电气传动系统技术的回顾与展望

　　1 引言

　　2006年刚刚过去。在新的一年开始，回顾近两年在电机拖动系统（Electric Drive, 以下简称为ED）学术界的热门话题、与ED发展有关的数字控制器、元器件和典型产品的技术走向、以及在应用领域中的热门话题，可以看到该领域大致的技术发展趋势。

　　2 学术界

　　2.1 IEEE会刊

　　在2006年IEEE-IE会刊Vol.53, No.1～2中，由德国伍普脱大学Joachim Holtz教授作为客座主编，连续登载了两集有关交流异步电动机和同步电动机在无传感器条件下的高性能控制研究成果的专辑[1,2]，共刊载了异步电动机无速度传感器控制的论文21篇、永磁同步电动机和开关磁阻电动机无位置传感器控制的论文11篇。主编写道：“在过去30年，人们对感应电机无速度传感器控制的研究一直是饶有兴趣的……。感应电机无速度传感器控制的当前主要问题是，在低速下尤其在定子零频率附近，如何获得稳定与快速的动态响应、以及如何更为简单的实现。”在《电气技术》2006年第9期的“PE电力电子专刊”中，笔者对其中关于“异步电动机无速度传感器控制”部分的“编者的话”和综述论文作了点评和讨论[3]。

　　还有一个重要的主要讨论电力电子发展方向的小型国际会议FEPPCON（Future of Electronic Power Processing Conversion）。值得一提的是，在2005年的IEEE-PE会刊和IEEE-IA[4]会刊上都介绍了FEPPCON第5届会议（2004年5月召开[5]）上对包括ED的各个相关领域未来几年发展的看法，这反映了这次会议的重要程度。对文献[4]的中文翻译和点评请见[6,7]。

　　2.2 国际学术会议

　　在2006年9月我国上海召开的IPEMC’06国际学术会议上，现任IEEE-PE主席、德国亚琛大学教授 Doncker作了题为“现代电机驱动：设计和发展趋势”的大会发言[8]。他重点讨论了ED的技术动向和用于设计现代电机拖动系统的各种工具。

　　De Doncker教授指出，未来10年ED技术的趋势将是：

　　（1）提高功率密度；

　　（2）将有更多类型的电机和专用的驱动系统出现；

　　（3）为了减小体积，更多的ED将运行在更高速的范围；

　　（4）可在更高温度环境工作的电机、功率变换器和控制电路；

　　（5）具有大转矩、采用直驱的推进系统；

　　（6）耐高温的电力电子器件将会得到更多的应用；

　　（7）越来越智能化的控制方法将会减少用户调试ED并优化ED的性能。产品的即插即用功能将变的必要。

　　该文给出了设计现代电机拖动系统的流程如图1所示。作者指出，ED设计工具应具有以下基本功能：

　　

　　（1）对于电机：损耗和电机效率的计算；铁心温度、温度周期和预期寿命; 噪声分析等；

　　（2）对于功率变换器：所有器件的电压电流额定值计算；损耗计算从而得出效率和散热方法；热分布、热循环、功率变换器的寿命；EMI分析、低通滤波器和EMI滤波器设计。

　　另一个值得注意的文章是，2005年9月在我国南京召开的ICMS’2005上美国威斯康星-麦迪森大学的Robert 教授发表的题为“未来电机驱动的关键技术”一文[9]。在该文中，教授介绍了至今为止他所领导的研究小组的科研成果，指出了影响未来ED的5项具体的关键技术：

　　（1）作为整个系统的一部分，ED可看作一个传感器为其他子系统提供所需信息，这样就增强了系统整体的功能。文中给出了通过设计负载转矩观测器而不用增加新传感器以得到负载转矩的例子。

　　（2）提高ED的功率转换效率将促进其更为广泛的应用。对于某些应用（例如动力牵引），高效率的ED系统将会成为首选方案。

　　（3）为了提高可靠性，在未来设计电机时将使其具有自传感位置、速度信息的功能。例如可设计转子凸极效应从而在运行时由此效应得到转子位置等信息。

　　（4）为提高并联的功率变换装置或并联器件的可靠性，要求实时温度控制成为未来ED系统的常规内容。此时，需要将温度传感器和基于母线的通讯集成于该系统的结构之中，以保证热负载的分配及鲁棒性。

