1 引言 2006年剛剛過(guò)去。在新的一年開(kāi)始，回顧近兩年在電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)（Electric Drive, 以下簡(jiǎn)稱為ED）學(xué)術(shù)界的熱門話題、與ED發(fā)展有關(guān)的數(shù)字控制器、元器件和典型產(chǎn)品的技術(shù)走向、以及在應(yīng)用領(lǐng)域中的熱門話題，可以看到該領(lǐng)域大致的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。 2 學(xué)術(shù)界 2.1 IEEE會(huì)刊 在2006年IEEE-IE會(huì)刊Vol.53, No.1～2中，由德國(guó)伍普脫大學(xué)Joachim Holtz教授作為客座主編，連續(xù)登載了兩集有關(guān)交流異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)在無(wú)傳感器條件下的高性能控制研究成果的專輯[1,2>，共刊載了異步電動(dòng)機(jī)無(wú)速度傳感器控制的論文21篇、永磁同步電動(dòng)機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)無(wú)位置傳感器控制的論文11篇。主編寫道：“在過(guò)去30年，人們對(duì)感應(yīng)電機(jī)無(wú)速度傳感器控制的研究一直是饒有興趣的……。感應(yīng)電機(jī)無(wú)速度傳感器控制的當(dāng)前主要問(wèn)題是，在低速下尤其在定子零頻率附近，如何獲得穩(wěn)定與快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、以及如何更為簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)?！痹凇峨姎饧夹g(shù)》2006年第9期的“PE電力電子專刊”中，筆者對(duì)其中關(guān)于“異步電動(dòng)機(jī)無(wú)速度傳感器控制”部分的“編者的話”和綜述論文作了點(diǎn)評(píng)和討論。 還有一個(gè)重要的主要討論電力電子發(fā)展方向的小型國(guó)際會(huì)議FEPPCON（Future of Electronic Power Processing Conversion）。值得一提的是，在2005年的IEEE-PE會(huì)刊和IEEE-IA[4>會(huì)刊上都介紹了FEPPCON第5屆會(huì)議（2004年5月召開(kāi)[5>）上對(duì)包括ED的各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域未來(lái)幾年發(fā)展的看法，這反映了這次會(huì)議的重要程度。對(duì)文獻(xiàn)[4>的中文翻譯和點(diǎn)評(píng)請(qǐng)見(jiàn)[6,7>。 2.2 國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議 在2006年9月我國(guó)上海召開(kāi)的IPEMC’06國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上，現(xiàn)任IEEE-PE主席、德國(guó)亞琛大學(xué)教授R.W.De Doncker作了題為“現(xiàn)代電機(jī)驅(qū)動(dòng)：設(shè)計(jì)和發(fā)展趨勢(shì)”的大會(huì)發(fā)言[8>。他重點(diǎn)討論了ED的技術(shù)動(dòng)向和用于設(shè)計(jì)現(xiàn)代電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的各種工具。 De Doncker教授指出，未來(lái)10年ED技術(shù)的趨勢(shì)將是： （1）提高功率密度； （2）將有更多類型的電機(jī)和專用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)； （3）為了減小體積，更多的ED將運(yùn)行在更高速的范圍； （4）可在更高溫度環(huán)境工作的電機(jī)、功率變換器和控制電路； （5）具有大轉(zhuǎn)矩、采用直驅(qū)的推進(jìn)系統(tǒng)； （6）耐高溫的電力電子器件將會(huì)得到更多的應(yīng)用； （7）越來(lái)越智能化的控制方法將會(huì)減少用戶調(diào)試ED并優(yōu)化ED的性能。產(chǎn)品的即插即用功能將變的必要。 該文給出了設(shè)計(jì)現(xiàn)代電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的流程如圖1所示。作者指出，ED設(shè)計(jì)工具應(yīng)具有以下基本功能： （1）對(duì)于電機(jī)：損耗和電機(jī)效率的計(jì)算；鐵心溫度、溫度周期和預(yù)期壽命; 噪聲分析等； （2）對(duì)于功率變換器：所有器件的電壓電流額定值計(jì)算；損耗計(jì)算從而得出效率和散熱方法；熱分布、熱循環(huán)、功率變換器的壽命；EMI分析、低通濾波器和EMI濾波器設(shè)計(jì)。 另一個(gè)值得注意的文章是，2005年9月在我國(guó)南京召開(kāi)的ICMS’2005上美國(guó)威斯康星-麥迪森大學(xué)的Robert D.Lorenz教授發(fā)表的題為“未來(lái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)”一文[9>。