1 引言 2006年剛剛過去。在新的一年開始，回顧近兩年在電機拖動系統（Electric Drive, 以下簡稱為ED）學術界的熱門話題、與ED發展有關的數字控制器、元器件和典型產品的技術走向、以及在應用領域中的熱門話題，可以看到該領域大致的技術發展趨勢。 2 學術界 2.1 IEEE會刊 在2006年IEEE-IE會刊Vol.53, No.1～2中，由德國伍普脫大學Joachim Holtz教授作為客座主編，連續登載了兩集有關交流異步電動機和同步電動機在無傳感器條件下的高性能控制研究成果的專輯[1,2>，共刊載了異步電動機無速度傳感器控制的論文21篇、永磁同步電動機和開關磁阻電動機無位置傳感器控制的論文11篇。主編寫道：“在過去30年，人們對感應電機無速度傳感器控制的研究一直是饒有興趣的……。感應電機無速度傳感器控制的當前主要問題是，在低速下尤其在定子零頻率附近，如何獲得穩定與快速的動態響應、以及如何更為簡單的實現。”在《電氣技術》2006年第9期的“PE電力電子專刊”中，筆者對其中關于“異步電動機無速度傳感器控制”部分的“編者的話”和綜述論文作了點評和討論。 還有一個重要的主要討論電力電子發展方向的小型國際會議FEPPCON（Future of Electronic Power Processing Conversion）。值得一提的是，在2005年的IEEE-PE會刊和IEEE-IA[4>會刊上都介紹了FEPPCON第5屆會議（2004年5月召開[5>）上對包括ED的各個相關領域未來幾年發展的看法，這反映了這次會議的重要程度。對文獻[4>的中文翻譯和點評請見[6,7>。 2.2 國際學術會議 在2006年9月我國上海召開的IPEMC’06國際學術會議上，現任IEEE-PE主席、德國亞琛大學教授R.W.De Doncker作了題為“現代電機驅動：設計和發展趨勢”的大會發言[8>。他重點討論了ED的技術動向和用于設計現代電機拖動系統的各種工具。 De Doncker教授指出，未來10年ED技術的趨勢將是： （1）提高功率密度； （2）將有更多類型的電機和專用的驅動系統出現； （3）為了減小體積，更多的ED將運行在更高速的范圍； （4）可在更高溫度環境工作的電機、功率變換器和控制電路； （5）具有大轉矩、采用直驅的推進系統； （6）耐高溫的電力電子器件將會得到更多的應用； （7）越來越智能化的控制方法將會減少用戶調試ED并優化ED的性能。產品的即插即用功能將變的必要。 該文給出了設計現代電機拖動系統的流程如圖1所示。作者指出，ED設計工具應具有以下基本功能： （1）對于電機：損耗和電機效率的計算；鐵心溫度、溫度周期和預期壽命; 噪聲分析等； （2）對于功率變換器：所有器件的電壓電流額定值計算；損耗計算從而得出效率和散熱方法；熱分布、熱循環、功率變換器的壽命；EMI分析、低通濾波器和EMI濾波器設計。 另一個值得注意的文章是，2005年9月在我國南京召開的ICMS’2005上美國威斯康星-麥迪森大學的Robert D.Lorenz教授發表的題為“未來電機驅動的關鍵技術”一文[9>。在該文中，R.D.Lorenz教授介紹了至今為止他所領導的研究小組的科研成果，指出了影響未來ED的5項具體的關鍵技術： （1）作為整個系統的一部分，ED可看作一個傳感器為其他子系統提供所需信息，這樣就增強了系統整體的功能。文中給出了通過設計負載轉矩觀測器而不用增加新傳感器以得到負載轉矩的例子。 （2）提高ED的功率轉換效率將促進其更為廣泛的應用。對于某些應用（例如動力牽引），高效率的ED系統將會成為首選方案。 （3）為了提高可靠性，在未來設計電機時將使其具有自傳感位置、速度信息的功能。例如可設計轉子凸極效應從而在運行時由此效應得到轉子位置等信息。 （4）為提高并聯的功率變換裝置或并聯器件的可靠性，要求實時溫度控制成為未來ED系統的常規內容。此時，需要將溫度傳感器和基于母線的通訊集成于該系統的結構之中，以保證熱負載的分配及魯棒性。 （5）將會在系統級和功率模塊級中集成更多的微型傳感器,這樣就可以以極低的成本達到很高的可靠性。這種“傳感器集成”的方法將會體現在未來ED的設計之中。 這篇文獻的中文翻譯請見文獻[10>。 