　　（5）将会在系统级和功率模块级中集成更多的微型传感器,这样就可以以极低的成本达到很高的可靠性。这种“传感器集成”的方法将会体现在未来ED的设计之中。

　　这篇文献的中文翻译请见文献[10]。

　　3 产业界

　　3.1 交流变频装置

　　（1）越来越多的企业推出了具有高性能无速度传感器矢量控制或DTC控制的通用变频器，为代表的是日本三菱公司的新一代通用变频器RP-A700系列。该公司把2005年推出的最高端伺服系统RP- V500的速度控制器结构和转动惯量在线辨识等功能移植到了RP-A700中[11]。三菱号称该产品实现了真正的无速度传感器矢量控制技术。该产品的在无速度传感器条件下速度范围为1:200 (对0.3Hz～60Hz)，速度响应速率为120rad/s。如果使用编码器，速度控制性能为，调速范围1:1500，精度±0.01%，速度响应速率300rad/s (在模型自适应控制方式下);转矩控制性能为：转矩控制范围1:50，在自整定（auto tuning）条件下转矩控制的绝对精度为±10%, 重复运行时的转矩精度为±5%。

　　（2）国内高压大容量变频器制造公司的队伍不断扩大。除了原有的北京利德华福、成都东方日立、中山明阳之外，哈尔滨九洲电气、上海科达、广东智光、北京动力源等公司也纷纷制造出了级联式高压变频装置。据不完全统计，国产品的总销量已占据国内销售总量的50％以上。

　　3.2 交流伺服系统

　　目前产业应用的交流伺服系统包括以下几个方面技术[12]:

　　（1）精密加工及电机制造技术；

　　（2）系统参数辨识、数学建模与矢量控制技术；

　　（3）DSP芯片与微控制器技术；

　　（4）功率电子模块技术；

　　（5）智能传感器技术。

　　随着微电子技术的高速发展，交流伺服系统开始从采用微控制器和DSP的控制方式向片上系统（SOC：System on chip）发展。未来的交流伺服系统将建立在以上技术、理论和经验设计的基础上，引入软件IP伺服控制的设计思想，重点突破软件伺服功能模块的算法以及电机动态参数辩识和控制模型重构等问题，通过功能模块在线编程、针对被控对象负载变化的大小要求，对交流永磁同步电机或交流异步电机的位置、转速、加速度和输出转矩实现高精度地软件矢量伺服控制。

　　3.3 元器件与电力拖动系统相关的数字控制器和电力电子器件正在突飞猛进地发展。

　　（1）数字控制器

　　目前对于高性能的ED，其控制系统的核心逐渐由单一的MCU，逐渐过渡为DSP＋MCU混合芯片。尽管不同的公司所推出产品的名称不尽相同，但其主要构架是由DSP内核加上MCU外设所组成。随着电力传动产业化的不断深入，对控制核心的各个方面的要求也越来越高，不仅需要较高的计算和控制性能，而且需要较低的产品价格。各大公司也纷纷瞄准该领域，迅速推出自己的产品，使得在设计ED时有了更多更好的选择。

　　●TI公司（德州仪器）于2006年11月推出了4款32位DSP,即TMS320F28015、F28016、F2801-60、F2802-60。TI公司将其称为基于DSP的低成本控制器，每千片的价格根据型号不同在4美元/片左右，这4款DSP的主频均为60MHz。这些DSP的设计强调了易用性的理念，同时针对电机控制采用了12位ADC、正交编码器接口、可多达10个独立PWM通道，还集成了CAN、I2C、UART、SPI等模块。特别是针对电源控制应用方面，推出了高分辨率PWM模块（HRPWM），其分辨率可达150×10-12s。当采用16位精度控制时，可以实现100kHz的控制周期；而采用12位控制时，可以实现1.5MHz控制周期。该特点对提高控制系统的性能，降低变换器的体积和重量都将起到积极的作用。

　　● Freescale公司（飞思卡尔）在2006年9月也推出了4款16位新型DSP 56F8000 DSC系列产品，即56F8037、56F8036、56F8025和56F8023，Freescale公司将其称为数字信号控制器（DSC）。每千片的价格根据型号不同在4美元/片左右。56F8000系列采用了飞思卡尔的56800/EDSC内核，该内核提供32MIPS和单周期乘法累加（MAC），该系列产品将数字信号处理器的性能和快速计算与微控制器的易用性和控制功能结合起来。由于采用较好的内部总线设计，其实际指令执行速度可以达到较高水平。该系列产品可以提供16位96MHz的PWM，并且具有可编程故障功能。高度精确的12位模数转换器（ADC）具有1.125ns的转换速率。为了进行高控制性能，该产品还具有ADC与PWM同步功能。针对电力传动控制系统特点，在芯片中集成了12位DAC，模拟信号比较器、正交编码器接口、电源监控器、CAN、I2C、UART、SPI等模块。除了电源引脚外，其它引脚几乎都可以配置成为GPIO(通用IO)口。

