数控技术 Ｉ数字技术 斗广ｉ五 棼
基于现代控制理论的电机应用实例
杨望 （东南大学江苏南京２１０００８）
摘要：本文介绍了如何给小型直流电机设计完整的位置控制系统，采用现代控制理论极点配置的控制方法，应用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件对控制系统
进行辅助分析和设计，并运用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ实时控制功能设计控制器，使系统满足给定的性能指标。 关键词：控制系统控制原理 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—９４１６（２０１３）０６—００３４—０２
现代控制理论是建立在状态空间法基础上的一种控制理论，对
控制系统的分析和设计主要是通过状态变量来进行。与经典控制理 论相比，其所能处理的控制问题要更加广泛，包括线性系统和非线
性系统，定常系统和时变系统，单变量系统和多变量系统，所采用的
算法也更适合于在数字计算机上进行。
本论文通过为小型直流电机机组设计完整的位置控制系统，采用 现代控制理论状态反馈和状态观测的原理。功能强大的Ｍａｔｌａｂ／
ＳｉｍＬｆｌｉｎｋ软件，在对控制系统进行分析和设计时发挥着重要的作用。
ＳｉｍｕｌｉｎｋＮ与硬件设备实现实时控制的功能，最终，使得整个系统能够
满足给定的性能指标（无静态误差，电机响应时间＜Ｄ．３ｓ，超调量＜２０Ｊ／０）。
１主要控制原理
１．１状态反馈原理
用全状态反馈实现二阶系统极点的任意配置，其动态性能一定
会优于只有输出反馈的系统。设受控对象的动态方程为
量＝Ａｘ＋６“ Ｙ＝ＣＸ 令“：ｒ一 ，其中Ｋ＝［ｋ．ｋ …ｋ ］，ｒ为系统的给定量，Ｘ
为 ×ｌ系统状态变量，Ｕ为１ １控制量。则引入状态反馈后系统的状
态方程变为： ＝（Ａ—ｂＫ）ｘ＋ ，相应的特征多项式为： ｄｅｔ［Ｓ１一（Ａ—ｂＫ）］，调节状态反馈阵 的元素【ｋ ｋ：… ］，就
能实现闭环系统极点的任意配置，如图ｌ所示： １．２状态观测器原理
构造开环观测器， 、 为状态向量和输出向量估值
蜀Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ市场观察
现代电机保护控制节能装置
现状及发展趋势
电机保护控制装置已渗透所有发 电、变电、供电和用电系统及电动车辆 等生产生活领域，是保障发电、变电、 供电和用电系统及电动车辆等正常运 行必不可少的重要组成部分，是工农 业生产和国防建设等安全工作及人民 群众正常生活的重要保证，是技术改 造、设备和产品升级换代，以及节能降 耗和自动化保护控制系统不可缺少的 重要装置，是跨行业、范围广、用量大、 节能效果显著，符合国家产业发展政 策的节能机电产品和高新技术产业， 在国民经济和节约能源事业中有着不 可替代的重要地位和作用。 ２００６年８月６日《国务院关于节能 工作的决定 ，要求各级人民政府要对 节能技术及产品推广、示范示点、宣传 培训、信息服务和表彰奖励等工作给 予支持，所需节能经费纳入各级人民 政府财政预算。全国大力推广和应用 电子型电机保护控制装置时机条件成 熟，势在必行。 一．电机保护控制在节能中 的重要地位 电动机是用电系统的主力军，其 耗电量为电气设备之最，占发电总量 的７０％以上，而耗能更是惊人的，是人 所共知、显而易见的。所以，我们曾在 电动机节能方面做了大量工作，采取 各种措旌取得了一定效果。但是却忽 略了电动机节能最重要的一环——电 机保护控制装置在节能中的重要作用。 ２６ 口中国水力发电工程学会现代电机保护控制专业委员会李国岭
