电机控制范文

导语：如何才能写好一篇电机控制，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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英文名称：Electric Machines & Control Application

主管单位：上海市国有资产监督管理委员会

主办单位：上海电器科学研究所

出版周期：月刊

出版地址：上海市

语

种：中文

开

本：大16开

国际刊号：1673-6540

国内刊号：31-1959/TM

邮发代号：4-199

发行范围：国内外统一发行

创刊时间：1959

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关键词：电机的启动和控制；一次回路的端电压；二次回路的临界端的控制长度；二次回路的压降

中图分类号：TM306 文献标识码：A

在电机电路设计的过程中，设计人员通常情况下是依照《工业与民用配电设计手册》（第三版）来进行设计的，具体的依照在手册的6-19表中会有体现。在设计电机回路的第一步就是验算电机的启动功率是否能够达到电机的运行中的瞬间启动功率，如果电机的启动功率符合我们的设计要求，那我们的设计程序就应继续往下进行。我们从现场的使用情况反馈了解到，电机在启动的过程中无法顺利进行的原因大致有三种，第一种是在电机验算的过程中，忽略了电机末端的压降的验算，这样就会使得电机在启动中无法直接获得一个必要的启动转矩，保证不了电机的正常开启，而且非常容易形成堵转电流烧毁电机；第二种是我们在验算电机的相关参数的时候，没有进行电机的控制回路方面的长度临界值的验算，这样就会使电机线路上的电容电流吸和电机接触器，造成了电机的无法正常停泵；第三种是在电机的相关参数的验算过程中，没有对于电机的控制线路进行压降的验算，这样就会使电机的接触器不能够获得充足的吸和能量，造成设备的无法正常启动。

本文针对上述的电机启动和控制方面的问题进行一下两个方面的叙述。第一，电机的启动和电机的控制方面的相关计算。第二，电机出现启动和控制问题的分析方法及应对办法。下面来进行详细的叙述说明。

一、电机的启动和电机的控制方面的相关计算

本文以一个站场的500kVA的变压器为例子进行说明。此变压器的电源就是电力系统的正常电源，侧短路电流为100MVA。现在有一台37kW的电动机在100m的位置处，此电机的电流为69.8A，电机启动所需要的电流为488.6A，电机的接触器使用的是型号为CJ20-100的接触器，电机的线圈的启动功率为175W，电机的启动吸持功率为21.5W，电机的接触器的电阻的阻值按照300Ω来进行考虑。连接电机的控制电缆为KVV22-5004×1.5，连接电机的动力电缆采用的是YJV22-1K4×16。以上数据就是本文的实例电机的基本计算使用的参数。

关于电机的启动和电机的控制方面的相关计算，本文从以下三个方面进行分析，分别是：第一，一次回路中电机端子的关于压降方面的计算。第二，二次回路中电机控制长度的临界值的计算。下面来进行详细的计算分析。

（1）简单叙述一次回路中电机端子的关于压降方面的计算。我们针对37kW的电机的允许启动电压进行了手册6-19查询，查询得到的结果是该电机的启动最大功率在100kW，远远大于37kW这个数值，电机是可以进行启动的。再进行手册中的6-16表中查询，得知电机的端子电压和电机母线的电压分别是：电机母线的相对电压值是uqm=0.9852；电机的端子的相对电压值是uQm=0.644。这一个数值就是比较危险的，因为通常情况下，电机的制造厂商都会严格要求电机的端子的相对电压值uQm≥0.65这个数值，这一数值是基于满足电机的启动转矩的最低值来界定的。0.644显然不符合0.65这一数值的规定，因此不满足电机的启动要求，但是如果我们将电缆的截面进行扩大，选择截面更大的YJV22-1K4×25电缆来进行连接电机，这样就会满足了电机的启动功率的要求。

（2）简单叙述二次回路中电机控制长度的临界值的计算。在物理学中，我们可以了解到两条相互之间靠近而且还是平行的电线之间会有电容的出现。在线路比较短的时候，产生的电容值是比较小的，在正常情况下，应该是忽略不计的；但是在线路比较长的情况下，我们就不能忽视电容的存在了。两条电线路中的电容值，我们定义为C1，和电缆的长度为正比例的关系，电缆线路越长，电容C1的值就会越大，这样就会使得在电容及接触器的线圈中流过的电流的值变大。一旦电流的值变大值超出了维持接触器吸和状态的值时，我们电机的控制就不能使用停止的按键来实现电机的停止。这也意味着电缆的线路变长，C1 的电容值会变的更大，让电机的启动按钮处在一种断开的状态之下，这时的电机的电流就会让接触器进行吸和动作，造成了电机的控制混乱，出现电机失控。

本文的电机的控制电缆的回路电流为220V的电压进行控制的，接触器的线圈CJ20-100的功率计算得出为21.5W，电机采用的是三线制的控制模式，我们根据计算得出，电机的二次回路的临界值为Le=500×21.5/（0.6×2200）=0.36km

二、电机出现启动和控制问题的分析方法及应对办法

电机能否实现顺利的启动和控制，最主要的因素就是要让电机获得足够的启动转矩。具体的方法就是改变电缆的电阻值，让电缆的电阻值下降，提高导电率，提高电机端电压。

（1）增大电机控制电缆的截面积。

（2）电机的接触器适时的扩大一级。

（3）电机的动力电缆适时的扩大一级。

（4）电机的控制回路使用两线制的处理。

参考文献

[1]中国航空工业规划设计研究院，等.工业与民用配电设计手册（第3版）[M].北京：中国电力出版社，2005（07）.

