现代电机控制？

异步电动机的矢量变换控制方法自20世纪70年代提出以来，发展很快。该理论的主要思想是将异步电机模拟为DC电机，通过坐标变换分别控制励磁电流分量和转矩电流分量，从而获得与DC电机同样良好的动态调速特性。这种控制方法现已成熟并商业化，产品质量稳定。因为这种方法采用坐标变换，所以对控制器的性能要求很高，比如运算速度和处理能力。近年来，国内外学者针对矢量转换控制的缺陷，如系统结构复杂、非线性以及电机参数对系统性能的影响等，做了大量的研究。

1985年，德国的Depenbrock教授提出了一种新的控制方法，即异步电机直接转矩控制系统。它是上述研究的结果。它不需要坐标变换，也不需要依赖转子的数学模型，因此在理论上很有吸引力。在实验室条件下，还制作了一台性能指标相当高的样机。但仍有一些问题没有解决，如转矩观测器和低速时的速度波动，无法实现商业化。目前市场上宣称实现直接转矩控制的系统，大多是将磁链定向与直接转矩控制相结合，低速时采用磁链定向矢量变换控制，高速时采用直接转矩控制。或者在直接转矩控制系统校正的同时观察转子磁链。首先，很难确定这种方法平滑切换的时机。目前德国大学的博士正在研究这个问题。其次，如果在低速时采用磁通定向矢量控制，或者采用观测转子磁链的方法，还是取决于转子参数。也就是说，只要有转子磁链的分量在里面，它对转子参数还是敏感的。不能体现直接转矩控制的优点。看来完全的转矩直接控制离商业化还有一段距离。

此外，基于现代控制理论的滑模变结构控制技术、利用微分几何理论的非线性解耦控制、模型参考自适应控制等方法的引入，提高了系统性能。然而，这些理论仍然是基于对象的精确数学模型。有些需要大量的传感器和观测器，结构复杂，有些仍然无法摆脱非线性和电机参数变化的影响，需要进一步探索解决上述问题的途径。

纵观电机行业的发展史，几乎每一次大的发展都是理论上的突破。但现在作为一些成熟的现代通信系统，提出划时代的理论并不容易。因此，在未来的发展中，将现有的控制理论长期结合，取长补短，或者将其他学科的理论和方法引入电机控制，走跨学科的道路来解决上述问题。近年来，智能控制的研究非常活跃，并在许多领域得到了应用。典型的例子有模糊控制、神经网络控制和基于专家系统的控制。由于智能控制不需要对象的精确数学模型，鲁棒性强，许多学者将智能控制方法引入电机控制系统的研究，并预言未来十年将迎来电力电子和运动控制的新时代。比较成熟的是模糊控制，其优点是不依赖于被控对象的精确数学模型，克服了非线性因素的影响，对被控对象的参数变化具有很强的鲁棒性。模糊控制在交流DC调速系统和伺服系统中取得了令人满意的效果。其典型应用有:模糊控制器用于电机速度控制；模糊逻辑在电机模型和参数辨识中的应用:基于模糊逻辑的异步电机效率最优控制:基于模糊逻辑的智能逆变器研究等。近年来，一些文献讨论了将神经网络控制或专家系统引入异步电机直接转矩控制系统，相信在不久的将来会取得实用的成果。

2控制器方面

有了好的控制方法，你需要一个能实现它的控制器。高可靠性和良好的实时性是对控制系统的基本要求。起初，电机控制使用带有分立元件的模拟电路。后来随着电子技术的进步，使用了集成电路，甚至专用集成电路。这些电路多为模数混合电路，不仅提高了可靠性和抗干扰性，而且缩短了开发周期和成本，减小了体积，因此发展迅速。

作为ASIC(专用集成电路)的一个重要方面，几乎所有先进工业国家的半导体制造商都可以提供自己开发的用于电机控制的ASIC。因此，电机控制专用集成电路的种类和规格非常多，产品数据和应用数据非常丰富。但同时，由于厂商之间没有统一的标准，产品极其分散，新产品不断出现。为了满足一个设计的需要，往往需要花费大量的精力和时间来收集和整理信息。但是，如上所述，电机控制的发展越来越多样化和复杂化。所以有时可能无法满足日益苛刻的性能要求。这时候可以考虑开发自己的电机专用控制芯片。现场可编程门阵列(FPGA)可以作为一种解决方案。FPGA作为一个开发设备，可以很容易的修改很多次。简单打个比方，FPGA相对于ASIC就像EEPROM相对于掩膜版生产的ROM。因为FPGA的集成度非常大。一个FPGA少则几千个等效门，多则几万或几十万个等效门。因此，一个FPGA可以实现非常复杂的逻辑，取代多个集成电路和分立元件组成的电路。它借助硬件描述语言(VHDL或VerilogHDL)进行系统设计，从门电路到整个系统都摒弃了传统的方法。它采用三个层次的硬件描述和自顶向下的设计风格(从系统功能描述开始)，并可以混合和模拟三个层次的描述，以便于进行数字电路设计。具体层次及其简介如下:第一层是行为描述，主要是功能描述，可用于功能仿真；第二层是RTL描述，主要是逻辑表达式描述，以及RTL级别的模拟；第三层是门级描述，即用基本门电路的描述，以及相应的门级仿真。最后生成门级网络表，再用专用工具生成FPGA的编程码点，就可以进行FPGA编程了。试产成功后，如果需要量产，可以根据FPGA的设计定制ASIC芯片，降低成本。目前有这方面可行性的文章，有兴趣的读者可以参考一下。