因为电动机在烧毁过程中浪费能源是极 大的，全国每年仅电动机在烧毁过程中 ，耗电数千万度，浪费电磁线约０．５亿ｋｇ。 所以要搞好电动机的节能，必须抓好电 机保护这一重要环节。 据有关部门统计，全国每年烧毁电 动机的数量在２０万台次以上，容量约 ０．４亿ｋＷ，直接损失达１６亿元，间接损 失高达百亿元，每年由于电动机发生故 障引起严重损坏的恶性事故达数百起， 直接损失数亿元。此外。电动机烧毁不仅 直接浪费了大量电能。而且原材料浪费 也十分惊人，每年浪费电磁线Ｏ．５亿ｋｇ， 生产铜线每公斤需电３３．４ｋＷｈ，每年仅此 可节电１６．７亿ｋＷｈ，每度电按０．５元计算， 又可节约资金８．３５亿元。发电机的烧毁 给供用电系统造成的损失和危害更是巨 大的。 综上所述，抓好电机保护控制的节 能工作，比采取任何节能措施的效果更 为显著。 二．国内电饥保护控制装置概况 我国电机保护控制装置的发展，经 历了全面仿苏、自行设计、更新换代、引 进技术、跟踪国外新产品等几个阶段。从 机械式的双金属热继电器发展到双金属 温度开关和电子式保护控制等。 三．国外部分电帆保护控制概况 国外研制电机保护控制装置较早， 生产规模较大，专业生产和种类齐全的 应是美国、德国和韩国。如韩国的产品主 要有交流、直流电机保护继电器（ＥＯＣＴ、 Ｓ３、ＳＥ、ＳＴ、ＡＲ、ＳＩ、ＤＳＬ、ＤＤＴ、ＴＩＴ、 ３ＳＴ ３Ｅ ４Ｆｏ ＧＥ，ＥＧＲ ＤＧ ＤＺ ＤＧＲ ＳＤＤＲ、ＥＥＣＬＨ、ＤＺＧ４、ＤＺＮＧ４、 ＥＣＨＬ）、数显式智能型保护器（３ＤＤ、 ３ＤＩ、３ＤＭ、ＦＤ）、电压型保护器ＶＲ、 ＥＯＶＲ、ＥＵＶＲ）等各种型号均有系列产 品，６０余种规格。美国的主要产品有电 子型保护继电器（ＳＭＰ、ＣＦＦＩ）、热敏电 阻保护继电器（ＲＴ３）、电子型保护系统 （ＣＦＴ４）、智能控制器（ＳＭＣ）等各种型 号均有系列产品，数十种规格。德国的主 要产品是电子型温度保护器和 ＳＩＰＲＯＴＥＣ系列微机综合保护器。 四 国内外差距 目前，我国发电机保护控制技术已 达到国际先进水平，其中蒸发冷却保护 控制技术处世界领先水平。电动机保护 控制技术水平与世界先进国家相比，还 有一定差距，其技术含量低。品种和功能 少、参数精度低、生产工艺落后、企业规 模小、产品未形成系列化，普及应用程度 低（电动机保护不足３％）。在我国加入 ＷＴＯ，全球经济一体化的今天，面ｉ临国 外先进产品的长驱直入，我国电机保护 控制技术尚不具备与之抗衡、竞争市场 的能力。因此，尽快提高我国电机保护控 制科技水平已刻不容缓。 五 目前存在问题和建议 电机厂存在的误区：一是认为配套
变频器控制电机原理
随着现代工业的不断发展，变频器逐渐成为了现代工业中不可或缺的电力设备。变频器的作用是可以调整交流电的电压和频率，从而控制电机的转速。变频器主要是通过CPU电路将输入的电源频率转换为可控制的直流信号，通过控制直流信号的宽度和频率，控制电机的速度和输出功率。
变频器的控制原理可以简单地概括为三个方面：电源电路、控制芯片和输出电路。电源电路主要由整流电路和滤波电路组成，其作用是将外部输入的交流电源变成可供电机使用的直流电源。控制芯片是整个变频器的核心部分，其作用是接收输入的电压和当前电机的转速信号，然后对输出直流信号进行调整，从而达到电机转速控制的目的。输出电路则是将控制芯片输出的直流信号转化为电机可以接受的交流信号，从而输出到电机上推动电机旋转。