[2]王宏英，龚世缨.电机重启动的控制策略[J].电气传动， ISTIC PKU，2013（07）.

[3]邓先明，张海忠，拾华杰.笼形转子无刷双馈电机启动特性分析[J].电机与控制学报，ISTIC EI PKU，2008（05）.

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在电动车辆中，电机控制器的功能是根据档位、油门、刹车等指令，将动力电池所存储的电能转化为驱动电机所需的电能，来控制电动车辆的启动运行、进退速度、爬坡力度等行驶状态，或者将帮助电动车辆刹车，并将部分刹车能量存储到动力电池中。它是电动车辆的关键零部件之一。

CNC可编程步进电机控制器可与步进电机驱动器、步进电机组成一个完善的步进电机控制系统，能控制三台步进电机分时运行本控制器采用计算机式的编程语言，拥有输入、输出、计数等多种指令。具有编程灵活、适应范围广等特点，可广泛应用于各种控制的自动化领域。

（来源：文章屋网 ）

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机电一体化即为将电子技术合理地应用在机构的信息处理功能、主功能、控制功能以及动力功能方面，使得机械装置能够与软件和电子化设计有机结合而组成的一种系统[1]。在科技飞速发展的当代，机电一体化已逐渐发展为一门新型的自成体系的学科，其具有耗能较低、功能较多以及可靠性较高等特点，可以既可以合理地的配置多项技术，例如机械技术、计算机技术以及微电子技术等等，，而且还能够根据系统的基本功能以及优化组织目标进行操作，最终实现比较理想的目标。

2机电一体化的发展情况

到目前为止，机电一体化已经历经了三个发展阶段：第一阶段为上世纪60年代之前。在此阶段，电机技术的发展并不成熟，只是处于初级发展阶段，电子技术与机械技术也没有得到深入地结合。然而此时，人们已开始应用电子技术的初步成果来逐渐实现对机械产品的优化，这为机电一体化的发展奠定了一定的基础。第二阶段为上世纪70到80年期间。在此阶段，机电一体化获得了迅猛发展，这主要是因为计算机等技术、微型计算机以及大规模集成电路的发展为机电一体化的发展奠定了坚实的技术基础与物质基础。这三阶段为上世纪90年代末。在此阶段，机电一体化技术逐渐向智能化发展，而且其也进一步地创建了比较完整的基础，并渐渐形成了一个比较系统化以及完整化的科学体系。

3机电一体化中电机控制与保护存在的问题

3.1电机控制保护装置无法满足应用需求

目前，在机电一体化应用中所运用的电机控制保护装置还不够完善，这主要是由于所应用的电机控制保护装置主要是基于电磁原理以及电热原理，而且是借助于熔断器的短路保护以及继电器的过载保护功能而实行操作的，但是这种零部件自身还不够完善，这也就造成机电的控制与保护能力不强，无法充分满足电机控制与保护的需求。为了解决这一问题，就需要在设计机电产品的时候，综合性、整体性地考虑保护、设计以及控制，进而实现电机控制与保护装置的系统化以及多样化。

3.2井下机电设备应用方面存在的问题

目前，在井下机电设备的应用中还存在一些问题，这也就影响了电机控制与保护的功能与效果。其中最为薄弱的环节即为为鼠笼式异步电机，如果在此环节没有进行合理有效地应用，那么就会导致许多电机的运行故障的发生。这样就会严重影响到电机运行的安全性与稳定性，所以相关人员必须要充分重视井下机电设备的应用问题，并且将其与电机控制与保护有机地结合起来，从而为机电一体化的安全、稳定运行提供有力的保障。

4解决问题的方法与建议

为了充分保证机电一体化系统的安全、稳定运行，可以采取以下的电机控制与保护措施。

4.1准确检测电流与电压

电流与电压的检测是电机控制与保护装置在机电一体化应用中非常中重要的一项操作。其有利于逆变模块以及电机力矩等故障的正确诊断，然而采用普通的电流与电压传感器是难以实现此目标的，为了能够正确而又迅速地排除故障问题，应该选用IPM输出电压以及霍尔型电流互感器，这样才能更加科学、有效地检测IPM输出三相电流与电压，进而达到最终的目标。

4.2合理控制阀门与速度

阀门与速度的控制是电机控制与保护装置应用中的重要问题之一。目前，我国主要是利用双环控制方案来解决这一问题。其中内环采用的是速度环，其主要是利用速度调节器合理地调节PWM波发生器的载波频率，从而实现对电机实际转速的控制以及调节[2]。外环主要是采用位置环，其主要在设定自身当前位置及速度的基础上，再利用速度给定发生器，将速度设定值提供给内环。因为在机电控制与保护装置的阀门与速度控制中，大流量的阀门执行机构在运行的过程中存在不同的速度阶段，例如减速、匀速以及加速等，与此同时，给定位置与实际位置也并不是确定不变的，这也就会大大增加了阀门与速度控制的难度，所以在对其进行调解的时候，要对阀门与给定阀门进行对比分析，此基础上再合理地调节速度。