3 產業界 3.1 交流變頻裝置 （1）越來越多的企業推出了具有高性能無速度傳感器矢量控制或DTC控制的通用變頻器，為代表的是日本三菱公司的新一代通用變頻器RP-A700系列。該公司把2005年推出的最高端伺服系統RP- V500的速度控制器結構和轉動慣量在線辨識等功能移植到了RP-A700中[11>。三菱號稱該產品實現了真正的無速度傳感器矢量控制技術。該產品的在無速度傳感器條件下速度范圍為1:200 （對0.3Hz～60Hz），速度響應速率為120rad/s。如果使用編碼器，速度控制性能為，調速范圍1:1500，精度±0.01%，速度響應速率300rad/s （在模型自適應控制方式下）;轉矩控制性能為：轉矩控制范圍1:50，在自整定（auto tuning）條件下轉矩控制的絕對精度為±10%, 重復運行時的轉矩精度為±5%。 （2）國內高壓大容量變頻器制造公司的隊伍不斷擴大。除了原有的北京利德華福、成都東方日立、中山明陽之外，哈爾濱九洲電氣、上海科達、廣東智光、北京動力源等公司也紛紛制造出了級聯式高壓變頻裝置。據不完全統計，國產品的總銷量已占據國內銷售總量的50％以上。 3.2 交流伺服系統 目前產業應用的交流伺服系統包括以下幾個方面技術[12>: （1）精密加工及電機制造技術； （2）系統參數辨識、數學建模與矢量控制技術； （3）DSP芯片與微控制器技術； （4）功率電子模塊技術； （5）智能傳感器技術。 隨著微電子技術的高速發展，交流伺服系統開始從采用微控制器和DSP的控制方式向片上系統（SOC：System on chip）發展。未來的交流伺服系統將建立在以上技術、理論和經驗設計的基礎上，引入軟件IP伺服控制的設計思想，重點突破軟件伺服功能模塊的算法以及電機動態參數辯識和控制模型重構等問題，通過功能模塊在線編程、針對被控對象負載變化的大小要求，對交流永磁同步電機或交流異步電機的位置、轉速、加速度和輸出轉矩實現高精度地軟件矢量伺服控制。 3.3 元器件與電力拖動系統相關的數字控制器和電力電子器件正在突飛猛進地發展。 （1）數字控制器 目前對于高性能的ED，其控制系統的核心逐漸由單一的MCU，逐漸過渡為DSP＋MCU混合芯片。盡管不同的公司所推出產品的名稱不盡相同，但其主要構架是由DSP內核加上MCU外設所組成。隨著電力傳動產業化的不斷深入，對控制核心的各個方面的要求也越來越高，不僅需要較高的計算和控制性能，而且需要較低的產品價格。各大公司也紛紛瞄準該領域，迅速推出自己的產品，使得在設計ED時有了更多更好的選擇。 ●TI公司（德州儀器）于2006年11月推出了4款32位DSP,即TMS320F28015、F28016、F2801-60、F2802-60。TI公司將其稱為基于DSP的低成本控制器，每千片的價格根據型號不同在4美元/片左右，這4款DSP的主頻均為60MHz。這些DSP的設計強調了易用性的理念，同時針對電機控制采用了12位ADC、正交編碼器接口、可多達10個獨立PWM通道，還集成了CAN、I2C、UART、SPI等模塊。特別是針對電源控制應用方面，推出了高分辨率PWM模塊（HRPWM），其分辨率可達150×10-12s。當采用16位精度控制時，可以實現100kHz的控制周期；而采用12位控制時，可以實現1.5MHz控制周期。該特點對提高控制系統的性能，降低變換器的體積和重量都將起到積極的作用。 ● Freescale公司（飛思卡爾）在2006年9月也推出了4款16位新型DSP 56F8000 DSC系列產品，即56F8037、56F8036、56F8025和56F8023，Freescale公司將其稱為數字信號控制器（DSC）。每千片的價格根據型號不同在4美元/片左右。56F8000系列采用了飛思卡爾的56800/EDSC內核，該內核提供32MIPS和單周期乘法累加（MAC），該系列產品將數字信號處理器的性能和快速計算與微控制器的易用性和控制功能結合起來。由于采用較好的內部總線設計，其實際指令執行速度可以達到較高水平。該系列產品可以提供16位96MHz的PWM，并且具有可編程故障功能。高度精確的12位模數轉換器（ADC）具有1.125ns的轉換速率。為了進行高控制性能，該產品還具有ADC與PWM同步功能。針對電力傳動控制系統特點，在芯片中集成了12位DAC，模擬信號比較器、正交編碼器接口、電源監控器、CAN、I2C、UART、SPI等模塊。