电机驱动技术的发展现状与前景展望

Harbin Institute of Technology

课程学术报告

课程名称： 电机与电器学科最新发展动态 设计题目： 电机驱动技术的发展现状及前

景展望

姓 名： 王胤燊 学 号： 11S006014 指导教师： 梁维燕院士 邹继斌教授

杨贵杰教授 翟国富教授

时 间： 2012.7.10

哈尔滨工业大学

电机与电器学科最新发展动态 电机驱动技术的发展现状及前景展望

王胤燊

（哈尔滨工业大学 电气工程系，黑龙江 哈尔滨 150001）

摘要：一个多世纪以前电动机的发明使其成为工业革命以后的主要驱动力之一。它在各种机械运动中的广泛应用使生活变得简单并最终推动了人类的进步。逆变器的出现推动了交流电机速度和转矩控制的发展，这使得电机在仅仅30年就应用到了不可思议的领域。功率半导体元件和数字控制技术的进步使得电机驱动具有了鲁棒性并且能够实现高精度的位置和速度控制。交流驱动技术的应用也带来了能源节约和系统效率的提高。这篇文章回顾了交流电机逆变技术的发展和应用中所起的作用，并介绍了电机驱动技术的发展前景。未来更有效更强劲的电机驱动技术的发展对于实现不污染电网系统和提高生产力这样的节能环保型驱动很重要。

PRESENT STATE AND A FUTURISTIC VISION OF

MOTOR DRIVE TECHNOLOGY

WANG Yinshen,

(Dept of Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Abstract： One of the main driving force behind the industrial revolution was the invention of the electric motor more than a century ago. Its widespread use for all kinds of mechanical motion has made life simple and has ultimately aided the advancement of human kind. The advent of the inverter that facilitated speed and torque control of AC motors has propelled the use of electric motor to new realms that was inconceivable just a mere 30years ago. Advances in power semiconductors along with digital controls have enabled realization of motor drives that are robust and can control position and speed to a high degree of precision. Use of AC motor drives has also resulted in energy savings and improved system efficiency. This paper introduces some futuristic vision for the motor drive technology. The development of more efficient, more powerful electric motor drives to power the demands of the future is important for achieving energy savings, environmentally harmonious drives that do not pollute the electrical power system, and improving productivity. 大型工业设备像钢铁制造厂、造纸厂

1 引言

电机本体及其控制技术在近几年取得相当大的进步。这要归功于半导体技术的空前发展带来的电力电子学领域的显著进步。电机驱动产业发展的利处已经触及各种各样的设备，从

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的轧钢机等，到机床和半导体制造机中使用的机电一体化设备。交流电机控制器包括异步电机控制器和永磁电机控制器，这两者在电机驱动业的全过程中起着关键性作用。图1所示为电流逆变器（异步电机控制器）和交

电机与电器学科最新发展动态 流伺服驱动器（永磁交流电机及其控制器）。图1所示的控制器使用了此行业技术所能提供的最新的功率半导体器件并采用了矢量控制方法中最先进的电机驱动控制算法。目前这样的控制器在各工业商业场合中无所不在。由于交流驱动技术的应用变得更广泛，就很难忽略一个事实：被机电系统能量转换设备消耗的电能中电机消耗大部分，超过整个行业电能产出的70% .

在现定的这种情况下，未来的家用电器设备将很快采用电机驱动技术，像洗衣机以及一些高压交流电设备中。

2 交流电机驱动

现在的工业中把交流电机驱动分为明显不同的两类：异步电机驱动和永磁交流电机驱动。两者基本 区别在于性能和成本上。异步电机仍然是现在工业的主要设备。采用异步电机的一般不需要十分精确地位置和速度控制。这样的设备众所周知的代表性应用为―通用交流电机‖。然而，生产半导体器件的产业和其他较复杂的产业需要较高的精度和受控动作。永磁电机成为满足上述条件的首选，由于它们尺寸更小，效率更高，惯性更低，并因此具有更好的可控性。这样的电机被归类为伺服电机并且被永磁交流电机驱动器控制，一般要比与其配对的异步电机要贵。