5结语

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[关键词]电机控制；DSP；交流异步电机

中图分类号：TM301.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）36-0326-01

一、电机的智能化控制概述

在实践过程中，想要不断提高电机效率，可以通过采用合适的智能控制手段来完成，特别是以DSP技术为核心的电机数字化控制，更能有效的提高电机效率，从而满足实际应用过程中的各种需求。目前，采用智能控制方式来提升电机效率主要体现在如下两个方面：首先，通过使用智能算法控制方式，可以使电机运行情况得到不断优化。在相关应用中，AC感应电机矢量控制方式的应用范围最广，在对尺寸后进行重新设计后，可以使电机效率保持在最佳状态。与此同时，还可以有效调整电机速度，最终达到优化电机效率的目的。其次，合理的采用智能控制技术来改造电机其中，比较常见的是采用永磁电机技术来进行点击的改造。在实际运用过程中，可以有效减少感应转子电流的传导损耗，使机械性能得到有效提高。并且，与AC感应电机相比，永磁同步机具有更高的点击效率，尤其是DSP控制器的合理运用，使得集成电机控制芯片在电机控制中得到更广泛的应。一般情况下，DSP控制器通过利用微处理器，可以有效降低器件所造成的复杂性，从而大大降低系统成本。由此可见，DSP控制器已经拥有比较完善的硬件结构体系，可以在单片机的基础上完成不同电机控制方案，通过不断输出PWM信号，可以对IPM进行智跑化驱动控制，从而有效控制电机的电压和电流，真正实现电机的全面控制和调节。

二、交流异步电机的DSP控制实现方法

（一）交流异步电机的变速原理

通常情况下，交流异步电机的转速是n=60（1-s）f/p，其中，p代表的是电机磁极的对数，f代表的是电源频率（Hz），s代表的是电机的转差，n则代表的是电机的转速（r/min）。因此，，根据上述内容可知，交流异步电机的转速与电源频率f、电机磁极对数p、电机转差s之间有着紧密联系，可以采用调节电源频率的方式来调节异步电机转速。在调整交流异步电机的过程中，如果电机转速的方向是由高速向着低速进行，必须让感应电动势、电源频率的比值维持一个定值状态下，才能确保电机定子的磁通量处于稳定情况。若电机的调节方向与上述相反，则电机绕组绝缘强度给电源电压带来的影响会处于一个保稳定状态，而频率会不断增加，使得磁通量呈现逐步下降的趋势，最终会减小电机转矩。

（二）交流异步电机的DSP控制实现方法

通过上述分析可知，在交流异步电机的调节方向是由高速向低速进行的过程中，必须通过补偿转矩才能真正实现电机智能化控制过程。在频率随着转速降低而减少的情况下，电源电压也会呈现下降趋势，只有采用电压补偿的方式，才能使磁通量保持在稳定状态，从而使电机转矩得到有效补偿。在实际运过程中，合理的应用DSP控制器，可以非常方便地实现上述过程，最终让系统电压始终保持稳定状态。通过情况下，采用将宽频脉冲波转化为宽度渐变的脉冲波SPWM，可以是谐波含量不懂减少，从而获得比较好的驱动效果。根据DSP控制器的实际应用情况来看，SPWM脉冲波的渐变规律与正弦变化规律基本相似，在将等腰三角形波与正弦波进行比较的情况下，可以在二者位于三角形腰部交点实现开关管的开和关。通常情况下，三角形波被称作是载波，正弦波被称作是调制波，一般正弦波的频率与幅值的控制都比较方便，因此，采用改变正弦波方式可以对输出电源频率进行有效控制，从而真正改变电机转速。与此同时，如果调节正弦波幅值，可以有效改变其与载波之间的交点，从而改变输出脉冲宽度，以在输出电压控制板连续辊压线锯切工序不足的情况下，结合PLC的飞剪控制系统，真正完成生产连续动态锯切操作。通过一段时间的跟踪调查发现，上述系统的正常运行，可以使中纤板连续辊压线更加连续、自动化和完善，在提高中纤板连续辊压线生产能力的同时，对于提高企业经济效益有着重要影响，是我国电机控制技术不断提高的重要方向。

结束语

总的来说，在军工、机械等多个领域中，电机控制系统的不断推广，使生产效率得到大大提高，特别是DSP技术的合理应用，大大降低企业生产成本，使电机控制系统的整体性能得到全面提高，对于推动电机控制智能化发展有着重要影响。

参考文献

[1] 彭涛，飞，张宏伟，张蕾.基于DSP和CAN总线多轴电机控制系统[J].信息技术，2015，02：117-120.

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【关键词】模糊控制 PID 单片机 直流电机

【中图分类号】TP273.4;TM33 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）17-0230-02

引言

在直流电机的控制过程中往往具有不确定性和非线性，难以建立精确的数学模型，采用常规PID控制算法难以达到理想的控制效果。系统设计结合模糊控制算法，按模糊控制理论建立模糊控制规则并求出模糊控制表，根据提取到的直流电机采样信息查询模糊控制表来对电机进行速度与转向的控制。

1、直流电机控制系统

系统选用STC12C5A60S2作为主控芯片，用以完成对系统执行机构的控制、信息处理和直流电机的控制。在窗帘机的应用上面，直流减速电机可精确控制，又能弥补步进电机无电状态下不能转动的缺陷。采用L298N驱动直流电机，利用PWM调制与使能变换的方式可进行电机调速与变向。控制窗帘开合的过程中同时检测光电开关的状态，以确定当前窗帘/窗户的状态。通过对电机角速度的采样分析，利用单片机进行信息处理并优化控制。