除了電源引腳外，其它引腳幾乎都可以配置成為GPIO（通用IO）口。 ●Renesas公司（瑞薩）的MCU產品也廣泛應用于各種電機控制產品中。M16C系列MCU為16位產品，每千片的價格根據型號不同在5～6美元/片左右。M16C的主頻在20～32MHz之間，在其高端產品SH2上采用了5級流水線結構，提高了指令執行速度。針對電機控制的特點，該系列產品集成了ADC、PWM、定時器、正交編碼器接口等主要模塊，以及CAN、I2C、UART、等模塊。M16C的采用單一的3V或者5V電源供電。ADC與PWM具有同步功能，而且可以在一個PWM周期中對兩個ADC采樣保持器分別進行延時啟動觸發，該功能適合于利用一個采樣電阻來檢測三相電機電流。 （2）電力電子器件 目前電力電子器件設計技術發展迅速，特別是在高壓大容量器件方面。單個IGCT器件已達到4.5kV～6.5kV、4kA的水平，適用于動態不間斷電源（DUPS）、有源濾波（APF）、統一潮流控制器（UPFC）、靜止補償器（STATCOM）、固體狀態斷路器（SSB）、中壓電機驅動、新能源領域等等。ABB公司推出的IGCT為單片器件，不再使用焊接或者鍵合導線，而是采用了獨立的彈簧壓力封裝技術。這一技術使得器件對壓力不均勻性的敏感程度大為降低，因此對器件安裝所需的機械技術指標有更高的容差，同時允許更高的安裝緊固壓力。所有這些都大大提高了器件在高壓大容量應用領域的可靠性。IGCT具有較低的導通損耗和開通損耗，工作溫度可達-40℃～140℃，同時可以自身提供驅動電源。可以預見，IGCT在高壓大功率電力電子變換裝置領域中會越來越受到人們的重視。 4 熱門應用話題 4.1 在可再生能源中的應用 在IEEE支持的IPEMC’06（中國上海）、PEMC’06（韓國濟洲島）會議上，一個共同的熱點是與可再生能源有關的技術問題，如太陽能利用、風力發電、等等。IEEE-IE的會刊在2006年4、5期登載了題為“Renewable Energy a n d Distributed Generation Systems”的專集。在這些會議和文獻中，在風力發電領域，與ED相關的主要問題是： （1）高效、可靠的大容量電機及其逆變電源制造和技術； （2）系統最大能量跟蹤技術； （3）系統并網技術等。 過去25年期間風力發電機組容量的變化如圖2所示[13>，這也反映出大容量逆變電源在風力發電系統發展中所處的地位。目前的風電系統的主流拓撲如圖3（a）所示、采用雙饋發電機、齒輪減速箱和轉子側4象限逆變電源。為了進一步提高系統的可靠性、減少系統的維護量，近年的趨勢之一是采用如圖3（b）所示的大容量同步或永磁同步電機及直驅控制結構[13,14,15>。于是，可靠的兆瓦級逆變電源技術將進一步得到發展。 4.2 在節能中的應用 要到達我國政府提出的“十一五”時期“單位國內生產總值能源消耗降低20％左右”的目標，絕非易事。由于大型電機采用調速控制方式后的節能效果十分明顯并已經得到大部分工礦企業的認同，因此，大容量ED的應用于節能和工藝改進時的市場前景十分廣闊。 將ED用于節能和工藝改進時的一個重要問題是產品投入后的資金回收期問題。我國前幾年推廣交流電機變頻技術時，實施過用使用方節約電能的費用支付變頻設備貨款的方案。為了提高可實施性，還需要相關政策、法律的保證。 4.3 性價比高的交流伺服系統 國際大型公司ABB、西門子、三菱、安川等廠商的交流伺服系統一直處于全球領先地位。現在，中國國內市場95%的市場為這幾家公司所有。據估計，2006年國內保持了大約20％的市場增長率、未來的1、2年內，國內市場規模可望突破20億人民幣。國內公司，如北京和利時、華中數控、上海開通、臺灣臺達、西安微電機所等，已經取得了某種程度的技術突破并形成了一定的供貨能力，如果在近期在關鍵核心技術上有所突破并加大科研開發力度，將會促進其產業的規模化發展。 5 結束語 展望電機拖動系統領域的技術發展雖力所不能及，然而由上述回顧，可以總結出反映今后幾年技術動向的幾個關鍵語句如下： ● 無速度傳感器矢量控制的高性能化; ● 高可靠的大容量電機和變頻技術; ● 高性價比的數字控制器和電力電子器件； ● ED在節能、環保和可再生能源等領域的應用。