电机驱动与运动控制领域的五大技术创新
本文图片来源：贝加莱
作者 | Frank J. Bartos
电机驱动技术、功率开关晶体管和微处理器、控制复杂度、软件影响以及机电一体化，一直是运动控制技术发展的重要领域。
也许在过去的60多年里，电机驱动与运动控制领域发展的步伐可能已经放缓了，但关于那些成熟技术的创新仍在继续。预计以下这五个领域的进步将会持续推进电机驱动与运动控制行业的发展。
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电机驱动技术的进步
电机驱动技术为全球无数的制造和生产线提供可靠的动力保障。随着时间的推移，这一领域最大的发展之一就是变频器，可以为工业领域的交流感应电动机提供可靠的速度和转矩控制。新型变频器能够控制永磁交流同步电机，从而增加了其功能的多样性。伺服和步进驱动器，在各种类型的伺服和步进电机的转矩和位置控制方面取得了显著的性能改进。它们以各自较低的功率范围对应用场景进行补充。
硬件和软件创新是这些电机驱动发展的推动力。主要的硬件开发，包括电源开关晶体管和微处理器。软件创新包括新的软件工具的开发，这些工具可以完成以前不可能实现的复杂控制算法。随着可用性的提高，软件还使电动机驱动变得对用户更加友好。
特别是大幅减少了变频器的规格尺寸和重量。大体积的机柜让位于紧凑的电子外壳，这些外壳可以安装在电动机附近，以适合特定的制造工厂布局，有的甚至可以安装在电动机上，具体取决于不同应用的电源需求。
1990 年代，曾出现了一类所谓的“微型驱动器”，其中有一个型号甚至只有0.19kW，可以放在技术人员的衬衫口袋中。是的，这是不切实际的应用，但却形象的说明了事事都有可能。伺服驱动器和步进驱动器也得益于持续不断的电子控制小型化。
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功率开关设备和微处理器
调节输入电流/ 电压波形以进行电机控制的功率开关晶体管是电机驱动装置的核心。在早期的驱动中，可控硅整流器（一种固态开关）和栅极关断晶闸管（功率半导体）起着电源开关的作用。它们代表着成熟技术，并且仅在某些大功率驱动器应用中才能看到有限的应用。
随着计算机和数字技术的迅猛发展，电机驱动逐渐转移到基于数字微处理器（MPU）的设计中，这种设计至今仍然占据着主导地位。新出现的一种新型半导体——绝缘栅双极晶体管（IGBT），已成为当今电机驱动的主要功率开关器件。IGBT 结合了金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）输入和双极晶体管输出的最佳特性。其它功能还包括，因绝缘栅带来的快速切换功能和更低的损耗。例如，IGBT 的进步带来了更快的开关速度和在更高电压下运行的能力。
微处理器和数字信号处理器（DSP）的功能在不断提高。更高的计算速度可以更快地响应负载动态，并可以与运动系统的其它部分进行近乎实时的通信。内存可以将更多容量压缩到微芯片中，从而在软件和硬件中实现更复杂的运动控制算法。
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控制复杂度
多功能交流变频器提供3 种主要的电机控制方法。开环控制是第一个且最简单的方法。它提供合理的速度调节，并且无需反馈装置即可运行。磁通矢量控制（FVC）处于变频器性能的最高水平，并具有多种变化。磁场定向FVC 通过对产生磁通量和转矩产生电流分量的独立控制来模拟直流电机和交流电机的特性，从而获得对电机转矩和功率的最佳控制。FVC 使用反馈设备（通常是编码器）来获取电机轴位置和速度信息。控制算法依赖复杂的电机模型，并实现单独的速度和转矩环路。全矢量控制可以在低速（有时甚至接近零转速）时提供高扭矩。
在上述两个极端之间的是无传感器矢量控制（也称为开环矢量控制，SVC），这是另一种替代方案，可提高开环控制变频器的低速转矩、速度调节和启动转矩能力。尽管SVC变频器无需反馈装置即可工作，但它们可以使用电机电流和电压信号估算转矩电流、励磁电流以及它们之间的矢量关系，以实现对电机的精确控制。它们还依赖于准确的电机模型。较新的变频器能够提供上述所有控制类型，甚至包括在某些应用中很有用的开环控制。
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软件的影响
这些公式和电机模型很早以前就存在了，但是它们在动态运动控制程序和算法的软件中的应用是直到计算机普及之后才实现的。同时，在运动控制器和变频器应用中所使用的MPU、数字信号处理器和微芯片，其性能也在不断提高，使得更高的执行速度和巨大的内存增长成为可能。在同一个变频器中，可以集成上面提到的多种电机控制拓扑，经济上也更合理。一个简单的软件参数变更，即可更改控制模式。
▎通过适当软件进行的计算机仿真，可以在构建硬件之前进行虚拟原型机测试，以评估不同的运动控制系统设计。图片来源：安川电机
运动控制软件的另一个好处是可以帮助设置变频器和电机，尤其是伺服驱动器。仿真是软件创新的另一个领域。它允许在构建硬件之前，用软件对运动控制系统进行“虚拟原型机”。
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机电一体化
传统上，机械和电子系统是物理上分开的单元。1990 年代中期，当电机和控制集成大规模出现时，运动控制领域也发生了巨大的变化。许多制造商推出了一系列产品：首先是将交流感应电机和变频器集成，即所谓的集成电机。然后，类似的组合单元，还可包含伺服和步进电机及其各自的控制器。
▎机电一体化的主要示例是将电机和变频器组件组合到一个封装中。集成步进电动机的分解图展示了该技术， 该技术也适用于其它类型的电机。图片来源：Applied Motion
为电机配置机载电子控制装置可为用户带来各种好处，例如：较低的安装成本，无需在电动机和变频器之间进行长距离布线，减少相关导管架，系统组件更少，诊断和维护更容易，控制架构也更简单。但是，集成电动机的成功率低于预期，主要问题出在感应电动机和变频器领域。尽管如此，这些感应电动机/ 变频器组合仍有一定的市场，最大功率可达22kW，可用于适当应用和混合动力控制架构。
关键概念：
■ 更高的计算速度可以与运动系统的其它部分进行近乎实时的通信。
■ 通过简单的软件参数设置，就可以实现运动控制模式的更改。
■ 为电机配置机载电子控制装置可户带来各种好处。
思考一下：
您希望进行哪些关键功能开发来推进运动控制优化？