2.1 通用交流电机驱动器—V/f 控制

通用交流电机驱动器的电源柜与永磁交流电机驱动器很相似。这两种驱动器都被称为电压源型逆变器，一

个即将明确的术语。由于电拓扑包含一个大直流总线电容作为滤波器，并且由于它的电压被调制成各种幅值各种频率的电压之后输送给交流电机，这样的逆变拓扑结构被称为电压源型逆变器并称为现在交流电机驱动器不可分割的一部分。图2所示为一目前交流电机驱动器的典型原理图。

图1电流逆变器

因此把研发重点集中在更高效率、更小尺寸、使用更少原材料、对环境更无害、平均无故障时间间隔长、易回收的产品上是很重要的。安川公司想成为这一领域的一份子。

在电机驱动行业中应用的理念、想法和设备很适用于从代用能源如太阳能和风能中获取能量。因此，电力电子学在这些设备中起着重要作用并不惊奇。电机驱动行业在解决未来的能源危机中将成为主力军，同时也将对环境保护贡献卓著。

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图2交流电机驱动器

电机与电器学科最新发展动态 通用交流电机驱动器一般为异步电机提供恒定磁通。因为电机的磁通是施加给电机的电压与频率的比值，利用这个比值不变来实现恒磁通操作。电机电流随负载几乎成线性增长。传送带和其他摩擦负荷需要这样的配置文件。

对于离心负载像风扇和泵，电机中的磁通可以被改成按照平方函数变化。通过这样处理，电机消耗的能量变成速度的立方函数，这可以节省很多能量。尽管V/f的比值用这些措施保持恒定，和恒速度相比还是可以节省很多能量，在速度保持恒定的情况下相当大的能量损失在阀门或阻尼控制上。由于负载的转矩特性具有平方的形式，所以在较低速度范围内降低电压来进一步提高效率是可能的。由此而带来的效率提升极其显著以至于2000年京都议定书成员国们同意把风扇和泵由以往的生产线直接控制操作改为通过交流电机驱动器来操作以节约能源和减少工厂的整体碳排放量。不仅对那些国家甚至对全人类来说把固定速度的风扇和泵转变为可变速率都是非常重要和有意义的。

2.2 高性能交流电机驱动器—矢量

控制

尽管大部分工业设备需要并不复杂的V/f控制，但仍然有相当一部分设备需要更高的性能。这样的设备包括机床主轴驱动器，造纸机，拉丝机和钢铁工业中的夹送辊，电梯，石油勘探顶部驱动器，印刷机，轧钢机和其他需要低速大转矩的设备。这样的性能在过去可以用直流电机来实现，而

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现在逐步被矢量控制的交流电机所取代。矢量控制这一术语在技术上是指产生转矩的输入电流被控制为与异步电机中的磁场正交以产生最佳转矩。基于这样的方向控制被称为场定向控制。和直流电机相似，现在交流电机也能够独立控制磁通量和电机转矩来实现高性能。场定向控制的基本思想是把输入三相时变电流转变成电机中两相时变的成分：α和β成分。这些α和β成分之后被转化成和电机气隙磁场同步旋转的两轴（d轴和q轴）因而使其与交流电机的旋转磁场相对静止（图3(a)）。通过保持d轴和q轴的正交关系及控制q轴成分，即使在停止条件下也可以产生最佳转矩。电机电流从三相到d-q轴的转变需要转子的瞬时位置和速度，这是由安装在交流电机轴上的脉冲编码器来实现的。在直接场定向控制中，交流电机中气隙磁场的位置和大小来源于电机输入电压和电流的测量。把被测磁通和一稳定的参考磁通比较，然后将其接入调节器来调节q-轴磁通为零以实现两正交轴之间的完全去耦。被测磁通的d-轴分量也被用于计算电机产生的电磁转矩，再将此转矩与参考转矩比较。然后转矩调节器控制转矩产生电流成分来实现期望速度下的期望转矩。来自于编码器的角度信息被直接用于执行从三相到两轴的转变，反之亦然。 间接场定向控制的控制原理和直接场定向控制十分不同。在间接场定向控制情况下，气隙磁场并不是明确计算出来的。感应电机转差率是在测

