新技術的發展給電機控制行業帶來了新的發展機遇，從控制理論的發展 新技術的發展給電機控制行業帶來了新的發展機遇，從控制理論的發展、電力電子技術的發展以及計算機技術在控制領域的應用等方面，結合目前的現狀，介紹國內外這些領域內的最新進展。尤其是專用集成電路、DSP數字信號處理 和 FPGA近年來令人矚目的發展，給電機控制系統帶來新的契機。 　　關鍵詞 電機控制 矢量控制 數字信號處理器可 編程門陳列 廿世紀后期的電子技術(包括大規模集成電路技術、電力電子技術和計算機技術)的飛速發展以及現代電機控制理論的完善，仿真工業的日漸成熟，極大地推動了作為機電能量轉換的基本單元電動機控制技術的發展，這種發展對各行各業的影響是巨大的。進入廿十一世紀后，電子技術、計算機技術和電機控制技術相結合的趨勢更為明顯，促進電機技術以更快的速度發展著。本文總結這些新技術的發展給電機控制帶來的新機遇，從控制理論、控制器、電力電子技術以及微型計算機技術的應用，結合電機控制的現狀，介紹國內外的這些領域內的最新技術進展，展望今后的趨勢，希望有助于大家了解并追蹤電機控制領域中的最新技術和信息，把握行業的發展方向。 　　一、電機控制理論 　　自70年代異步電動機矢量變換控制方法提出，至今已獲得了迅猛的發展。這種理論的主要思想是將異步電動機模擬成直流機，通過坐標變換的方法，分別控制電機的勵磁電流分量與轉矩電流分量，從而獲得與直流電動機一樣的良好的動態調速特性。這種控制方法現已較成熟，已經產品化，且產品質量較穩定。因為這種方法采用了坐標變換，需要進行快速、復雜的數學運算，所以對控制器的運算速度、處理能力等要求較高，微型計算機技術的發展為矢量變換控制的實現提供了良好的外部條件。近年來，圍繞著矢量變換控制的缺陷，如系統結構復雜，非線性和電機參數變化影響系統性能等問題，國內外學者進行了大量的研究。 　　1985年，德國的Depenbrock教授提出一種新的控制方法，即異步電動機直接轉矩控制系統。它就是上述研究的結果。它不需要坐標變換，也不需要依賴轉子數學模型，理論上非常誘人。實驗室條件下也已做出性能指標相當高的樣機。只是還有些問題未解決，如低速時轉矩觀測器和轉速波動等，未能產品化。現在市面上自稱實現了轉矩直接控制的系統，大多都是或者采用了將磁鏈定向與直接轉矩控制相結合的方法，低速時采用磁鏈定向矢量變換控制，高速時采用直接轉矩控制。或者同時觀測轉子磁鏈，作為直接轉矩控制系統的校正。一來這種方法平穩切換的時機較難確定，目前德國大學的學者正在研究這問題；二來如果低速時采用磁鏈定向矢量控制，或者采用觀測轉子磁鏈的方法，還是要依賴轉子參數。也就是說只要有轉子磁鏈的成分在里面，就還是對轉子參數較敏感。無法體現直接轉矩控制的優勢。看來，完全的轉矩直接控制離產品化還有一段距離。 　　除此之外，基于現代控制理論的滑模變結構控制技術、采用微分幾何理論的非線性解耦控制、模型參考自適應控制等方法的引人，使系統性能得到了改善。但這些理論仍然建立在對象精確的數學模型基礎上，有的需要大量的傳感器、觀察器，因而結構復雜，有的仍無法擺脫非線性和電機參數變化的影響，因而需進一步探討解決上述問題的途徑。 　　縱觀電機工業的發展史，幾乎每一次大的發展都有理論方面的突破。但現在作為較成熟的電機控制理論，再提出具有劃時代意義的理論不太容易。因此，今后相當一段時間內還會是將現有的各種理論加以結合，互相取長補短，或都將其它學科的理論、方法引入電機控制，走交叉學科的道路，以解決上述問題。近年業，智能控制研究很活躍，并在許多領域獲得了應用。典型的如模糊控制、神經網絡控制和基于專家系統的控制。由于智能控制無需對象的精確數學模型并具有較強的魯棒性，因而許多學者將智能控制方法引入了電機控制系統的研究，并預言未來的十年將開創電力電子和運動控制的新紀元。