在該文中，R.D.Lorenz教授介紹了至今為止他所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組的科研成果，指出了影響未來(lái)ED的5項(xiàng)具體的關(guān)鍵技術(shù)： （1）作為整個(gè)系統(tǒng)的一部分，ED可看作一個(gè)傳感器為其他子系統(tǒng)提供所需信息，這樣就增強(qiáng)了系統(tǒng)整體的功能。文中給出了通過(guò)設(shè)計(jì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器而不用增加新傳感器以得到負(fù)載轉(zhuǎn)矩的例子。 （2）提高ED的功率轉(zhuǎn)換效率將促進(jìn)其更為廣泛的應(yīng)用。對(duì)于某些應(yīng)用（例如動(dòng)力牽引），高效率的ED系統(tǒng)將會(huì)成為首選方案。 （3）為了提高可靠性，在未來(lái)設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)將使其具有自傳感位置、速度信息的功能。例如可設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子凸極效應(yīng)從而在運(yùn)行時(shí)由此效應(yīng)得到轉(zhuǎn)子位置等信息。 （4）為提高并聯(lián)的功率變換裝置或并聯(lián)器件的可靠性，要求實(shí)時(shí)溫度控制成為未來(lái)ED系統(tǒng)的常規(guī)內(nèi)容。此時(shí)，需要將溫度傳感器和基于母線的通訊集成于該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)之中，以保證熱負(fù)載的分配及魯棒性。 （5）將會(huì)在系統(tǒng)級(jí)和功率模塊級(jí)中集成更多的微型傳感器,這樣就可以以極低的成本達(dá)到很高的可靠性。這種“傳感器集成”的方法將會(huì)體現(xiàn)在未來(lái)ED的設(shè)計(jì)之中。 這篇文獻(xiàn)的中文翻譯請(qǐng)見(jiàn)文獻(xiàn)[10>。 3 產(chǎn)業(yè)界 3.1 交流變頻裝置 （1）越來(lái)越多的企業(yè)推出了具有高性能無(wú)速度傳感器矢量控制或DTC控制的通用變頻器，為代表的是日本三菱公司的新一代通用變頻器RP-A700系列。該公司把2005年推出的最高端伺服系統(tǒng)RP- V500的速度控制器結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量在線辨識(shí)等功能移植到了RP-A700中[11>。三菱號(hào)稱該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了真正的無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)。該產(chǎn)品的在無(wú)速度傳感器條件下速度范圍為1:200 （對(duì)0.3Hz～60Hz），速度響應(yīng)速率為120rad/s。如果使用編碼器，速度控制性能為，調(diào)速范圍1:1500，精度±0.01%，速度響應(yīng)速率300rad/s （在模型自適應(yīng)控制方式下）;轉(zhuǎn)矩控制性能為：轉(zhuǎn)矩控制范圍1:50，在自整定（auto tuning）條件下轉(zhuǎn)矩控制的絕對(duì)精度為±10%, 重復(fù)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩精度為±5%。 （2）國(guó)內(nèi)高壓大容量變頻器制造公司的隊(duì)伍不斷擴(kuò)大。除了原有的北京利德華福、成都東方日立、中山明陽(yáng)之外，哈爾濱九洲電氣、上?？七_(dá)、廣東智光、北京動(dòng)力源等公司也紛紛制造出了級(jí)聯(lián)式高壓變頻裝置。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)產(chǎn)品的總銷量已占據(jù)國(guó)內(nèi)銷售總量的50％以上。 3.2 交流伺服系統(tǒng) 目前產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的交流伺服系統(tǒng)包括以下幾個(gè)方面技術(shù)[12>: （1）精密加工及電機(jī)制造技術(shù)； （2）系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)、數(shù)學(xué)建模與矢量控制技術(shù)； （3）DSP芯片與微控制器技術(shù)； （4）功率電子模塊技術(shù)； （5）智能傳感器技術(shù)。 隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)開(kāi)始從采用微控制器和DSP的控制方式向片上系統(tǒng)（SOC：System on chip）發(fā)展。未來(lái)的交流伺服系統(tǒng)將建立在以上技術(shù)、理論和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，引入軟件IP伺服控制的設(shè)計(jì)思想，重點(diǎn)突破軟件伺服功能模塊的算法以及電機(jī)動(dòng)態(tài)參數(shù)辯識(shí)和控制模型重構(gòu)等問(wèn)題，通過(guò)功能模塊在線編程、針對(duì)被控對(duì)象負(fù)載變化的大小要求，對(duì)交流永磁同步電機(jī)或交流異步電機(jī)的位置、轉(zhuǎn)速、加速度和輸出轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)高精度地軟件矢量伺服控制。 