2、PID控制

按偏差信号的比例、积分和微分进行控制的控制器称为PID控制器，其控制规律成为PID控制算法。如图1所示，给定值与输出值的偏差e（t）的比例、积分和微分线性组合，形成控制量u（t）的输出。

式中：u（t）-控制器的输出 Kp -控制器的比例系数。

Ti-控制器的积分时间常数。 Td-控制器的微分时间常数。

e（t）-控制器输入，给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号。

PID控制器中的比例环节、积分环节、微分环节的参数都必须选取适当，否则也会使系统不稳定。（1）比例环节能迅速反映偏差从而减小偏差，控制作用强弱取决于Kp。Kp越大，则过渡过程越短，稳态误差也越小;但Kp越大，超调量也越大，越容易产生振荡，导致动态性能变坏，甚至会使闭环系统不稳定。（2）积分环节：只要存在偏差，积分的控制作用就会不断积累，输出控制量以消除偏差。但积分作用太强会使系统超调加大，控制的动态性能变差，甚至会使闭环系统不稳定。（3）微分环节：微分控制有助于减小超调量，克服振荡，提高系统的稳定性，但会使系统抑制干扰的能力降低。微分部分的作用强弱由微分时间Td决定。Td越大，抑制e（t）变化的作用越强;Td越小，反抗e（t）变化的作用越弱。

PID控制系统的连续时间信号经过采样和整量化后，变成的数字量无论是积分还是微分都只能用数值计算去逼近。因此PID控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分、差商代替微商，使 PID 算法离散化，将描述连续时间 PID算法的微分方程，变为描述离散时间 PID 算法的差分方程，即为数字PID 位置型控制算式。

其中Kp、Ki、Kd分别为比例、积分、微分系数。

PID控制在稳定性、响应速度、超调量和稳定精度方面都体现很好，其适应性强，适应各种控制对象。但参数的整定是PID控制的一个关键问题，动态特性不太理想;PID控制不具有自适应控制能力，对于时变、非线性系统控制效果不佳。当系统参数变化时，控制性能会产生较大的变化，控制特性可能变坏，严重时可能导致系统的不稳定。

3、模糊控制

模糊控制是以模拟集合论、模拟语言变量和模拟推理为基础的一种智能控制方法。它模拟人的思维推理过程，构造一种非线性控制，以满足复杂的、不确定的过程控制需要。

模糊控制器的控制规律由程序实现。首先根据采样值得到模糊控制器的输入量并进行量化处理;量化后的变量进行模糊化处理，得到模糊量;根据输入模糊控制量及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量（输出的模糊量）;对模糊输出量进行模糊化处理，得到控制量的精确量，并进行输出量化处理，得到实际控制量。

3.1模糊控制器的设计

模糊控制器的设计包括四个层面：模糊控制器输入输出量的确定、输入输出变量模糊集合和隶属函数的确定、模糊控制规则表、反模糊化处理求取输出控制量。

在模糊控制器中，模糊控制规则表是系统控制自整定最重要的环节。变量包括系统偏差e和偏差变化率ec、输出控制量u。根据系统输出的偏差及偏差变化率趋势来消除偏差，得到模糊控制规则。

通过模糊控制规则表的查询，反模糊化处理可求取精确的输出控制量。

3.2自适应模糊控制算法

模糊控制与PID控制结合构成模糊PID控制。PID控制的关键是参数的确定，自适应模糊控制算法是用模糊控制来确定PID参数的，也就是根据系统偏差e和偏差变化率ec，用模糊控制规则在线对PID参数进行修改。先找出PID各个参数与e和ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，再根据模糊控制原理来对各个参数进行在线修改，以满足在不同e和ec时对控制参数的不同要求，使控制对象具有良好的动、静态性能，且计算量小，易于在单片机上实现。

根据参数Kp、Ki和Kd对系统输出特性的影响，可归纳出在不同的e和ec时，被控参数Kp、Ki和Kd的自整定要求，从而可得模糊控制规则的语言描述为：

不同的偏差e和偏差变化率ec，对PID控制器参数Kp，Ki，Kd的整定要求不同。

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关键词：智能控制 电机控制 装置 保护

中图分类号：TM3 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）002-057-02

1 前言

无论是由三相感应电动机还是由三相永磁同步电动机构成的伺服系统，都是非线性的时变系统。尽管采用了矢量控制，仍然不能从根本上改变系统的非线性特性，而直接转矩控制自身就是一种非线性控制方式。矢量控制严重依赖于电动机的数学模型，其参数在电动机运行中会发生较大变化。事实上，这些与实际电动机是不完全相符的。其结果之一是在电磁转矩中一定还包含有谐波转矩，这些谐波转矩是未知的，在实际控制系统中，通常将其作为一种扰动来处理。此外，还会有多种原因增加系统的非线性和不确定因素。在不同条件下，这些都会成为制约伺服系统控制质量的瓶颈。所以，需要真正改变高性能服系统中的非线性、参数变化、扰动和噪声等控制问题，才能进一步提高系统的控制性能。

