信息化时代的电气传动技术
   
    陈伯时 (上海大学， 上海200072)

   
    摘 要：当前世界上正处于信息化的时代，而我国工业化尚未完成，以信息化带动工业化是我们的重要任务。电气传动是工业化的重要基础。正如人体，信息技术好比大脑和神经，生产机械好比四肢，电气传动则是牵动四肢运动的肌肉与骨骼，大脑再聪明，如果肌肉与骨骼不灵，人体也只能瘫痪。当然电气传动也要适合信息化时代的需要而发展。信息化时代的电气传动技术包含三方面的主要内容：（1）数字控制和数据通信成为电气传动控制的主要手段，（2）电力电子变换器是信息流与物质/能量流之间必需的接口，（3）可控交流电气传动逐步取代直流传动已经成为不争的事实。
    关键词：信息化 电气传动 数字控制 数据通信 电力电子变换器 可控交流传动
   
    Electric Drive Technology in the Informationlization Era
    Abstract：Now the world is being in the era of informationlization. To promote industrialization with informationlization is our important mission. Electric drive is one of the important base of industrialization. Just as in the human body, information technology works as brain and nerves, machines act as arms and legs,
    and electric drives as muscles and bones. Even though the brain is very clever,
    the body should be palsy, if muscles and bones don’t work. Of course, electric drive should also be developing according to the need of informationlization era. The electric drive technology in informationlization era consists of 3 principal aspects: (1) Digital control and data communication become the main measures of control of electric drives, (2) Power electronic converters are the necessary interface between information flow and matter/energy flow, (3) Gradual substitution of dc drives by adjustable ac drives become an indisputable fact already.
    Key words: Informationlization Electric drive Digital control Data communication Power electronic converter Adjustable ac drive
   
    当前，世界这艘航船正行驶在信息化的海洋中，信息技术已成为推动生产力发展的重要动力。我国在生产力特别是科学技术方面总体上虽然还比较落后，但在党中央的英明领导下，正迎头赶上信息化的浪潮，信息产业及其应用正在蓬勃发展，成为覆盖现代化建设全局的战略举措。然而，许多先进的工业国家是在完成了工业化的历史任务后向信息化的时代迈进的，他们开发信息产业具有雄厚的基础。而我国还是以农业为主的国家，根据去年第5次人口普查的统计，乡村人口还占总人口的63.91%,我国的工业化尚未完成，基础工业还比较薄弱。所以必须在发展信息化的同时，特别强调“以信息化带动工业化”，才能“发挥后发优势，实现社会生产力的跨越式发展”（《中共中央十五届五中全会公报》）。
    所谓电气传动，是指用电动机把电能转换成机械能，去带动各种类型的生产机械、交通车辆以及生活中需要运动的物品。自从人类发明并掌握各种机械帮助自己劳动以来，就需要有推动机械的原动力，除人力本身外，最初使用的是畜力、水力和风力，后来又发明了蒸汽机、柴油机、汽油机，19世纪才发明电动机。由于（1）电机的效率高，运转比较经济，（2）电能的传输和分配比较方便，（3）电能容易控制，因此现在电气传动已经成为绝大部分机械的传动方式，成为工业化的重要基础。
