1.電機驅動技術的進步

　　電機驅動技術為全球無數的制造和生產線提供可靠的動力保障。隨著時間的推移，這一領域最大的發展之一就是變頻器，可以為工業領域的交流感應電動機提供可靠的速度和轉矩控制。新型變頻器能夠控制永磁交流同步電機，從而增加了其功能的多樣性。伺服和步進驅動器，在各種類型的伺服和步進電機的轉矩和位置控制方面取得了顯著的性能改進。它們以各自較低的功率范圍對應用場景進行補充。

　　硬件和軟件創新是這些電機驅動發展的推動力。主要的硬件開發，包括電源開關晶體管和微處理器。軟件創新包括新的軟件工具的開發，這些工具可以完成以前不可能實現的復雜控制算法。隨著可用性的提高，軟件還使電動機驅動變得對用戶更加友好。

　　特別是大幅減少了變頻器的規格尺寸和重量。大體積的機柜讓位于緊湊的電子外殼，這些外殼可以安裝在電動機附近，以適合特定的制造工廠布局，有的甚至可以安裝在電動機上，具體取決于不同應用的電源需求。

　　1990年代，曾出現了一類所謂的“微型驅動器”，其中有一個型號甚至只有0.19kW，可以放在技術人員的襯衫口袋中。是的，這是不切實際的應用，但卻形象的說明了事事都有可能。伺服驅動器和步進驅動器也得益于持續不斷的電子控制小型化。

　　圖1：通過適當軟件進行的計算機仿真，可以在構建硬件之前進行虛擬原型機測試，以評估不同的運動控制系統設計。圖片來源：安川電機

　　2.功率開關設備和微處理器

　　調節輸入電流/電壓波形以進行電機控制的功率開關晶體管是電機驅動裝置的核心。在早期的驅動中，可控硅整流器（一種固態開關）和柵極關斷晶閘管（功率半導體）起著電源開關的作用。它們代表著成熟技術，并且僅在某些大功率驅動器應用中才能看到有限的應用。

　　隨著計算機和數字技術的迅猛發展，電機驅動逐漸轉移到基于數字微處理器（MPU）的設計中，這種設計至今仍然占據著主導地位。新出現的一種新型半導體——絕緣柵雙極晶體管（IGBT），已成為當今電機驅動的主要功率開關器件。IGBT結合了金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）輸入和雙極晶體管輸出的最佳特性。其它功能還包括，因絕緣柵帶來的快速切換功能和更低的損耗。例如，IGBT的進步帶來了更快的開關速度和在更高電壓下運行的能力。

　　微處理器和數字信號處理器（DSP）的功能在不斷提高。更高的計算速度可以更快地響應負載動態，并可以與運動系統的其它部分進行近乎實時的通信。內存可以將更多容量壓縮到微芯片中，從而在軟件和硬件中實現更復雜的運動控制算法。

　　3.控制復雜度

　　多功能交流變頻器提供3種主要的電機控制方法。開環控制是第一個且最簡單的方法。它提供合理的速度調節，并且無需反饋裝置即可運行。磁通矢量控制（FVC）處于變頻器性能的最高水平，并具有多種變化。磁場定向FVC通過對產生磁通量和轉矩產生電流分量的獨立控制來模擬直流電機和交流電機的特性，從而獲得對電機轉矩和功率的最佳控制。FVC使用反饋設備（通常是編碼器）來獲取電機軸位置和速度信息。控制算法依賴復雜的電機模型，并實現單獨的速度和轉矩環路。全矢量控制可以在低速（有時甚至接近零轉速）時提供高扭矩。

　　在上述兩個極端之間的是無傳感器矢量控制（也稱為開環矢量控制，SVC），這是另一種替代方案，可提高開環控制變頻器的低速轉矩、速度調節和啟動轉矩能力。盡管SVC變頻器無需反饋裝置即可工作，但它們可以使用電機電流和電壓信號估算轉矩電流、勵磁電流以及它們之間的矢量關系，以實現對電機的精確控制。它們還依賴于準確的電機模型。較新的變頻器能夠提供上述所有控制類型，甚至包括在某些應用中很有用的開環控制。

　　4.軟件的影響

　　這些公式和電機模型很早以前就存在了，但是它們在動態運動控制程序和算法的軟件中的應用是直到計算機普及之后才實現的。同時，在運動控制器和變頻器應用中所使用的MPU、數字信號處理器和微芯片，其性能也在不斷提高，使得更高的執行速度和巨大的內存增長成為可能。在同一個變頻器中，可以集成上面提到的多種電機控制拓撲，經濟上也更合理。一個簡單的軟件參數變更，即可更改控制模式。

　　運動控制軟件的另一個好處是可以幫助設置變頻器和電機，尤其是伺服驅動器。仿真是軟件創新的另一個領域。它允許在構建硬件之前，用軟件對運動控制系統進行“虛擬原型機”。

　　圖2：機電一體化的主要示例是將電機和變頻器組件組合到一個封裝中。集成步進電動機的分解圖展示了該技術，該技術也適用于其它類型的電機。圖片來源：Applied Motion

　　5.機電一體化

　　傳統上，機械和電子系統是物理上分開的單元。1990年代中期，當電機和控制集成大規模出現時，運動控制領域也發生了巨大的變化。許多制造商推出了一系列產品：首先是將交流感應電機和變頻器集成，即所謂的集成電機。然后，類似的組合單元，還可包含伺服和步進電機及其各自的控制器。

　　為電機配置機載電子控制裝置可為用戶帶來各種好處，例如：較低的安裝成本，無需在電動機和變頻器之間進行長距離布線，減少相關導管架，系統組件更少，診斷和維護更容易，控制架構也更簡單。但是，集成電動機的成功率低于預期，主要問題出在感應電動機和變頻器領域。盡管如此，這些感應電動機/變頻器組合仍有一定的市場，最大功率可達22kW，可用于適當應用和混合動力控制架構。（作者：FrankJ.Bartos）