比較成熟的是模糊控制，它具有不依賴被控對象精確的數學模型、能克服非線性因素的影響、對調節對象的參數變化具有較強的魯棒性等優點。模糊控制已在交直流調速系統和伺服系統中取得了滿意的效果。它的典型應用如：用于電機速度控制的模糊控制器；模糊邏輯在電機模型及參數辨識中的應用；基于模糊邏輯的異步電動機效率優化控制；基于模糊邏輯的智能逆變器的研究等。近年來已有一些文獻探討將神經網絡控制或專家系統引入異步電動機的直接轉矩控制系統，相信不久會有實用的結果。 　　二、電機控制器 　　有了好的控制方法，還需要有能將其實現的控制器。可靠性高，實時性好是對控制系統的基本要求。最初的電機控制都是采用分立元件的模擬電路，后來隨著電子技術的進步，集成電路甚至電機控制專用集成電路被大量在電機控制中引用，這些電路大多為模擬數字混合電路，它大大提高了電機控制器的可靠性、抗干擾能力、又縮短了新產品的開發周期，降低了研制費用，因而近年來發展很快。 　　作為專用集成電路(ASIC－－－ApplicationSpecificIntegratedCircuit)的一個重要方面，目前世界上幾乎所有的大半導體廠商都提供了自己開發的電機控制專用集成電路。所以電機控制專用集成電路品種規格繁多，產品資料和應用資料十分豐富。但同時由于各廠商之間無統一標準，因而產品極其分散，又不斷有新產品出現，為滿足一次設計的需要，往往要花很大力氣和時間去收集整理資料。當前電機控制的發展越來越趨于多樣化、復雜化，現有的專用集成電路未必能滿足苛刻的新品開發要求，為此可考慮自己開發電機專用的控制芯片。現場可編程門陳列(FPGA)可以作為一種解決方案。作為開發設備，FPGA可以方便地實現多次修改。簡單地打個比方，FPGA相對于ASIC好比EPROM相對于掩膜生產的ROM。由于FPGA的集成度非常大，一片FPGA少則幾千個等效門，多則幾萬或幾十萬等效門。所以一片FPGA就可以實現非常復雜的邏輯，替代多塊集成電路和分立元件組成的電路。它借助于硬件描述語言(VHDL或VerilogHDL)來對系統進行設計，硬件描述語言擯棄了傳統的從門級電路向上直至整體系統的方法。它采用三個層次的硬件描述和自上至下(從系統功能描述開始)的設計風格，能對三個層次的描述進行混合仿真，從而可以方便地進行數字電路設計。具體層次及其簡單介如下：第一層為行為描述，主要是功能描述，并可以進行功能仿真；第二層是RTL描述，主要是邏輯表達式的描述，并進行RTL級仿真；第三層是門級描述，即用基本的門電路進行描述，相應地進行門級仿真。最后生成門級網絡表，再用專用工具生成FPGA的編程碼點，就可以進行FPGA的編程了。試制成功后，如要大批量生產，可以按照FPGA的設計定做ASIC芯片，降低成本。目前已有探討這方面可行性的文章，有興趣的讀者可參閱。 　　電機控制專用集成電路的出現對電機控制的影響是深遠的，它大大地推動了電機控制行業的發展，市場前景十分廣闊，只可惜國內的集成電路廠商至今還不能在這一市場上占據應有的份額。 　　隨著技術的進步，特別是數字化趨勢廣泛流行的今天，人們不會滿足于停留在模擬數字混合的時代。 　　現在市場上較通用的變頻器大多采用單片機來控制，應用較多的是8096系列產品。但單片機的處理能力有限，對采用矢量變換控制的系統，由于需要處理的數據量大，實時性和精度要求高，單片機往往不能滿足要求。人們自然而然地想到數字信號處理器(DSP)。近年來，各種集成化的單片DSP的性能得到很大改善，軟件和開發工具也越來越多，越來越好；價格卻大幅度降低，目前低端產品已接近單片機的價格水平，而其比單片機具有更高的性能價格比。從而使 DSP器件及技術更容易使用，價格也能為廣大用戶接受。越來越多的單片機用戶開始選用DSP器件來提高產品性能，DSP器件取代高檔單片機的時機已成熟。 　　與單片機相比DSP數字信號處理器件具有較高的集成度。