    在信息化浪潮中，信息技术带动着先进生产力的发展，这是无可争辩的事实。因此，人们多热中于通信、计算机以及软件等行业，电气传动技术多少有些受到冷淡。但必须注意的是，电气传动是工业化的重要基础，信息本身并不能直接让机器转动，信息技术必须通过电气传动才能带动工业化。正如在人体中，信息技术好比是大脑和神经，生产机械好比是四肢，电气传动则是牵动四肢运动的肌肉与骨骼。大脑再聪明，如果肌肉和骨骼不灵，人体也只能是瘫痪的。当然，电气传动技术也必须在信息技术的推动下，适应信息化时代的需要而向前发展，才能真正成为以信息化带动工业化的关键环节。
    1 数字控制和数据通信成为电气传动控制的主要手段
    最早的自动控制手段是机械控制，后来逐步让位于电气控制和电子控制。近代的电气传动控制手段几乎都是电子控制，常用的电子控制方法有两种：模拟控制和数字控制。自20世纪70年代以来，体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化，把电子控制推上了一个崭新的阶段，以微处理器为核心的数字控制（简称微机数字控制）成为现代电气传动系统控制器的主要形式。目前，常用的微处理器有：单片机（SCP）、数字信号处理器(DSP)、精简指令集计算机(RISC)和包含微处理器的高级专用集成电路(ASIC)。
    由于计算机除一般的计算功能外,还具有逻辑判断和数值运算的能力，因此数字控制和模拟控制相比有两个突出的优点：（1）数字控制器能够实现模拟控制无法实现的各种比较复杂的控制策略，（2）数字控制系统能够完成故障的自诊断，提高诊断过程的智能化。
    1.1 数字控制器的优越功能
    PI调节器是电气传动控制系统中最常用的控制器，现在就以PI调节器为例来说明数字控制器的优越功能。
    在PI调节器中，比例部分能快速响应控制作用，而积分部分是偏差的积累，能最终消除稳态误差。在模拟PI调节器中，只要有偏差存在，P和I就同时起作用，因此，在满足快速调节功能的同时，不可避免地会带来超调，严重时将导致系统振荡。采用微机数字控制时，可以不拘泥于模拟控制器的数字化，还可以充分利用计算机的功能加以改进，例如积分分离法、分段PI算法、智能型PI调节器等。
    积分分离法的关键就是把P和I分开。当偏差大时，只让比例部分起作用，以快速减少偏差。当偏差低到一定程度后，再将积分投入，以最终消除稳态误差。这样两种作用各得其所，避免了相互之间的矛盾，提高了系统的控制性能。
    在分段PI算法中，为了解决动态跟随性和稳定性之间的矛盾，对比例系数和积分系数分别取两套或多套参数，根据转速或/和电流偏差的大小，在不同套参数之间进行切换，以提高系统的控制性能。
    近代智能控制包含专家系统、模糊控制、神经元及其网络控制、遗传算法等等，其突出特点是：控制算法不依赖或不完全依赖于对象模型，因而系统具有较强的鲁棒性。采用单神经元和专家系统相结合的方法，可以构成一类智能型PI调节器。以转速偏差、偏差的积分和实际转速变化率为控制信号，它们分别代表了系统输出的当前、过去和将来三种状态。按照专家系统的方法，在不同条件下，改变三种信号的加权系数，合理地综合这些信号，使系统在允许条件下，尽快消除转速偏差，又不产生或少产生超调，达到最佳运行状态。这样的智能控制系统的动态性能将大大优于传统的PI调节系统。而且，其动态性能仅仅决定于系统的实际偏差及其变化率，与控制对象参数无关，因而鲁棒性也很强。
    1.2 数字控制系统的故障检测、保护与自诊断
    能够实现较全面的故障自诊断是计算机数字控制系统的另一优点。利用计算机的逻辑判断与数值运算功能，对实时采样的检测数据进行必要的处理和分析，再利用故障诊断模型或专家知识进行推理，可对故障类型和/或故障发生处做出正确的判断，这就是故障自诊断。计算机故障自诊断虽然还不能完全取代人工故障诊断，但计算机系统能真实可靠地记录发生故障的时刻及其前一段时间内系统的运行状态，为人们的最终判断提供有力依据，这又是单纯人工诊断所不能及的。计算机故障自诊断的前提是计算机能可靠地工作，检测元件也正确无误，而对于计算机和检测元件本身的故障还得依靠人工来检查。
    1.3 数据通信在电气传动系统中的应用
    对于单台生产设备的电气传动，一般只要构成微处理器-电力电子变换器-电动机系统就可以了。如果控制和管理的任务比较复杂，可采用多微机系统，这时，在各台微机之间必须建立数据通信通道。常采用串行通信接口，如RS232,RS422,RS485等，其硬件简单，但传输速率不高。