电机与电器学科最新发展动态 量电流参数的基础上计算出来的。所得的转差率被用于计算偏离角，此偏离角又被加到来自编码器的转角信息以获得气隙磁场的正确位置。这个新估计出来的角度用于转变过程这样d-轴电机电流和气隙磁场完全一致，可以实现高性能转矩控制即使是在停止的条件下。显然和直接场定向控制相比是一个重大的优势。然而，电机转差率和偏离角的计算需要有关转子参数的信息，而这些参数对温度和其他操作条件十分敏感。在较高容量的电机中这一敏感性更加明显。在较高速的情况下，间接场定向控制方法中供微处理器计算转差率和偏离角用的编码器分辨率和计算时间是主要的限制因素。这种局限在直接场定向控制方法中和同时采用这两种类型的控制方法中是不存在的 — 停止和低速范围下间接场定向控制和高速范围内直接场定向控制是一种经典的现代控制方法，鉴于现在的微处理器具有足够的

鲁棒性来进行两种方法的计算并且可 以根据基于电机速度的可设置的状态 标志位来决定从一种算法转到另一种算法。图3所示为两种类型控制的典型控制原理图和坐标变换的概念。

2.3 高性能交流电机驱动器—测器

控制

在上述讨论的控制方案中及图3所示，编码器反馈构成不可或缺的一部分。不幸的是，在很多工业应用中，害怕任何一根传载编码器信号的信号线中断或者编码器本身可能由于电机所处的高温和潮湿等恶劣环境而无法操作。

在其他情况下，轴上编码器的安装可能会花销很大，而用户可能无法承担，在任何一种情况下，都有必要不使用编码器就由交流电机实现高性能。

上述这种情况导致一种被称作测

器控制器的新型控制器的出现。一些驱动器制造商把这种控制器称作―开环控制器‖。具有执行实时高密集性计算能力的复杂微处理器的出现使得这个领域的研究非常有趣和具有挑战性。许多研究人员致力于这一课题并且它也成为一个许多主要电机驱动器制造商的重要研发课题。目前有两种日趋流行的方法。他们是：a.通过给电机注入高频信号来显示由定子结构中的齿和槽所决定的特性，这样电机本体就被用作传感器。b.基于机器模型的流量观测器随电机温度的改变更新数据。在后一种情况下，无法进行零输

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电机与电器学科最新发展动态 应该遵循以下两个约束条件：a.避免输入线短路 ；b.避免输出开路。

一些遵循以上两个约束条件的多步换流方案被提出。四步换流技术或许是最流行最广泛使用的方法。然而，在所有的技术中，施加的选通信号和实际的双向开关的闭合与断开是不同的，因为每个开关的实际闭合与断开时间是受输出电流的方向和输入电压的幅值所影响的。这样，在换流序列期间，矩阵变流器的输出电压可能出现不期望的失真，这与传统电压源逆变器的上下两开关之间的死区时间引起的电压失真相似。许多研究人员致力于此课题，并提出多种多样的可靠的软硬件应用技术。在所有技术中，唯一可能解决低速情况下的失真问题就是采用一些补偿手段来调节由于换流延误所造成的输出电压的损失。

矩阵变流器的输入是交流电压源，然而其负载是感性电动机，其本质是感性的。由于输入感性负载的电流从一相变为另一相，就可能对输入交流电源产生干扰。为了防止其发生，在矩阵变流器的输入端采用交流电容器，它能够吸收开关脉动电流成分。为了防止外部电源的谐波耦合到输入电容器中，使用了电感器，形成低通输入滤波器。输入LC 滤波器被选择过滤掉矩阵变流器的载波频率成分。矩阵变流器和输入低通LC滤波器产生正弦输入交流电流。低通输入LC滤波器提供了稳定的中性点并且进一步促进滤波器的集成。表2列出了矩阵变流器与两级电压源型逆变器相比的

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优点。

矩阵变流器输出相电压有三级，因为它是由三个可用输入相电压构成的。由于输出电压等级要经过三个可用输入电压中的中间电压，输出电压和共模电压的阶跃变化通常要比传统的电压源型PWM逆变器低。由于矩阵变流器得共模电压波形阶跃较小，使其自身比较容易滤波。

图16是矩阵变流器和传统两级逆变器中的共模电压的比较。矩阵变流器中的共模电压较低，所以共模电流、转轴电压和轴承电流也较小。因此矩阵变流器的拓扑结构本身使其更易于滤波。利用不同滤波器的集成以实现低噪声、较低地电流和较高安全裕量的驱动器是本篇文章的推动力。