2 智能控制及其控制目的

智能控制是自动控制领域内的一门新兴学科，模糊控制与神经网络是其中的两项关键技术，可以用来解决一些传统控制方法难以解决的问题。首先，智能控制不依赖于控制对象的数学模型，只按实际效果进行控制，在控制中有能力并可以充分考虑系统的不精确性和不确定性。其次，智能控制具有明显的非线性特征。就模糊控制而言，无论是模糊化、规则推理，还是反模糊化，从本质上来说都是一种映射，这种映射反映了系统的非线性，而这种非线性很难用数学来表达。神经网络在理论上就具有任意逼近非线性有理函数的能力，还能比其他逼近方法得到更加易得的模型。近些年来，已提出了各种基于智能控制的控制策略和控制方法，已逐步形成了一种新的控制技术。应着重指出的是，虽然将智能控制应用于伺服驱动的研究已取得了不少成果，但是还有许多理论和技术问题尚待解决。由于智能控制涉及面广，不可能具体介绍很多内容，好在这方面已有很多文献可供参考，这里希望通过举例来介绍它们的控制思想和控制方式。

3 智能电机控制系统的组成及应用

3.1 逆变器

(1)主要电路形式选择与功率开关管的应用

现阶段，很多生产加工行业常用的是以星形三相三状态和两相导通星形三相六状态两种方式。主电路的核心部分是作用各异的逆变器功率开关管。在大功率电机的控制中，也可选择MCT，它是MOSFET与晶闸管的复合器件，具有高电压、大电流、工作频次高、控制功率小、易驱动、使用低成本集成驱动电路控制等优点。为了提高逆变器的可靠性、缩小体积，也可以采用近年来迅速发展的功率集成电路(PIC)。PIC将多个功率开关管及其快恢复二极管集成为一体。

(2)驱动电路的构成

在电机使用中，首先由驱动电路将控制器的输出信号进行功率放大后，才能向各功率开关管送去使其能饱和导通和可靠关断的驱动信号。随着集成电路技术的发展，现在已经把驱动电路制成有一定输出功率的专用集成电路，并且已经开始渐渐在无刷直流电动机上得到推广应用。

3.2 控制器

智能电机中的控制器主要有两个概念。一个是基于专用集成电路的控制系统。就现在的市场环境来讲，国内很多生产厂家推出了不同规格和用途的无刷直流电动机控制专用集成电路。这些具有一定专利的指定电机配用的集成控制电路克服了分立元件带来的弊端，使控制电路体积小、可靠性高，对于特定环境下完成特定功能、并具有规模化生产的无刷直流电动机来说，是首选方案。但其应用范围局限性大，功能难以扩展。第二种智能电机中的控制器主要是指以微型计算机技术为核心的数模混合控制系统与全数字化控制系统。随着无刷直流电动机应用领域的应用范围越来越广，对它的实用性能也提出了更高的要求，因而其控制器由以硬件模拟电子器件为主，转向采用数字电路、单片机以及数字信号处理器方向发展，实现半数字化的数模混合控制和全数字化控制，控制规律由硬件实现转向以软件实现。

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关键词：电机驱动器；采样电阻；电流传感器；电流采样

一、引言

电动机自诞生之日起，就对人类社会的发展起着极大的推动作用，大大提高了社会的生产力水平。电动机的应用涉及到生活的方方面面，大到军事、航空，小到办公自动化、家用电器、工业过程控制、精密机床以及汽车电子等工业和民用领域，无不活跃着各式各样的电动机。相应地，围绕电动机的驱动控制开发也在飞速发展，各种调速系统、伺服系统、变频器等应用产品层出不穷，在各行各业得到了广泛的应用。

在电机的驱动控制开发中，电流检测是非常重要的环节，精确的电流采样，是电机良好运转的必要条件。电流检测的目的有两个：一是为了确保电机的快速启动性能，对电机电路主电流信号进行监测，让控制器给出确切的PWM控制信号，实现电流闭环控制；二是为了保障电机在实际运行中出现的短路、过流等故障，能够准确及时地将这些故障信息反馈给控制器，控制器给出控制信号使得及时关断开关以便硬件得到保护。

也就是说，一个典型的电机驱动控制系统，应该含有母线电流检测、电机相电流检测电路，还可能为了检测某个功能模块电路是否止常T作而设置特定的电流检测电路。因此，如何精确有效地设计电流检测电路是电机驱动控制系统设计的关键。

二、电流信号的采样

监测某个信号之前，首先需要对该信号进行采样。通常，电流信号的采样有以下几种方法。

（1）采样电阻。采样电阻测电流的原理是这样的：将采样电阻串接在要监测的电路回路里，电流流过时，在采样电阻两端产生压降，这样就把电流信号转化为电压信号。然后，对该电压信号进行处理变换，输入到微处理器的A/D单元，完成检测的目的。

采样电阻的这种检测方法实现简单，成本低，但是很难做到电阻值稳定不变，采样精度不高，不能提供准确的电流值。而且反馈控制电路与主电路没有隔离，在电机驱动控制系统中，万一功率电路的高电压通过反馈电路进入控制电路，将危及到控制系统的安全 。因此，采样电阻一般应用在精度要求不高、成本敏感的应用场合。