变频器的操作非常简单，首先通过电源电路将外部输入的交流电源转化为直流电源。然后通过控制芯片调整输出直流信号的频率和宽度，从而控制电机的转速和输出功率。最后通过输出电路将直流信号转化为交流信号，从而推动电机旋转。
1. 转速范围广：通过控制芯片可以自由调节电机的转速，从而适应不同负载的需求。
2. 能效高：变频器控制电机可以根据负载的需求调整输出功率，从而达到最佳能效。
3. 运行稳定：由于控制芯片的精准控制，变频器控制电机运行更加平稳，减少了机械振动和噪声。
4. 延长寿命：由于能够精准控制电机的转速和输出功率，变频器控制电机的寿命更长。
变频器控制电机的原理是利用控制芯片调节输出直流信号的宽度和频率，从而达到控制电机转速和输出功率的目的。这种控制方式具有转速范围广、能效高、运行稳定、寿命长等优点，因此在现代工业中被广泛应用。变频器控制电机的应用范围非常广泛，包括传统的机械制造和现代的信息技术等行业。在传统机械制造行业中，变频器控制电机常用于通风设备、水泵、空压机等机电设备，能够有效地降低能源消耗和生产成本，提高生产效率和产品质量。在现代信息技术行业中，变频器控制电机也被广泛应用于计算机服务器、数据中心、通信设备等较为敏感的电子设备，以使电子设备更加的稳定、高效和安全。
专题策划ｌ硼点
ＳＰＥＣＩＡＬ ＳＵＢＪＥＣＴ ＰＬＡＮＮＩＮＧ
现代驱动
技术纵
邵明涛 （黑龙江省机械科学研究院，哈尔滨１５００４０）
编者按：随着科技的不断进步，现代驱动技术已被广泛地融入到我们的日常生活，现代驱动技术不仅影响
民用领域、工业领域的发展，而且还影响到军事工业、航空、航天等国防事业的发展。驱动技术作为机械 控制的关键技术之一，在国内外受到普遍关注。
１引言
现代驱动技术按原理可分为电
磁式驱动和非电磁式驱动两大类。 电磁式驱动技术主要包括：直线电
机技术、无刷直流电机技术、开关 磁阻电机技术、永磁电机技术、磁
悬浮驱动技术、电磁发射驱动技术
等。非电磁式驱动技术主要包括：
压电驱动技术、磁致伸缩驱动技术、
光驱动技术、静电驱动技术与分子 马达技术、形状记忆合金驱动技术、
超导驱动技术、金属氢化物驱动技
术、橡胶驱动技术等。
２电磁式驱动技术
直线电机技术
直线电机也称线性电机，线性
马达，直线马达。直线电机是一种
将电能直接转换成直线运动机械能， 而不需要任何中间转换机构的传动
装置。它可以看成是一台旋转电机
按径向剖开，并展成平面而成。直
线电机根据实际的工作环境不同又
可分为平板式、ｕ型槽式和管式。
直线电机相对于传统的直线传
递结构具有高动态特性、高刚性、
免维护的特点。主要用于一些对系
统动态特性要求非常高以及特殊环
境的场合，如半导体生产线等。 海顿科克直线传动最近推出的
１９０００系列（电机直径为２０ｍｍ）
固定轴式电机，该电机主要是为液
体微型注射泵、电子阀门调节、
激光焦距调节、无线电频率调节
以及其他需要在狭小的空间内实
现直线运动的地方设计的，该电
机目前可选的行程有４种，分别为
１４ｒａｍ，１ ８ｍｍ，２５ｍｍ，３ ｌｍｍ。 Ｇ４—１９０００电机的机身直径
只有２０ｒａｍ，但是其推力可以达到
５ｋｇ（Ｓ０Ｎ），其固定轴的设计直接在电
机内部就实现了把旋转运动转化为