　　●Renesas公司（瑞萨）的MCU产品也广泛应用于各种电机控制产品中。M16C系列MCU为16位产品，每千片的价格根据型号不同在5～6美元/片左右。M16C的主频在20～32MHz之间，在其高端产品SH2上采用了5级流水线结构，提高了指令执行速度。针对电机控制的特点，该系列产品集成了ADC、PWM、定时器、正交编码器接口等主要模块，以及CAN、I2C、UART、等模块。M16C的采用单一的3V或者5V电源供电。ADC与PWM具有同步功能，而且可以在一个PWM周期中对两个ADC采样保持器分别进行延时启动触发，该功能适合于利用一个采样电阻来检测三相电机电流。

　　（2）电力电子器件

　　目前电力电子器件设计技术发展迅速，特别是在高压大容量器件方面。单个IGCT器件已达到4.5kV～6.5kV、4kA的水平，适用于动态不间断电源（DUPS）、有源滤波（APF）、统一潮流控制器（UPFC）、静止补偿器（STATCOM）、固体状态断路器（SSB）、中压电机驱动、新能源领域等等。ABB公司推出的IGCT为单片器件，不再使用焊接或者键合导线，而是采用了独立的弹簧压力封装技术。这一技术使得器件对压力不均匀性的敏感程度大为降低，因此对器件安装所需的机械技术指标有更高的容差，同时允许更高的安装紧固压力。所有这些都大大提高了器件在高压大容量应用领域的可靠性。IGCT具有较低的导通损耗和开通损耗，工作温度可达-40℃～140℃，同时可以自身提供驱动电源。可以预见，IGCT在高压大功率电力电子变换装置领域中会越来越受到人们的重视。

　　4 热门应用话题

　　4.1 在可再生能源中的应用

　　在IEEE支持的IPEMC‘06（中国上海）、PEMC’06（韩国济洲岛）会议上，一个共同的热点是与可再生能源有关的技术问题，如太阳能利用、风力发电、等等。IEEE-IE的会刊在2006年4、5期登载了题为“Renewable Energy a n d Distributed Generation

　　Systems”的专集。在这些会议和文献中，在风力发电领域，与ED相关的主要问题是：

　　（1）高效、可靠的大容量电机及其逆变电源制造和技术；

　　（2）系统最大能量跟踪技术；

　　（3）系统并网技术等。

　　过去25年期间风力发电机组容量的变化如图2所示[13]，这也反映出大容量逆变电源在风力发电系统发展中所处的地位。目前的风电系统的主流拓扑如图3(a)所示、采用双馈发电机、齿轮减速箱和转子侧4象限逆变电源。为了进一步提高系统的可靠性、减少系统的维护量，近年的趋势之一是采用如图3(b)所示的大容量同步或永磁同步电机及直驱控制结构[13,14,15]。于是，可靠的兆瓦级逆变电源技术将进一步得到发展。

　　

　　4.2 在节能中的应用

　　要到达我国政府提出的“十一五”时期“单位国内生产总值能源消耗降低20％左右”的目标，绝非易事。由于大型电机采用调速控制方式后的节能效果十分明显并已经得到大部分工矿企业的认同，因此，大容量ED的应用于节能和工艺改进时的市场前景十分广阔。

　　将ED用于节能和工艺改进时的一个重要问题是产品投入后的资金回收期问题。我国前几年推广交流电机变频技术时，实施过用使用方节约电能的费用支付变频设备货款的方案。为了提高可实施性，还需要相关政策、法律的保证。

　　4.3 性价比高的交流伺服系统

　　国际大型公司ABB、西门子、三菱、安川等厂商的交流伺服系统一直处于全球领先地位。现在，中国国内市场95%的市场为这几家公司所有。据估计，2006年国内保持了大约20％的市场增长率、未来的1、2年内，国内市场规模可望突破20亿人民币。国内公司，如北京和利时、华中数控、上海开通、台湾台达、西安微电机所等，已经取得了某种程度的技术突破并形成了一定的供货能力，如果在近期在关键核心技术上有所突破并加大科研开发力度，将会促进其产业的规模化发展。

　　5 结束语

　　展望电机拖动系统领域的技术发展虽力所不能及，然而由上述回顾，可以总结出反映今后几年技术动向的几个关键语句如下：

　　● 无速度传感器矢量控制的高性能化;

　　● 高可靠的大容量电机和变频技术;

　　● 高性价比的数字控制器和电力电子器件；

　　● ED在节能、环保和可再生能源等领域的应用。