集成电路的出现对电机控制产生了深远的影响。极大地推动了电机控制行业的发展，至今仍有广阔的市场，但遗憾的是国内ic厂商无法在这个市场占据应有的份额。随着技术的发展，尤其是数字化趋势广泛流行的今天，人们不会满足于停留在模拟和数字混合的时代。

目前市场上常见的变频器大多是由单片机控制的。8096系列产品应用广泛。但是，单片机的处理能力是有限的，特别是在矢量变换控制的系统中。由于要处理的数据量大，实时性和准确性要求高，单片机已经不能满足要求。于是人们很自然的想到了数字信号处理器(DSP)。近年来，各种集成单芯片DSP的性能有了很大的提高，越来越多的软件和开发工具变得越来越好。但是，价格大幅下跌。目前低端产品接近单片机的价格水平，具有较高的性价比。所以DSP器件和技术更容易使用，价格也能被用户接受。越来越多的单片机用户开始选择DSP器件来提高产品性能，DSP器件取代高端单片机的时机已经成熟。而且随着DSP在各行各业的广泛普及，专业人才的供需矛盾也会很快得到解决。

与单片机相比，DSP器件具有更高的集成度。DSP有更快的CPU，更大的内存，内置波特率发生器和FIFO缓冲器。提供高速、同步串口和标准异步串口。一些片内集成模数转换器和采样保持电路可以提供PWM输出。更不同的是，DSP器件是RISC器件，大部分指令可以在一个指令周期内完成，而通过并行处理技术，可以在一个指令周期内完成多个指令。DSP采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时访问程序和数据。内置的高速硬件乘法器和增强的多级流水线使DSP器件具有高速数据运算能力。单片机是一种复杂指令系统计算机(CISC)，大多数指令需要2 ~ 3个指令周期才能完成。单片机采用诺依曼结构，程序和数据在同一个空间访问，同一时间只能分别访问指令或数据。ALU只能做加法，乘法需要软件实现，所以占用指令周期多，速度慢。所以结构上的差异使得DSP器件执行一条指令比16位单片机快8 ~ 10倍，完成一次乘加运算快16 ~ 30倍。简单来说，DSP器件的计算功能很强，而单片机的事务处理能力很强。DSP器件还提供高度专用的指令集，提高了FFT和滤波器的运算速度。此外，DSP器件提供JTAG(JointTest Action Group)接口，具有更先进的开发手段，更便于批量生产测试。

为了抢占电机控制市场的份额，各大DSP厂商都推出了自己的嵌入式DSP电机专用控制电路。比如占DSP市场45%份额的德州仪器，就推出了电机控制器专用DSP——TMS 320 c 24 x(TMS 320 f 24 x片内ROM可擦除)。新的TMS 320 c 24 DSP采用TI的T320C2xLP16位定点DSP的核心，并集成了电机控制事件管理器，其特点是以最佳方式对电机转向进行电子控制。该设备使用TI可重复使用的DSP内核技术来显示TI的特殊能力——通过在单个芯片上集成一个DSP内核及其数字和混合信号外设，可以制造各种应用的DSP解决方案。作为第一个专用DSP系列的数字电机控制器，TMS320C24x可以支持电机转向、命令生成、控制算法处理、数据交换和系统监控。通过添加集成DSP内核、优化的电机控制器事件管理器和单芯片A/D设计等许多因素，可以提供单芯片数字电机控制方案。该系列的TMS320C240包括一个20MIPS DSP内核、一个事件管理器、两个串行接口、一对10位模数转换器、一个32位数字I/O系统、一个看门狗定时器、一个低压监控器和一个16K字符闪存(TMS320F240型)。依靠兼容性实现系统升级。TMS320C240的编码与TI的TMS320Clx、TMX320C2x、TMS230C2xx和TMS320C5x系列的DSP兼容。它使用TMS320的定点DSP软件开发工具和JTAG仿真支持，使电机控制器领域的开发者可以很容易地从微控制器提升到新的DSP。美国模拟设备(AD)公司也不甘落后，与著名的intel公司合作生产ADMC3xx系列电机控制专用DSP，性能与TI公司相差不大。也是基于AD公司的16位定点DSP核ADSP2171设计的。此外，它还集成了一个三相PWM发生器(16位)和一个模数转换器。其他知名DSP制造商包括摩托罗拉和NEC。使用基于DSP的电机ASIC的另一个好处是可以降低对传感器等外围设备的要求。复杂算法可以达到同样的控制性能，降低成本，可靠性高，有利于专利技术的保密。

有时候系统需要更多的人机交互、打印等控制，一个DSP是无法胜任的。这时可以用单片机来处理事务，用DSP来处理运算。然而，这不仅增加了两个处理器之间的同步和通信负担，而且恶化了系统的实时性能，延长了系统的开发时间。在这种情况下，Tricore是解决问题的好方法，它将微处理器、微控制器和数字信号处理器的能力集中在一个芯片上，从而在一个芯片上解决大多数工程问题。