DSP數字信號處理具有快的CPU，更大容量的存儲器，內置有波特率發生器和FIFO緩沖器，提供高速、同步串口和標準異步串口。有的片內集成了A/D和采樣/保持電路，可提供PWM輸出。更為不同的是，DSP器件為精簡指令系統計算機(RISC)器件，大多數指令都能在一個指令周期內完成，并且通過并行處理技術，使一個指令周期內可完成多條指令。DSP數字信號處理采用改進的哈佛結構，具有獨立的程序和數據空間，允許同時存取程序和數據。內置高速的硬件乘法器，增加的多級流水級，使DSP器件具有高速的數據運算能力。而單片機為復雜指令系統計算機(CISC)，多數指令要2 －3個指令周期來完成。單片機能采用諾依曼結構。程序和數據在同一空間存取，同一時刻只能單獨訪問指令或數據。ALU只能做加法，乘法需要由軟件來實現，因此占用較多的指令周期，也就是說速度比較慢。所以,結構上的差異使DSP器件比16位單片機單指令執行時間快8－10倍，完成一次乘法運算快16－30 倍。簡單地說，就是DSP器件運算功能強，而單片機的事務處理能力強。DSP器件還提供了高度專業化的指令集，提高了FFT快速傅里葉變換和濾波器的運算速度。此外，DSP器件提供JTAG(JointTsetActionGroup)接口，具有更先進的開發手段，批量生產測試更方便。 　　為了在廣闊的電機控制市場搶占份額，各大DSP生產廠商紛紛推出自己的內嵌式DSP電機專用控制電路。如占DSP市場份額45％的美國德州儀器公司，憑借自己的實力，推出了電機控制器專用DSP-TMS320C24x(TMS320F24x片內ROM為可擦寫)。新的TMS32024xDSP 采用TI的T320C2xLP16位定點DSP核心，并集成了一個電機事件管理器，后者的特點是可以最佳方式實現對電機轉向的電子控制。該器件利用TI的可重用DSP核心技術，顯示出TI的特殊能力-通過在單一芯片上集成一個DSP核及其數字和混合信號外設件，制造出面向各種應用的DSP方案。 TMS320C24x作為第一個數字電機控制器的專用DSP系列，可支持電機的轉向、指令的生產、控制算法的處理、數據交流和系統監控等功能。集成化 DSP核、最佳化電機控制器事件管理器和單片式A/D設計等諸多因素加在一起，就可提供一個單芯片式數字電機控制方案。系列中的TMS320C240包括一個20NIPSDSP核、一個事件管理器、兩個串行口、一對10位A/D轉換器、一個32位數字I/O系統、一個監視計算器、一個低電壓監視器和一個 16K字符快部分存儲器，它利用TMS320的定點DSP軟件開發工具和JTAG仿真支持，可使電機控制領域的開發商方便地從微控制器升遷至新的DSP。美國模擬設備(AD)公司也不甘落后，與著名intel公司合作，生產出ADMC3xx系列電機控制專用DSP，性能與TI公司的產品相差不大，也是基于 AD公司的16位定點DSP核ADSP2171來設計的，它還集成了三相PWM產生器(16位)和A/D轉換器。其它比較有名的生產DSP的廠商還有 Motorola公司和NEC公司。采用基于DSP的電機控制專用集成電路的另一個好處是，可以降低對傳感器等外圍器件的要求。通過復雜的算法達到同樣的控制性能，降低成本，可靠性高，有利于專利技術的保密。用電機控制專用的DSP集成芯片通過卡爾曼濾波器算法實現無位置傳感器的無刷直流電動機控制即是一典型例子。 　　有時，系統要求的人機交互、打印等控制較多，一個DSP不能勝任，這時可采用一個單片機來處理事務，一個DSP來處理運算的異型多處理器系統。但這樣做，既增加了兩個處理器之間同步和通信的負擔，又使系統實時性變壞，延長系統開發時間。此時，采用Tricore是解決問題的好方法，它把微處理器、微控制器和數字信號處理器的能力集成于一塊芯片上，從而能單片解決遇到的大多數工程問題。