（2）电流传感器。霍尔效应在1879年被E.H.霍尔发现，它定义了磁场和感应电压之间的关系，这种效应和传统的感应效果完全不同。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力，从而在导体的两端产生电压差。霍尔电流传感器就是利用霍尔效应将一次大电流变换为二次微小电压信号的传感器，它有两种工作方式，分别是直测式（开环）电流传感器和磁平衡式（闭环）电流传感器。直测式霍尔电流传感器的不足是检测装置的体积过大；而磁平衡式霍尔电流传感器体积小，其显著长处是磁场补偿法，保持铁心磁通为零，电流过载能力强，套在被测母线上即可工作。

霍尔电流传感器产品已经模块化，可以测量交流、直流、脉冲等多种电流信号，其最大优点是测量精度高、响应快速、隔离检测、线性度好。因此，电机驱动控制系统中采用霍尔电流传感器检测电流的方法是目前应用比较普遍的方法，已经在中高端伺服产品中得到了广泛的应用。

（3）电流互感器。电流互感器是利用变压器原、副边电流成比例的特点制成的。其工作原理、等值电路也与一般变压器相同，只是其原边绕组串联在被测电路中，且匝数很少；副边绕组接电流表、继电器电流线圈等低阻抗负载，近似短路。原边电流（即被测电流）和副边电流取决于被测线路的负载，而与电流互感器的副边负载无关。电流互感器运行时，副边不允许开路。因为一旦开路，原边电流均成为励磁电流，使磁通和副边电压大大超过正常值而危及人身和设备安全。

在测量交变电流的大电流时，为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流，另外，线路上的电压都比较高，如直接测量是非常危险的，电流互感器就起到变流和电气隔离作用。它将高电流按比例转换成低电流，一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等测量装置。电流互感器一般体积较大，造价昂贵，因此，一般应用在电力系统中，作为测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路电流信息的传感器。

综上所述，由于体积和成本的原因，在电机驱动控制系统中，经常采用采样电阻和霍尔电流传感器来进行电流采样。

三、电流信号的处理

下面分别针对采样电阻和霍尔电流传感器的工作特性、使用特点介绍一下相应的信号调理电路。

（1）采样电阻

采样电阻信号调理电路如图1所示，图中R7为采样电阻，应用中将其串接在回路中。以运放为中心构成一个差分放大器，R1～R6设置放大器增益，R5同时用来提升采样后的电压值，使得放大器的输入在合适的范围。R8和C2用来滤除高频噪声。

图1 采样电阻信号调理电路

REF为参考电压，产生电路如图2所示，图中R1和R2用来设置参考电压值，根据不同的需要可以灵活调整这两个电阻的值。

图2 电流传感器输出信号调理电路

经过处理后的电压输出信号Vo再经过限幅即可输人到微处理器的A/D单元。

（2）霍尔电流传感器。霍尔电流传感器输出信号调理电路如图3所示，电路形式和图1类似。区别在于放大器的输入，因为常用的霍尔电流传感器是单输出信号，有电流输出和电压输出两种形式，经常把电流输出形式转换为电压信号进行处理。图3中参考电压的产生可参考图2。

四、器件选择及注意事项

存选用采样电阻的过程中，要考虑自身的阻值、电感和精度，以降低自身的功率损耗和电压尖峰。同时要注意温度系数（TCR），可以参考其温漂曲线。

电流传感器的选择注意测量范围，的需要选择不同量程的传感器。根据不同当原边电流超过传感器额定时，线性度将降低。为保证测量精度，传感器额定测量值为被测信号l-1.5倍较为合适，如果被测信号有较大的波形系数，还需进一步加大量程，确保被测信号峰值不超出传感器测量范同。电流传感器的生产厂家比较有代表性的有LEM公司、IR公司、Honey-well公司等。国内做的较好的有宁波株洲时代电子、南京托肯电子、南京中旭等。

尤其要注意的是运放的选择，因为一般伺服系统中PWM调制频率很高，通常在20kHz左右，因此相电流是一个脉动电流。另外，A/D转换单元采样速度很高。因此，在选择运放时，要选择带宽大、高速的精密运放，只有这样才能满足电流采样的需要。

图3 参考电压产生电路

五、结束语

精确的电流检测在电机驱动控制系统中起着关键作用，它是构成电流闭环的前提条件，同时，监测电流可以防止系统发生短路、过流故障，有效保护系统安全，可以说是电机控制系统中不可缺少的环节。目前在各种自动门系统、安防工程、钳形仪表等设备中都或多或少地应用到电流检测技术，探讨其实现形式有助于推动其应用发展。

参考文献：

[1]鲁光辉.霍尔电流传感器的性能及应用『J1.四川文理学院学报：自然科学，2007，17（2）：40-42.

[2]陈伟，张英，刘增玉.两种保护用电流采样电路的比较及应用[J].精密制造与自动化，2007 （1）：45-46.