    对于规模生产的生产线，往往需要多台设备的连续协调控制，则可用PLC控制几台设备，再由上位机指挥若干台PLC。上位机、PLC、各台控制器和检测元件之间的信息联系（指令信息、反馈信息、监测信息）过去都要通过控制电缆，现在则可用现场总线或计算机网络来代替密密麻麻的电缆，用通信板和通信协议（如Profibus,Interbus等）来实现联系，其传输速率高、通信距离长、出错概率低。于是，电子控制又由数字化进一步发展到网络化。
    2 电力电子变换器是信息流与物质/能量流之间必需的接口
    电力电子技术是信息流与物质/能量流之间的重要纽带，如果没有电力电子变换，没有弱电控制强电的接口，则信息始终就是信息，不可能真正用来控制物质生产。现在，电力电子技术的发展正处于壮年期，新的电力电子器件和变换技术仍在不断涌现出来。
    电力电子器件的发展已经经历过三个平台：（1）晶闸管（SCR）,（2）GTR和GTO，（3）IGBT。目前，市场上能够广泛供应的IGBT其电压和电流容量有限，一般只够中、小容量的低压电气传动使用。容量再大时，还得采用GTO，而GTO的可靠性总是不能令人满意的。于是世界上很多电力电子企业和研究所都在努力开发新型的高压功率开关器件，已经问世的有IGCT,IEGT以及3300-6000V的IGBT等，可供中压、大容量电气传动使用。电力电子器件的进一步发展方向是；模块化和集成化、高频化、改善封装、采用新材料（如SiC）等。
    在电力电子变换器中，用于控制直流电机的主要是由全控器件组成的斩波器或PWM变换器，以及晶闸管相控整流器。用于控制交流电机的主要是变压变频器，其中中、小容量的多为PWM变换器。常用的交流PWM控制技术有：
    （1）基于正弦波对三角波脉宽调制的SPWM控制；
    （2）基于消除指定次数谐波的HEPWM控制；
    （3）基于电流滞环跟踪的CHPWM控制；
    （4）电压空间矢量控制（SVPWM控制），或称磁链轨迹跟踪控制。
    在以上4种PWM变换器中，前两种是以输出电压接近正弦波为控制目标的，第3种以输出正弦波电流为控制目标，第4种则以被控电机的旋转磁场接近圆形为控制目标。显然第4种的效果最好，而且是直接控制功率器件的开关状态，算法简单，故应用最广。
    随着电力电子变换器的日益普及，谐波和无功电流给供电电网造成的“电力公害”越来越值得重视。解决这个问题的办法有二：（1）采用有源滤波和无功补偿装置，（2）开发“绿色”电力电子变换器。后者要求功率因数可控，各次谐波分量小于国际和国家标准允许的限度，显然这是一种治本的办法。
    目前已经应用的绿色变换器有：双PWM交-直-交变换器、多单元串联的中压变换器、多电平中压变换器等。受到普遍重视还在开发的有：交-交矩阵式变换器，它具有输入电流和输出电压都接近正弦波、能量传输可逆、可省去直流滤波电容等优点，但主电路略嫌复杂，如果能成功地开发出双向IGBT模块，则结构可大为简化。
    3 可控交流电气传动逐步取代直流传动已经成为不争的事实
    直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生。在20世纪大部分年代里，鉴于直流传动具有优越的可控性能，高性能可调速传动一般都用直流电机，而约占电气传动总容量80%的不变速传动则采用交流电机，这种分工在当时已成为举世公认的格局。直到20世纪70年代，由于采用电力电子变换器的高效交流变频传动开发成功，结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、效率高、转动惯量小的交流笼型电机进入了可调速领域，一直被认为天经地义的交直流传动按调速分工的格局终于被打破了。此后，交流调速传动主要沿着下述三个方向发展和应用：（1）一般性能的节能调速和工艺调速，（2）高性能交流调速系统，（3）特大容量、极高转速的交流传动。
    交流电机主要分异步电机和同步电机两大类。异步电机调速传动种类繁多，以其转差功率的去向来区分有三大类：（1）转差功率消耗型调速——如降电压调速、绕线电机转子串电阻调速；（2）转差功率回馈型调速——如绕线电机串级调速、内馈斩波调速、双馈调速；（3）转差功率不变型调速——如变压变频调速、变极对数调速。各种调速方法各有其用途，目前应用最普遍的是笼型转子电机变压变频调速。同步电机没有转差功率，故其调速只能是转差功率不变（恒等于0）型的，只能靠变压变频调速。开关磁阻电机是一种特殊型式的同步电机，有其独特的比较简单的调速方法。
