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高效节能将是未来电机控制发展趋势
(时间:2020-3-18 10:14:43)

  电机控制是指,对电机的启动、加速、运转、减速及停止进行的控制。根据不同电机的类型及电机的使用场合有不同的要求及目的。对于电机,通过电机控制,达到电机快速启动、快速响应、高效率、高转矩输出及高过载能力的目的。
  电机控制发展历史 
  最近两年,电机市场正在从使用低能效的直流电机、步进电机、通用或交流感应电机转向更高能效的无刷直流(BLDC)电机和永磁同步电机(PMSM),这一趋势构成的部分原因是政府法规强制使用符合特定国际能效分类规范(IE1、IE2及IE3)的电机,另外还在于推动高能效BLDC或PMSM电机应用所需的半导体产品价格的快速下降。  
  自从十七世纪初期伏特发明电池以来,人类就迎来了电气时期。在对电机的研发中,大体可以划分为四个阶段。 
  从十八世纪二十年代至十九世纪为第一阶段,电磁原理现象被发现,而且还出台了有关的法则,交流电机被研发出来 —— 电机被应用于工业领域中,并发挥着作用。 
  从二十世纪初期到七十年代为第二阶段,此时电动机不断地成长,进入到成熟期 —— 开始引入了电子控制技术和半导体驱动技术,使得变频驱动技术在应用领域中发挥着作用,趋于实用化。 
  从二十世纪七十年代到二十世纪的末期第三阶段,计算机技术的发展速度越来越快,而且迎来了高性能驱动发展,一些驱动装置已经智能化方向发展 —— 控制系统装置也趋于程序化。 
  从二十世纪末到二十一世纪为第四阶段,多媒体技术盛行,互联网技术在各个领域普及,就是在这样的信息技术背景下 —— 电动机开始向节能方向发展,为构建环境友好型设备奠定技术,保证电机在运行中发挥着应有的性能,而且还发挥着节约能源的作用。 
  电机一直都在朝着高效能、小型化、低成本、高兼容性、结构简单化的方向发展,这催生了更多先进的电机控制技术出现,从而不断改变着电机控制市场的发展趋势。 
  电机控制的发展趋势 
  在德国提出工业4.0,美国提出先进制造业国家战略方案,我国推动传统制造业的转型与升级的大背景下,传统的电机和电机控制也正在发生改变,对电机控制也提出了新的需求。 
  节能 
  电机体系节能也是大势所趋,但是仅仅用高效电机替换一般电机对整个电机体系的节能效果提高并不明显,整个电机体系的节能才是真正的节能。因而,变频器、伺服、逆变器和专用电机驱动大量用在风机、泵、压缩机、升降机、电焊机、电动车电机、空调压缩机、洗衣机电机和冰箱压缩机中。 
  变频器是电机体系节能的主力,节能首要表现在风机、泵类的运用上,选用变频器后,能够经过下降供电频率来下降泵或风机的转速,跟着转速的下降,功率会快速下降。同时变频器一般选用交-直-交变频供电的方式,沟通异步电机吸收滞后的无功功率,经过变频器供电,对电网而言,功率因数也有了一定提高,总体上节约了一部分电网输电进程中损耗的电能。 
  变频器、伺服驱动、逆变器和专用操控器中的IPM模块、IGBT和MOSFET对节能降耗起到关键性效果。这些功率器材要求也越来越多,比方要求更低的产品成本、更紧凑的封装尺度、更好的散热功用,对功率器材的多样化也提出要求,比方低功耗器材、紧凑规划的大功率器材、低压大功率器材、大电流高电压器材等等。 
  高效 
  电机控制系统不但是变换和传送能量的装置,也是传递和沟通信息的通道,未来的工业电机体系不仅仅是一个执行机构,同时也会是整个工厂体系的一个有机组成部分和动力运用监控点。现在西门子、ABB生产的一些电机,能够主动的采集和记录电机内的电压、电流、温升、振荡等状况改变,并经过以太网将数据实时的送到操控中心,以供对电机的运转状况进行检测和毛病诊断,使操作员不管身在何处均可拜访参数、状况和诊断信息,并可进行参数设置,从而提高效率。 
  近几年被广泛应用的分布式电机控制系统可提供一套模块化解决方案,使机器能高效运转,提高生产线的运转效率及可靠性。有些电机驱动的控制,在设计上同时考虑了多种电机兼容,能够适用异步电机和永磁同步电机的矢量控制,有效减少用户库存,无需考虑电机类型兼容问题,也是属于高效运转的表现。 
  另外,单独机械设备中电机的轴数正变得更多,多轴操控越来越多的运用在包装机械、电子拼装机械、食物饮料机械、机械手和印刷机械中。为了满足小批量、定制化和柔性化的加工需求,灵敏的调整电机操控的轴数,电机控制体系愈加开放,能够重复编程,更加高效。 
  同时,电机控制正朝着集成化和智能化趋势发展。 
  集成化 
  现代工厂的生产线正变得越来越复杂,比方汽车制造、包装、食物饮料、仓储物流等产线需要运用成百上千个变频器、伺服和电机来控制物料活动,这些产线对分布式电机控制系统需求量比较大。 
  电机控制系统的分布式同时意味着电机控制产品的集成化,比方电机和电机驱动的集成,电机控制器和PLC的集成,电机控制器和驱动的集成。电机、电机驱动及其控制系统的高度集成化,与传统电力传动体系比较,它们体积更小、分量更轻、功率密度更高。 
  集成的概念不仅仅停留在电机、电机驱动和电机控制器,还包含整个电机体系的集成:第一个层面是横向集成,包含电机控制器、电机驱动、电机和减速机的集成;第二个层面是纵向集成,是将电机体系归入到整个工业控制体系。 
  就目前的发展看,更多的控制功能将集成到电机控制一体化中,趋向使用更高集成度的控制方案,这些方案比传统分立器件方案更有助降低总体物料单(BOM)成本、减少方案占位面积,并使系统方案更轻、更高能效及更可靠。电机控制的集成化趋势使客户对电机控制MCU、FPGA和DSP的要求越来越高。 
  在这个趋势中,对半导体芯片的要求将是高可靠性、简约设计及功能集成、小型化、宽温度范围等多项新要求。同时要求半导体芯片厂商也能供给集成的解决方案,在单颗芯片中集成更多的功用、I/O、驱动、操控算法以及工业以太网模块等。 
  8位MCU因为价格便宜、功用安稳、运用规模极为广泛,8位MCU在变频器操控、伺服电机操控、电力与动力监控,越来越多的以太网运用等现代工业环境下遇到了瓶颈。另外,32位MCU价格在进一步的走低,8位MCU和32位MCU的价格差异在缩小,所以未来的电机控制体系会用到越来越多的32位MCU。 
  智能化 
  除此之外,电机控制也在向智能化发展。智能化控制在许多的应用领域都获得应用,并获得良好的控制效果。例如:模糊控制、神经网络控制、学习控制和居于专家系统的控制等。 
  这些控制方式最大的优点是:无需被控对象进行精确的数学建模,而且具有很强的鲁棒性,非常适合控制电机这种非线性、变参数对象。比较成熟的有模糊控制,它不需要控制对象精确的数学模型,能克服非线性等因素的影响,对被控对象参数变化具有较强的鲁棒性。目前,模糊控制已经在交直流调速系统中和伺服系统中取得很好的效果。 
  从未来的电机控制技术发展情况来看,由于系统的运行遵循了自动控制理论,计算机技术在应用领域中也实现了升级,满足了多样化的需求。对于智能化的数控产品进行研究,深入探索自动化技术,了解电机技术的发展方向。

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