从矩阵变流器提供操作说明中，可以说矩阵变流器的性能与矩阵变流器

电机与电器学科最新发展动态 很相似。由于矩阵变流器是固有的可再生驱动器，所以把它和背靠背型的三级电压源型逆变器相比是合理的。突出的比较特点：

1. 矩阵变流器使用9个相反的大块半导体开关设备，而相比之下背靠背型的三级电压源型逆变器使用24个。 2. 矩阵变流器不需要滤波的直流总线电容和相应的软充电电路。

3.在背靠背型的电压源型逆变器中，输入相中的两相或三相总是连在一起的，这会在输入终端产生大幅值的开关频率成分。为了减少其对电力系统的影响，需要大滤波电感器和一些功率分频成分。在矩阵变流器中，既定的输入相或者和电机相连或者悬浮。所以需要衰减的开关频率的幅值成分很小，这样输入滤波器就小得多。 4. 由于没有直流总线电容所以矩阵变流器的控制原理图很复杂，是靠器械将电压源型变流器的前端PWM整流器和电机一侧的逆变器分开的。然而，最近控制理论的进步减轻了这一缺点的严重性。低噪声电机驱动系统所需的各种滤波器都可以很容易的集成到

矩阵变流器中。图17为一个带有输入和输出配置的矩阵变流器。除了标准 的输入低通LC滤波器以外，还有一个小尺寸的输入电磁干扰滤波器来降低电磁干扰。

输出部分包含普通滤波器（NMF）在电机终端提供正弦波输出电压波形。为了衰减共模电压和共模电流在输出端使用了共模滤波器。转轴电压（共模电压的仿造物）也减小了并有助于减小轴承电流。

图18为实际的环境友好型电力变流器——一个完整的系统，其中包括集成滤波器和矩阵变流器。带有集成滤波器的矩阵变流器的尺寸为：宽530mm，高700mm ，深290mm.等价的具有相似集成滤波器的背靠背式电压源型变流器将比矩阵变流器的体积大出37% 。

3.4 中压矩阵变流器

矩阵变流器的一个有趣的应用就是它在中压设备上的应用。矩阵变流器可以以单元为单位产生合适的电压。通过适当改变每个单元载体的相

角并把它们与电机线圈整合到一起，

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就能实现多步中压等级。通过保证足够高的载波频率，相移载体的电压波

电机与电器学科最新发展动态 形几乎是正弦输出。安川公司的工程师已经开发出一种比较流行的类似方法。原理图和矢量图在图19中可见。中压矩阵变流器的特点是：

? 四象限操作

? 由于输入变压器的多级相位调

整线圈，输入电流波形非常好 ? 灵活的设计：

O 三个串联的单元产生

3.3kv,200到3,000kVA的系统

O 六个串联的单元产生

6.6kv,200到6,000kVA的系统

? 通过相移载频可实现多级配置

所以 输出电压波形非常好

4 电机驱动器的前景

电力半导体工业的发展进步始于二十世纪六十年代，其发展直接影响到了电机驱动器行业的发展。沿着这条直接的纽带，可以说正在进行中的新型开关半导体装置（如砷化镓、碳化硅、氮化镓等）的研究和实验将很快主宰电机驱动器行业。将实现更高的开关频率和更小的电能损失。冷却系统的主要改变有希望彻底改变电机驱动器行业。

4.1 碳化硅(SiC)设备的优势与挑战

碳化硅设备可以在超高温环境下工作不用考虑像传统的硅设备的损失和性能下降。碳化硅可以轻易的在150摄氏度甚至更高的温度下工作。有些研究人员已经尝试了250摄氏度。更高的操作温度明显减少了冷却系统的体积和成本。碳化硅市场的另一参与者是功率因数调整设备行业。大部分电器配件使用电源和碳化硅设备，由于它能够在高频高温下工作整体效率显著提高，而且冷却系统显著减小。高频操作意味着和开关作用的无源元件更小。开关电源变压器的尺寸变小并且整个设备的成本降低。