    为了适应生产工艺的进步、节约能源以及自动化的需要，交流调速系统的控制策略也在不断发展。与直流电机不同，交流电机的动态数学模型是非线性、多变量、强耦合的，因此其控制策略也比较复杂，下面以笼型异步电机变压变频调速为例，介绍交流传动控制的发展脉络。
    3.1 基于稳态模型的控制策略
    在开始研究和应用交流调速时，人们对交流电机的动态模型还不十分清楚，只能从其稳态模型出发来探讨调速方法。为了充分利用电机铁心，希望在调速时保持磁通不变，应使定子感应电动势与频率成正比，如果忽略定子电阻，可使定子电压与频率成正比，于是出现了恒压频比的控制方法。至今这种方法仍普遍应用于没有高动态性能要求的节能调速和一般工艺调速中，例如风机、水泵调速。
    如果对调速性能有一定要求，可采用转速闭环控制。从异步电机稳态模型可以证明，当磁通恒定时，电磁转矩近似与转差频率成正比，因此控制转差频率就相当于控制转矩。采用转速闭环的转差频率控制，可得到平滑而稳定的调速，获得较高的调速范围。
    3.2 基于动态模型的控制策略
    鉴于异步电机动态模型的性质，按照动态规律来控制必然需要比较复杂的控制算法，这时采用数字控制恰好能使计算机的优越性得以发挥。现已获得广泛应用的高动态性能异步电机控制系统有两种：矢量控制系统和直接转矩控制系统。
    三相异步电机的动态模型虽然复杂，采用座标变换可以把它等效成直流电机模型，从而可以仿照直流电机进行控制。在矢量控制系统中，采用由转子磁链决定d-轴方向的dq同步旋转坐标系，可把定子电流分解为其励磁分量和转矩分量，从而实现二者之间的解耦，得到类似于直流电机的转矩模型，并仿照直流电机进行转矩控制。除此以外，还须利用磁链模型进行反馈，实现具有磁链闭环的直接矢量控制系统。也可以不用磁链反馈，而利用给定磁链计算转差频率，得到磁链开环的转差型矢量系统，或称间接矢量控制系统。
    直接转矩控制系统舍去了比较复杂的旋转坐标变换，仅在二相静止坐标系上构成转矩反馈信号，并用双位式砰-砰控制代替线性调节器来直接控制转矩，同时采用定子磁链的砰-砰控制，根据二者的变化选择电压空间矢量(SVPWM)的开关状态，以控制电机的转速。这种方法控制结构简单，转矩响应快，但输出转矩有脉动，影响系统的调速范围。
    3.3 无速度传感器的高动态性能调速
    上述高动态性能的交流传动系统都需要转速闭环控制，所需的转速反馈信号来自与电机同轴的速度传感器，其成本、安装、可靠性都有问题。如果能取消速度传感器而保持良好的控制性能，显然会大受欢迎的。目前，已有若干品种的无速度传感器高性能调速系统问世，但研究工作仍在继续。
    在无速度传感器控制系统中，可以通过容易测量的定子电压和电流信号间接求得转速。常用的方法有：（1）利用电机模型推导出转速方程式，从而计算转速；（2）利用电机模型计算转差频率，进行补偿；（3）根据模型参考自适应控制理论，选择合适的参考模型和可调整模型，同时辨识转速和转子磁链；（4）利用其它辨识或估计方法求得转速；（5）利用电机的齿谐波电势计算转速；等等。但是，无论哪一种方法，都难以保证很高的精度和很准确的动态转速，因此目前实用的无速度传感器调速系统只能实现一般的动态性能，其调速范围不过1：10左右。
   
    3.4 同步电机传动系统的控制策略
    前已指出，同步电机只能采用变压变频调速，其变压变频的原理和方法与异步电机调速基本相同。采用独立的变压变频器给同步电机供电的系统叫做他控式变频调速系统。由于同步电机运行时能保持严格的同步转速，如果在电机轴上安装一个能反映转子磁极位置的装置，称作转子位置检测器，用它发出的转子位置信号来控制变频器换相，则为自控式变频调速系统。
    常用的同步电机传动系统控制策略有：（1）小容量同步电机群恒压频比控制；（2）中、小容量永磁同步电机自控式变频控制（又称无刷直流电机控制）；（3）中、大容量励磁同步电机自控式变频控制和自然换流逆变器控制；（4）大容量同步电机按磁场定向矢量控制；（5）小容量永磁同步电机无位置传感器自控式变频控制（由电动势波形产生换相信号，他控变频启动）；（6）开关磁阻电机的控制；等等。应该看到，目前对同步电机控制策略的研究还不如对异步电机控制的研究那样深入而充分。
   
    作者简介：
    陈伯时 1928年6月生，福建闽侯人，1949年清华大学电机系毕业，1954年哈尔滨工业大学研究生毕业，1949-1983年在清华大学任教，1983-1998在上海工业大学、上海大学任教，教授，博士生导师，著有《电力拖动自动控制系统》《交流调速系统》等，曾任国务院学位委员会电工学科组成员、本学科几个全国学术团体负责人、欧洲电力电子学会国际指导委员会委员等，研究方向：电气传动（电力拖动）自动控制。