[3]胡卫华，张朋年.基于霍尔效应的电流传感器ACS706ELC一20A及其应用[J].电子元器件应用，2009，l1（7）：1-3

篇9

效率问题很复杂

同大多数性能指标一样，效率是非常复杂的。经常就连设计者和调试者都经常无法确定应该如何解释给定系统中各部件众多的标称效率。

电机手册上可能标着85％，变速箱数据单则写着90％，而控制部分则仅仅标着“高效率”。这些表示效率的数字通常来自理想的运转模式，不一定能够代表各个部件的目标应用。图1为简单的运动系统示意图。

对于给定的电机和调制方式，系统的工作效率是供电电压、转动速度、负荷扭矩和温度的函数。因为标称效率只适用于这些参数的特定组合，所以设计者必须要求电机厂商提供更多的效率数据。在变速应用中，效率会随着各种运转模式而改变。这一点也同样适用于系统中的传送带、滑轮、变速箱等。

交流电机效率主要是通过铁芯损耗、转子／定子铜损和偏差／摩擦损耗来决定的。铁芯损耗是由铁质转子和定子中的感应涡电流和磁滞效应造成的。因为转子和定子的铜损是由铜电阻决定的(12R)，所以增加转子铜条尺寸和定子线规可以降低铜损。要降低铁芯损耗，可以使用更高级的钢片和通过改变尺寸来降低磁通量密度。但增加铜条尺寸会增加成本，而且会限制定子上能够绕线的匝数。当铁芯损耗和铜损相等时，电机的工作效率最高，这种情况通常出现在其标称负载的75％～90％之间。

有些电机拓扑结构受这类损耗的影响较小。例如，无刷直流电机中不存在转子铜损，因为它采用永磁性转子。开关或可变磁阻电机的效率很高，部分归因于不存在转子铜损，因为这两种电机的转子也不会通过传导电流。

虽然使用高级控制算法的电子驱动电路可以通过向电机提供理想电压波形来显著地提高效率，但是其也存在自身的效率问题。控制效率因素包括软启动损耗、整流损耗、功率桥切换和传导损耗以及功率因数校正损耗。

只有在电源加载到驱动电路之后大约1s内，有源软启动电路才有很大的功耗。此后，它们只占用非常小的VI功耗，因为功率都通过有源开关分路到软启动限流器。分马力控制系统通常使用一个继电器来实现这一目的――将这些损耗降低到接近零。

整流损耗占到这部分损耗的很大一部分。由于常见的桥式整流器的Vf是1V，所以在2kW电机控制中这部分损耗很容易就会接近15W。Vf较低的整流器的价格很高。对于交流感应和无刷直流电机控制而言，功率桥电路通常是由6个二极管和6个MOSFET／IGBT组成的完整的三相整流桥电路。功率桥电路的开关损耗是调制方式的函数，与开关频率成正比。

功率因数控制

最后，同样重要的是从交流输电线引出功率的效率，即功率因数(PF)。感性和容性元件会在电路和交流输电线之间产生重复的环电流。交流电源电流中的谐波失真可能是由电机驱动中的非线性元件产生的。

无功功率和谐波电流要求交流电源所提供的功率要比系统实际消耗功率更多，才能很好地利用视在功率。有功功率与视在功率的比值就是PF，取值范围在0～1.0之间。PF等于1.0是理想情况，而在0.65时，交流输电线路需要提供大约1.5倍于应用有功功率的功率，这会极大得提高电力公司的成本，而电力公司通常会向低PF的工业客户收取额外的费用。

有很多的功率因数校正(PFC)拓扑结构存在。PFC升压变换器是电机控制系统中最常见的，因为其易于实现且成本低廉。PFC升压变换电路使得驱动能够轻松地支持宽的输入电压范围(100～250V交流电压)并校正低压线路问题。在PFC升压变换器结构中，直流链路通常是370～400V直流电压。

在驱动中增加PFC电路带来了一些好处，其中包括不低于0.95的PF以及期望得到的较小直流链路电容，这是因为能量是以PFC开关频率(标称频率>20kHz)从PFC的电感传输到电容的，而不是以120Hz从整流线路上传输来的。

不过，显而易见，这样会引入PFC损耗。对1kW电机控制电路而言，常见的PFC电路损耗大约为50W。另一种结构是采用MOSFET来代替桥式整流二极管，这样可以减小整流损耗。

是启用新方案时候了

一般的电机在其服役期间的用电费用会高达最初购买价格的75倍，因此，是进行补救的时候了。幸运的是，半导体厂商极大地简化了这些效率问题的解决办法。比如，飞兆半导体公司同时为电机控制和PFC应用提供了一套完整的智能功率模块(SPM)产品系列。这些模块包括栅极驱动器、MOSFET／IGBT、二极管以及其他辅助元件，它们封装小，可以加快产品上市时间。

一个应用示例

为了认识系统效率的重要性，我们可以看一个现实生活中的应用。这个特定的应用出现在家畜育种房舍的通风系统中，该通风系统使用60个风扇，每个风扇的扇叶长52英寸。每个风扇每分钟必须扇动28000立方英尺的空气。在必需速度780rpm时，扇轴需要提供大约2kW功率才能转动扇叶。这些风扇每年需要工作8500小时。

在传统方案中，这种应用都会使用三相、2.5kW的交流感应电机／启动器通过继电器连接到交流输电线，效率大约为80％，而PF大约为0.88。因为这些风扇的标称速度大约为1750rpm，所以就会使用机械传送带和皮带轮系统将速度降低到风扇叶片所需要的速度(见图2)。

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Abstract: With the increased demand of mechanical and electrical products on the winding quality,the original PLC control system of winding machine has been difficult to meet the requirements of evolving mechanical and electrical products. Winding machine PLC control system has the disadvantages of high cost,single work way and inconvenient human computer interaction. To solve this problem,we designed a new control system that could replace PLC control system - using single chip to control motor windings machine controller.