尽管碳化硅设备提供了很多优势，但仍有一些需要解决的问题。首先就是成本问题。无缺陷产量所占比重很低而且以碳化硅肖特基二极管为例材料成本本身就占整个产品的75% .这和传统的硅材料设备十分不同，传统的硅材料设备中材料成本占整个商品成本的10% 到20% 左右。另一个需

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要解决的难题就是做成稳定的氧化

电机与电器学科最新发展动态 层。这一点制约其不能用作可控开关。MOSFET 和IGBT需要这样的氧化层来控制大部分晶体管。由于存在着和氧化层相关的制造问题，所以碳化硅材料的IGBT或MOSFET还在开发中。然而，JFET和BJT不需要此氧化层，所以有些制造商正在计划推出碳化硅型JFET和BJT。碳化硅电力BJT可以实现典型的20倍放大系数。

4.2 氮化镓(GaN)设备的优势与挑战

氮化镓设备可以承受高压而不会退化。这些设备可以开合高频高压所以其在电力系统工程和大功率电机驱动器中应用越来越多。氮化镓最近被植入硅晶片中，有4‖ 型和6‖型。这是一项卓越的改进因为它减少了瑕疵品并且使其在电力电子中得到广泛应用。基于氮化镓设备的功率密度一般为硅设备的6倍甚至更高，把它利用在大功率开关设备上很有前景。氮化镓设备也能在高温下工作。因此，研究人员普遍主张氮化镓设备可能更适合高压大功率场合——这给发电和配电行业保留了希望。氮化镓设备成本估计不会比现行的硅电力设备高，这是氮化硅设备的一个优势。然而，现在还太早不能验证此类设备如何适用到电力电子和电机驱动器上。异质结构的氮化镓FET正在开发阶段但主要是为无线电行业使用。可能还要过几年才能研究出在电机驱动器上使用的细节。

尽管碳化硅和氮化镓设备都能在高温高频下工作，但不要忘了这些设备的开关辅助电路也必须能在高温环境下工作。因此，还需处理这些领域

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的问题。

4.3 永磁电机驱动器

永磁（PM）电机在电梯和水泵等工业场合越来越流行。住宅市场将很快在抽水泵，井水，和高压交流电中采用电机驱动器。所有这些场合永磁电机都适用。这些场合中许多都不需要严格的位置控制，也不需要向伺服那样的高性能。在住宅和其他不精确的应用场合采用这些电机的主要目的是减小尺寸和提高效率。大部分场合需要测器控制能力。包括安川公司在内的驱动器制造商已经推出能在开环情况下控制永磁电机的产品。为了达到可接受的性能，需要精确的掌握一些电机参数。在缺少这些信息的情况下，驱动器需要装配自动调整装置，以精确的确定所需的d 轴和q 轴电感值和电机阻抗等。鉴于通用性驱动器现在采用的微处理器有所改善，这项任务相对简单了。然而，挑战在于不采用高端处理器就解决这些问题。

高性能的具有编码器的永磁电机驱动器能很容易做到如果同性能的无编码器的驱动器能实现。IPM（嵌入式永磁）电机更适于测器控制。在2006年4月一个由安川公司设计的测器控制的IPM电机驱动的交通机器人在在北九州国际机场使用。此电机为满足机器人的应用需求而细心设计使其更易于基于凸极的测器控制（无传感器控制）。当机器人的速度从零到最大值变化时，许多轮电机的速度和位置是由驱动器放大器和一个信号动作控制器控制的。有两种机器人，一种是两轮差分驱动，另一种是全方位驱动，

电机与电器学科最新发展动态 被用来运输人和货物。机器人中使用的无传感器技术向电机中注入高频信号以检测电机内部磁极的位置然后跟踪磁极旋转。此项应用目的是为了帮助机场和超市的治安保卫人员，并能协助机场范围内的包裹运输。图20为这样的两轮运货车的照片，轮子内的实际电机如图21所示。在九州国际机场试用时，两轮差分驱动型是由人驾驶的，全方位驱动型在一个距离25米的轨道上自动控制。机器人（后者）的绝对位置可以由激光范围探测器更正，这是在考虑了运载货物需要精确位置信息而且轮胎又会在抛光面上打滑这一情况之后改进的。

键。能减少灰尘污染风险的自动晶圆处理系统总是采用线性电机。现代半导体制造机器很大并需要相对较长冲程的线性电机以完成高效晶圆运输。高效晶圆运输技术对提高生产能力很重要。

