱动电路往往从属于控制系统，并受控于整体的控制系统。驱动枢纽，经过从半控制系统，向全控制功率开关器件的过渡，形成了完善的反馈系统，能够实现良好的控制效果。目前，全控型开关器件也处在不断的发展过程中，并逐渐实现了对普通晶闸管的取代作用。

3.1.4 检测电路

为了保证无刷直流电机的进一步应用以及发展，与之相应的配套完善器件的发展也在顺势推进。以检测电路的转子位置为例。众所周知，无刷直流电机，是闭环的一体化系统，为了保证转子磁极位置，磁敏式的霍尔传感器被不断应用于电机的工作之中，可以让转子磁极信号成为换相信号。

3.2 未来趋势及发展方向

随着新技术不断创新，随着电子计算机技术在我国的不断发展，直流电机控制系统也必将不断发展，并迎来新的突破，效率在不断提升的同时，运行成本会逐渐下降。如位置检测，可以通过芯片实现，高速微处理器与DSP，可以提速电机的反应效率，使得电机设备在不同领域与行业的应用中，能够得到更有效发展。DSP的强计算能力，也可以成为未来无位置传感器研究的重要方向之一，当DSP技术能够被应用于直流电机控制系统之中，电机的控制运营成本必然会呈显著下降。

4 交流电机控制技术现状及发展

交流电机兴起于1985年，德国首先提出了异步电机转矩的概念及控制方法，为交流电机的产生及研究提供了理论基础，而后在上世纪末，矢量控制技术与转矩技术也开始为人们所了解，通过不断研究，最终交流电机开始走向成熟，并不断投入市场应用之中，为各行各业生产提供了保障，加速了各个行业的机械化、自动化进程。随着现代电机控制理论的不断完善，以及我国电子科学技术的不断发展，如今不同的交流电机控制方法，也开始不断出现。

4.1 矢量控制技术

矢量控制技术在近些年来得到了广泛发展，一些新型的技术开始不断出现，如电机磁通量的快速控制、调节器自整定等，以及一些与电机变换的相关技术也开始兴起，如非线性自抗扰控制器等。在未来，矢量控制技术，必然还会持续不断的整合创新性强的新技术，矢量的控制也将更为高效与迅速，专用的DSP能够使转子的磁场方向稳定，能够更为精确的确定实时磁通量。变频器的转动矩也会逐渐提高，让交流电机的过载能力不断增加。未来针对交流电机矢量控制的研究，最终的核心重点，还应该是变频器的过载能力以及转矩大小，才能提升交流电机的效率。

4.2 转矩控制技术

转矩控制技术是基于离散化转矩提出的一种针对交流电机直接的控制技术方法，可以实现将电机运行控制在合理的周期范围内，消除定子磁链膜值与转矩之间存在的差值，保证电机运转的稳定性以及准确性。也可以避免滞环比较器脉动产生的干扰，保证电机的高效运转。

随着当下我国对于电子科学技术重视程度的不断提升，转矩控制技术必然可以得到进一步的发展，不仅能够实现从低频向高频的发展，也可以让交流电机的控制更为高效，进而提升交流电机的工作效率。对于滞环比较器产生的脉动，也可以合理控制，甚至有效消除。针对于直接转矩控制技术，软关断技术将是未来研究的重要方向。其次，如何将电机控制技术与智能化、数据化相结合，也是电机控制技术未来发展需要研究与考虑的重点。以下为两种常见新型控制技术。

4.2.1 模糊控制

模糊控制是一种将人类思维应用到控制系统，形成的可控制模型，可以将人脑控制中的抽象思维与电机系统控制相合，形成非线性的系统，让电机控制系统的处理效率更高、容错能力更强。利用模糊控制与神经网络相结合，可以让多变量的电机控制系统更为灵魂，也可以不断容纳新兴信息源。

4.2.2 鲁棒控制

鲁棒控制是一种基于时间域概念，提出的控制技术，首先要假设工作动态特性，然后设置变化范围，在通过控制器及非线性结构，抵消和估计电机高阶，克服PID缺陷。鲁棒控制，是一种主要应用于异步交流电机中的控制系统。