3.3 元器件與電力拖動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)字控制器和電力電子器件正在突飛猛進(jìn)地發(fā)展。 （1）數(shù)字控制器 目前對(duì)于高性能的ED，其控制系統(tǒng)的核心逐漸由單一的MCU，逐漸過(guò)渡為DSP＋MCU混合芯片。盡管不同的公司所推出產(chǎn)品的名稱不盡相同，但其主要構(gòu)架是由DSP內(nèi)核加上MCU外設(shè)所組成。隨著電力傳動(dòng)產(chǎn)業(yè)化的不斷深入，對(duì)控制核心的各個(gè)方面的要求也越來(lái)越高，不僅需要較高的計(jì)算和控制性能，而且需要較低的產(chǎn)品價(jià)格。各大公司也紛紛瞄準(zhǔn)該領(lǐng)域，迅速推出自己的產(chǎn)品，使得在設(shè)計(jì)ED時(shí)有了更多更好的選擇。 ●TI公司（德州儀器）于2006年11月推出了4款32位DSP,即TMS320F28015、F28016、F2801-60、F2802-60。TI公司將其稱為基于DSP的低成本控制器，每千片的價(jià)格根據(jù)型號(hào)不同在4美元/片左右，這4款DSP的主頻均為60MHz。這些DSP的設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)了易用性的理念，同時(shí)針對(duì)電機(jī)控制采用了12位ADC、正交編碼器接口、可多達(dá)10個(gè)獨(dú)立PWM通道，還集成了CAN、I2C、UART、SPI等模塊。特別是針對(duì)電源控制應(yīng)用方面，推出了高分辨率PWM模塊（HRPWM），其分辨率可達(dá)150×10-12s。當(dāng)采用16位精度控制時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)100kHz的控制周期；而采用12位控制時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)1.5MHz控制周期。該特點(diǎn)對(duì)提高控制系統(tǒng)的性能，降低變換器的體積和重量都將起到積極的作用。 ● Freescale公司（飛思卡爾）在2006年9月也推出了4款16位新型DSP 56F8000 DSC系列產(chǎn)品，即56F8037、56F8036、56F8025和56F8023，F(xiàn)reescale公司將其稱為數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）。每千片的價(jià)格根據(jù)型號(hào)不同在4美元/片左右。56F8000系列采用了飛思卡爾的56800/EDSC內(nèi)核，該內(nèi)核提供32MIPS和單周期乘法累加（MAC），該系列產(chǎn)品將數(shù)字信號(hào)處理器的性能和快速計(jì)算與微控制器的易用性和控制功能結(jié)合起來(lái)。由于采用較好的內(nèi)部總線設(shè)計(jì)，其實(shí)際指令執(zhí)行速度可以達(dá)到較高水平。該系列產(chǎn)品可以提供16位96MHz的PWM，并且具有可編程故障功能。高度精確的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）具有1.125ns的轉(zhuǎn)換速率。為了進(jìn)行高控制性能，該產(chǎn)品還具有ADC與PWM同步功能。針對(duì)電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)特點(diǎn)，在芯片中集成了12位DAC，模擬信號(hào)比較器、正交編碼器接口、電源監(jiān)控器、CAN、I2C、UART、SPI等模塊。除了電源引腳外，其它引腳幾乎都可以配置成為GPIO（通用IO）口。 ●Renesas公司（瑞薩）的MCU產(chǎn)品也廣泛應(yīng)用于各種電機(jī)控制產(chǎn)品中。M16C系列MCU為16位產(chǎn)品，每千片的價(jià)格根據(jù)型號(hào)不同在5～6美元/片左右。M16C的主頻在20～32MHz之間，在其高端產(chǎn)品SH2上采用了5級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，提高了指令執(zhí)行速度。針對(duì)電機(jī)控制的特點(diǎn)，該系列產(chǎn)品集成了ADC、PWM、定時(shí)器、正交編碼器接口等主要模塊，以及CAN、I2C、UART、等模塊。M16C的采用單一的3V或者5V電源供電。ADC與PWM具有同步功能，而且可以在一個(gè)PWM周期中對(duì)兩個(gè)ADC采樣保持器分別進(jìn)行延時(shí)啟動(dòng)觸發(fā)，該功能適合于利用一個(gè)采樣電阻來(lái)檢測(cè)三相電機(jī)電流。 （2）電力電子器件 目前電力電子器件設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展迅速，特別是在高壓大容量器件方面。單個(gè)IGCT器件已達(dá)到4.5kV～6.5kV、4kA的水平，適用于動(dòng)態(tài)不間斷電源（DUPS）、有源濾波（APF）、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）、靜止補(bǔ)償器（STATCOM）、固體狀態(tài)斷路器（SSB）、中壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)、新能源領(lǐng)域等等。