1.電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)為全球無數(shù)的制造和生產(chǎn)線提供可靠的動(dòng)力保障。隨著時(shí)間的推移，這一領(lǐng)域最大的發(fā)展之一就是變頻器，可以為工業(yè)領(lǐng)域的交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)提供可靠的速度和轉(zhuǎn)矩控制。新型變頻器能夠控制永磁交流同步電機(jī)，從而增加了其功能的多樣性。伺服和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，在各種類型的伺服和步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和位置控制方面取得了顯著的性能改進(jìn)。它們以各自較低的功率范圍對(duì)應(yīng)用場景進(jìn)行補(bǔ)充。

　　硬件和軟件創(chuàng)新是這些電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)展的推動(dòng)力。主要的硬件開發(fā)，包括電源開關(guān)晶體管和微處理器。軟件創(chuàng)新包括新的軟件工具的開發(fā)，這些工具可以完成以前不可能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制算法。隨著可用性的提高，軟件還使電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)變得對(duì)用戶更加友好。

　　特別是大幅減少了變頻器的規(guī)格尺寸和重量。大體積的機(jī)柜讓位于緊湊的電子外殼，這些外殼可以安裝在電動(dòng)機(jī)附近，以適合特定的制造工廠布局，有的甚至可以安裝在電動(dòng)機(jī)上，具體取決于不同應(yīng)用的電源需求。

　　1990年代，曾出現(xiàn)了一類所謂的“微型驅(qū)動(dòng)器”，其中有一個(gè)型號(hào)甚至只有0.19kW，可以放在技術(shù)人員的襯衫口袋中。是的，這是不切實(shí)際的應(yīng)用，但卻形象的說明了事事都有可能。伺服驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器也得益于持續(xù)不斷的電子控制小型化。

　　圖1：通過適當(dāng)軟件進(jìn)行的計(jì)算機(jī)仿真，可以在構(gòu)建硬件之前進(jìn)行虛擬原型機(jī)測試，以評(píng)估不同的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。圖片來源：安川電機(jī)

　　2.功率開關(guān)設(shè)備和微處理器

　　調(diào)節(jié)輸入電流/電壓波形以進(jìn)行電機(jī)控制的功率開關(guān)晶體管是電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的核心。在早期的驅(qū)動(dòng)中，可控硅整流器（一種固態(tài)開關(guān)）和柵極關(guān)斷晶閘管（功率半導(dǎo)體）起著電源開關(guān)的作用。它們代表著成熟技術(shù)，并且僅在某些大功率驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中才能看到有限的應(yīng)用。

　　隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)字技術(shù)的迅猛發(fā)展，電機(jī)驅(qū)動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)移到基于數(shù)字微處理器（MPU）的設(shè)計(jì)中，這種設(shè)計(jì)至今仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位。新出現(xiàn)的一種新型半導(dǎo)體——絕緣柵雙極晶體管（IGBT），已成為當(dāng)今電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主要功率開關(guān)器件。IGBT結(jié)合了金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）輸入和雙極晶體管輸出的最佳特性。其它功能還包括，因絕緣柵帶來的快速切換功能和更低的損耗。例如，IGBT的進(jìn)步帶來了更快的開關(guān)速度和在更高電壓下運(yùn)行的能力。

　　微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的功能在不斷提高。更高的計(jì)算速度可以更快地響應(yīng)負(fù)載動(dòng)態(tài)，并可以與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的其它部分進(jìn)行近乎實(shí)時(shí)的通信。內(nèi)存可以將更多容量壓縮到微芯片中，從而在軟件和硬件中實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制算法。