有两种类型的永磁同步线性电机，动磁式类型和动圈式类型。动磁式类型（MM）的磁场在移动而动圈式类型（MC）线圈在移动。在动磁式类型中，线圈中的损耗随着冲程的增长而增加，因此不适于长途运输场合。另一方面，在动圈式类型线性电机系统中，需要大量的高价磁极沿整个冲程长度的导轨分布，这使得系统造价十分昂贵。

最近，动磁式类型线性电机驱动系统在长冲程领域的应用有了一些发展。在发展中，整个机体被分割成许多小部分。每一部分由一个独立的伺服放大器来驱动。在这个结构中，线圈中的损失减少，因为仅有需要推力那部分需要通电。然而，由于需要很

多专用的伺服放大器，所以系统很昂贵。此外，还需要有一个全局控制器来协调处理不同部分的激励，因此使系统复杂贵重。

安川公司的工程师发明了一种新奇的方法：在配有用于旋转电机的电线圈变换的前提下把动磁式类型线性电机应用于长冲程场合如图22和图23

4.4 线性电机

高效晶圆传输技术是不断增长的半导体制造业实现更高生产能力的关

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所示。

安川公司采用了分段核心结构及其他结构以制造高性能的伺服电机。和传统绕线结构相比这改善了线圈密

电机与电器学科最新发展动态 度提高了空间利用率。进一步，铷铁硼(Ni-Fe-B)高性能磁极的使用使体积和尺寸减小了25%而且转矩也提高了。

把过个风力涡轮机连接到电网上可以实现大规模生产效率。这样的设施被称为风力发电厂并由于对环境友好型能源的迫切需求而日趋流行。

矩阵变流器可能是风力涡轮机的理想驱动器。可能用永磁电机作为主发电机，它把电能输送给矩阵变流器，通过其变压后几乎无谐波失真地把能量引回电网。像之前提到的那样，可

以使用大功率永磁电机并把它与矩阵变流器连接后介入电网。

由于风力涡轮机并不被认作应急电源，所以在矩阵变流器涡轮机系统中不需要像连有直流大电容的PWM逆变器那样具有不间断运行能力。这样系统的速度范围通常也不必很宽。

由于风是阵阵吹过，所以通常20%的速度变化范围就足以满足最大能量获取要求和防止扰动。较低功率下的永磁与矩阵变流器结合也是可能的应该慎重考虑。可能的安排如图24所示。可能需要一个变压器来连到电网。

伺服电机和驱动器的前景都十分

明朗。然而，这和更高性能的稀土元素磁材料息息相关，要求新材料能在耐温条件下性能不下降。这些稀土元素磁材料的成本很重要而且通常随着使用量的增加成本会下降的。较大功率电机通常采用IPM（嵌入式永磁）结构因为它与SPM（表贴永磁）结构相比机械稳定性更高。上达400kW的IPM电机已经开发出来和测试过了。这些主要应用于风能设备和其他高功率抽运场合。

4.5 可再生能源与电力电子

当把电力电子运用于风力涡轮机时其在机械能到可用电能的有效转换中起着重要的作用。风力涡轮机技术的进步使风能可能替代传统的煤矿与水能。但它仍比煤能和水能贵。通过

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对于兆瓦级涡轮机，矩阵变流器可用于双馈感应电机的转子回路中。这使得低功率的矩阵变流器被用于处理大量的风能。对此应用场合三级逆变器也是一个不错的候选者。

5 结论

在这篇文章中，陈述了电机驱动器行业的现状。并没有包括电机驱动器行业的所有方面因为这个问题涉及面

电机与电器学科最新发展动态 太广太宽泛无法全面覆盖。广义的讨论了突出的产品及其特点。文中强调如果找到了电能到机械运动转换的有效手段就可能有办法减轻我们的能源依赖性。反过来，通过在风力涡轮机中使用电力电子器件来把机械能转换成电能的有效手段是另一个人类能够获益的领域。

对当前工程师的挑战和对未来工程师的动力在于发展技术，拓扑结构和空着方法，这会带来更高效的转换过程，无论是由电能到机械能还是相反的过程。

6参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cvtw.html