ABB公司推出的IGCT為單片器件，不再使用焊接或者鍵合導(dǎo)線，而是采用了獨(dú)立的彈簧壓力封裝技術(shù)。這一技術(shù)使得器件對(duì)壓力不均勻性的敏感程度大為降低，因此對(duì)器件安裝所需的機(jī)械技術(shù)指標(biāo)有更高的容差，同時(shí)允許更高的安裝緊固壓力。所有這些都大大提高了器件在高壓大容量應(yīng)用領(lǐng)域的可靠性。IGCT具有較低的導(dǎo)通損耗和開(kāi)通損耗，工作溫度可達(dá)-40℃～140℃，同時(shí)可以自身提供驅(qū)動(dòng)電源?？梢灶A(yù)見(jiàn)，IGCT在高壓大功率電力電子變換裝置領(lǐng)域中會(huì)越來(lái)越受到人們的重視。 4 熱門應(yīng)用話題 4.1 在可再生能源中的應(yīng)用 在IEEE支持的IPEMC’06（中國(guó)上海）、PEMC’06（韓國(guó)濟(jì)洲島）會(huì)議上，一個(gè)共同的熱點(diǎn)是與可再生能源有關(guān)的技術(shù)問(wèn)題，如太陽(yáng)能利用、風(fēng)力發(fā)電、等等。IEEE-IE的會(huì)刊在2006年4、5期登載了題為“Renewable Energy a n d Distributed Generation Systems”的專集。在這些會(huì)議和文獻(xiàn)中，在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，與ED相關(guān)的主要問(wèn)題是： （1）高效、可靠的大容量電機(jī)及其逆變電源制造和技術(shù)； （2）系統(tǒng)最大能量跟蹤技術(shù)； （3）系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)等。 過(guò)去25年期間風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的變化如圖2所示[13>，這也反映出大容量逆變電源在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展中所處的地位。目前的風(fēng)電系統(tǒng)的主流拓?fù)淙鐖D3（a）所示、采用雙饋發(fā)電機(jī)、齒輪減速箱和轉(zhuǎn)子側(cè)4象限逆變電源。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性、減少系統(tǒng)的維護(hù)量，近年的趨勢(shì)之一是采用如圖3（b）所示的大容量同步或永磁同步電機(jī)及直驅(qū)控制結(jié)構(gòu)[13,14,15>。于是，可靠的兆瓦級(jí)逆變電源技術(shù)將進(jìn)一步得到發(fā)展。 4.2 在節(jié)能中的應(yīng)用 要到達(dá)我國(guó)政府提出的“十一五”時(shí)期“單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗降低20％左右”的目標(biāo)，絕非易事。由于大型電機(jī)采用調(diào)速控制方式后的節(jié)能效果十分明顯并已經(jīng)得到大部分工礦企業(yè)的認(rèn)同，因此，大容量ED的應(yīng)用于節(jié)能和工藝改進(jìn)時(shí)的市場(chǎng)前景十分廣闊。 將ED用于節(jié)能和工藝改進(jìn)時(shí)的一個(gè)重要問(wèn)題是產(chǎn)品投入后的資金回收期問(wèn)題。我國(guó)前幾年推廣交流電機(jī)變頻技術(shù)時(shí)，實(shí)施過(guò)用使用方節(jié)約電能的費(fèi)用支付變頻設(shè)備貨款的方案。為了提高可實(shí)施性，還需要相關(guān)政策、法律的保證。 4.3 性價(jià)比高的交流伺服系統(tǒng) 國(guó)際大型公司ABB、西門子、三菱、安川等廠商的交流伺服系統(tǒng)一直處于全球領(lǐng)先地位。現(xiàn)在，中國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)95%的市場(chǎng)為這幾家公司所有。據(jù)估計(jì)，2006年國(guó)內(nèi)保持了大約20％的市場(chǎng)增長(zhǎng)率、未來(lái)的1、2年內(nèi)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)規(guī)?？赏黄?0億人民幣。國(guó)內(nèi)公司，如北京和利時(shí)、華中數(shù)控、上海開(kāi)通、臺(tái)灣臺(tái)達(dá)、西安微電機(jī)所等，已經(jīng)取得了某種程度的技術(shù)突破并形成了一定的供貨能力，如果在近期在關(guān)鍵核心技術(shù)上有所突破并加大科研開(kāi)發(fā)力度，將會(huì)促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。 5 結(jié)束語(yǔ) 展望電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展雖力所不能及，然而由上述回顧，可以總結(jié)出反映今后幾年技術(shù)動(dòng)向的幾個(gè)關(guān)鍵語(yǔ)句如下： ● 無(wú)速度傳感器矢量控制的高性能化; ● 高可靠的大容量電機(jī)和變頻技術(shù); ● 高性價(jià)比的數(shù)字控制器和電力電子器件； ● ED在節(jié)能、環(huán)保和可再生能源等領(lǐng)域的應(yīng)用。