　　3.控制復(fù)雜度

　　多功能交流變頻器提供3種主要的電機(jī)控制方法。開環(huán)控制是第一個(gè)且最簡單的方法。它提供合理的速度調(diào)節(jié)，并且無需反饋裝置即可運(yùn)行。磁通矢量控制（FVC）處于變頻器性能的最高水平，并具有多種變化。磁場定向FVC通過對(duì)產(chǎn)生磁通量和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生電流分量的獨(dú)立控制來模擬直流電機(jī)和交流電機(jī)的特性，從而獲得對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率的最佳控制。FVC使用反饋設(shè)備（通常是編碼器）來獲取電機(jī)軸位置和速度信息?？刂扑惴ㄒ蕾噺?fù)雜的電機(jī)模型，并實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的速度和轉(zhuǎn)矩環(huán)路。全矢量控制可以在低速（有時(shí)甚至接近零轉(zhuǎn)速）時(shí)提供高扭矩。

　　在上述兩個(gè)極端之間的是無傳感器矢量控制（也稱為開環(huán)矢量控制，SVC），這是另一種替代方案，可提高開環(huán)控制變頻器的低速轉(zhuǎn)矩、速度調(diào)節(jié)和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩能力。盡管SVC變頻器無需反饋裝置即可工作，但它們可以使用電機(jī)電流和電壓信號(hào)估算轉(zhuǎn)矩電流、勵(lì)磁電流以及它們之間的矢量關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制。它們還依賴于準(zhǔn)確的電機(jī)模型。較新的變頻器能夠提供上述所有控制類型，甚至包括在某些應(yīng)用中很有用的開環(huán)控制。

　　4.軟件的影響

　　這些公式和電機(jī)模型很早以前就存在了，但是它們?cè)趧?dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)控制程序和算法的軟件中的應(yīng)用是直到計(jì)算機(jī)普及之后才實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，在運(yùn)動(dòng)控制器和變頻器應(yīng)用中所使用的MPU、數(shù)字信號(hào)處理器和微芯片，其性能也在不斷提高，使得更高的執(zhí)行速度和巨大的內(nèi)存增長成為可能。在同一個(gè)變頻器中，可以集成上面提到的多種電機(jī)控制拓?fù)?，?jīng)濟(jì)上也更合理。一個(gè)簡單的軟件參數(shù)變更，即可更改控制模式。

　　運(yùn)動(dòng)控制軟件的另一個(gè)好處是可以幫助設(shè)置變頻器和電機(jī)，尤其是伺服驅(qū)動(dòng)器。仿真是軟件創(chuàng)新的另一個(gè)領(lǐng)域。它允許在構(gòu)建硬件之前，用軟件對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行“虛擬原型機(jī)”。

　　圖2：機(jī)電一體化的主要示例是將電機(jī)和變頻器組件組合到一個(gè)封裝中。集成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分解圖展示了該技術(shù)，該技術(shù)也適用于其它類型的電機(jī)。圖片來源：Applied Motion

　　5.機(jī)電一體化

　　傳統(tǒng)上，機(jī)械和電子系統(tǒng)是物理上分開的單元。1990年代中期，當(dāng)電機(jī)和控制集成大規(guī)模出現(xiàn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域也發(fā)生了巨大的變化。許多制造商推出了一系列產(chǎn)品：首先是將交流感應(yīng)電機(jī)和變頻器集成，即所謂的集成電機(jī)。然后，類似的組合單元，還可包含伺服和步進(jìn)電機(jī)及其各自的控制器。

　　為電機(jī)配置機(jī)載電子控制裝置可為用戶帶來各種好處，例如：較低的安裝成本，無需在電動(dòng)機(jī)和變頻器之間進(jìn)行長距離布線，減少相關(guān)導(dǎo)管架，系統(tǒng)組件更少，診斷和維護(hù)更容易，控制架構(gòu)也更簡單。但是，集成電動(dòng)機(jī)的成功率低于預(yù)期，主要問題出在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和變頻器領(lǐng)域。盡管如此，這些感應(yīng)電動(dòng)機(jī)/變頻器組合仍有一定的市場，最大功率可達(dá)22kW，可用于適當(dāng)應(yīng)用和混合動(dòng)力控制架構(gòu)。（作者：FrankJ.Bartos）