关键词:单片机;步进电机驱动器;加/减速控制

Key words: singlechip;stepper motor driver;accelerate/deceleration control

中图分类号:F270 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)12-0218-01

1系统性能及控制要求

1.1 系统性能

在本控制系统中,主要利用控制器输出的CP、CW脉冲信号,通过步进电机驱动器对三台步进电机的转速、转向进行控制,带动机械传动机构工作,实现绕线,另外通过拖板电机实现绕组位置转动的控制,从而实现整个电机绕组的全自动化绕线操作。在生产过程中,可以根据操作的要求实现不同的绕线速度、线圈匝数等的设定。

1.2 控制要求

1.2.1 可预设多种控制模式。可预先设定慢速、中速、快速和拖板运行等四种操作模式。

1.2.2 每种控制模式下的加减速、步数可随意设定。在任一控制模式下的加减速曲线、运行步数都可事先设定。

1.2.3 可同时控制三台电机的同步工作和单独控制一台拖板电机工作。

1.2.4 具有断电数据保持功能,能记忆上次的参数及最后一次运行值。

1.2.5 具有数据显示及告警提示功能。

2设计方案的实现

2.1 硬件电路设计

2.1.1 整体电路设计思想。本设计采用STC89C51系列单片机芯片对步进电机进行控制,通过I/O口输出具有时序的方波作为步进电机的控制信号,信号经过步进电机驱动器驱动步进电机工作;同时采用二极管矩阵键盘来对电机的状态或设置进行控制,并用4位LED数码管显示出相关的参数,还利用AT24C02对系统参数进行存储。

2.1.2 各功能电路的实现。①电源电路。将交流220V经过降压、整流、滤波和稳压的形式,得到直流9V和5V对控制器进行供电。②单片机最小系统电路。本单片机系统采用宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的STC89C51系列单片机芯片,它是MCS-51系列单片机的派生产品;它们在指令系统中、硬件系统和片内资源与标准的51系列单片机完全兼容。③键盘电路。采用二极管矩阵键盘电路,分别由P1.0-1.3作输入,当某一按键被按下时,相对应的端口被置为高电平,此时CPU检测到相应端口的变化,通过查表的方式确认按键的功能,减少CPU对各端口扫描时间,提高CPU的效率。④显示电路。采用4只共阳数码管作显示,分别利用P0口对各数码管的笔划段进行扫描,P2.4-2.7口作循环扫描显示控制,另外还通过P2和P3口作按键显示和告警音提示等功能控制。⑤存储电路。由于本系统需要存储的数据比较多,并且要具有断电数据保持功能,能对上次的参数及运行值进行记录,因此采用AT24C02存储器作数据存储。⑥接口电路。分别利用P1.4、P3.5、P3.4口经过ULM2003反相放大后作CP脉冲和CW脉冲的信号输出,对步进电机驱动器进行控制,从而达到控制步进电机转速和转向的目的。

2.2 软件程序设计

在该系统中,相应的控制信号由单片机来产生,根据需要通过键盘输入电机的转动方向、转动速度及转动步数,在工作时用数码管来动态显示运行的步数。所以软件部分由4大模块组成:系统监控、键盘扫描及处理、显示程序、控制信号产生程序。

2.2.1 系统监控模块。在监控模块中,应完成系统的启动,进行键盘扫描得到相应键值,完成对步进电机转向转速、步数及运行方式的设置,并使步进电机按要求进行工作。为增加控制的灵活性,键盘输入数据及启动命令在键盘扫描及处理程序中实现。

2.2.2 键盘扫描及处理、显示模块。本软件程序模块主要完成对键盘有无键按下进行确认。当有键按下时,通过查表方式确定按键值,并根据所得键值进行处理,包括所按键是输入键还是执行键。显示模块主要是完成在进行数据输入时,显示输入的数据值。

2.2.3 控制信号产生模块。①步进脉冲的产生。在采用单片机控制的步进电机开环系统中,控制系统的CP脉冲的频率或者CW换向脉冲的高低电平实际上就是控制步进电机的运行速度和方向。②步进电机起动及加/减速控制。速度控制中加/减控制是最基本的控制。电机由静止到达设定的最大的速度所需的时间是由调试决定的。加速度太大,电机甚至不能克服负载转矩而失步,加速度太少,则完成指定的运动耗费时间太多,加速度有两种方案:线性加/减速度控制和等步距加/减速度控制。③步进电机的换向控制。一般来说,驱动器的输入共有三路,它们是:步进脉冲信号CP、方向电平CW、脱机使能信号EN。它们在驱动器内部分别通过限流电阻接入光藕的负输入端,且电路形式完全相同,在这三路输入信号的共同的控制下,驱动器将输入合适的电流来控制步进电机完成指定的操作。

3结论

本控制器采用单片机控制的步进电机系统,其转动方向、转动速度及运行圈数可以通过键盘输入,运用程序对这些数据进行处理,由单片机发出相应的控制信号,增加了控制的灵活性,经实践使用,达到了预期的设计目的。本控制器对于不同的绕线系统,不同控制要求,通过修改相应的电路及相关程序即可实现,通用性强,具有自动化程度高、成本低、体积小、控制精确等优点,有很好的经济效益和广阔发展前景。

参考文献:

[1]刘国永,陈杰平.单片机控制步进电机系统设计[J].安徽技术师范学院学报,2002.