信息化时代的电气传动技术

当前，世界这艘航船正行驶在信息化的海洋中，信息技术已成为推动生产力发展的重要动力。我国在生产力特别是科学技术方面总体上虽然还比较落后，但在党中央的英明领导下，正迎头赶上信息化的浪潮，信息产业及其应用正在蓬勃发展，成为覆盖现代化建设全局的战略举措。然而，许多先进的工业国家是在完成了工业化的历史任务后向信息化的时代迈进的，他们开发信息产业具有雄厚的基础。而我国还是以农业为主的国家，根据去年第5次人口普查的统计，乡村人口还占总人口的63.91%,我国的工业化尚未完成，基础工业还比较薄弱。所以必须在发展信息化的同时，特别强调“以信息化带动工业化”，才能“发挥后发优势，实现社会生产力的跨越式发展”（《中共中央十五届五中全会公报》）。
所谓电气传动，是指用电动机把电能转换成机械能，去带动各种类型的生产机械、交通车辆以及生活中需要运动的物品。自从人类发明并掌握各种机械帮助自己劳动以来，就需要有推动机械的原动力，除人力本身外，最初使用的是畜力、水力和风力，后来又发明了蒸汽机、柴油机、汽油机，19世纪才发明电动机。由于（1）电机的效率高，运转比较经济，（2）电能的传输和分配比较方便，（3）电能容易控制，因此现在电气传动已经成为绝大部分机械的传动方式，成为工业化的重要基础。
在信息化浪潮中，信息技术带动着先进生产力的发展，这是无可争辩的事实。因此，人们多热中于通信、计算机以及软件等行业，电气传动技术多少有些受到冷淡。但必须注意的是，电气传动是工业化的重要基础，信息本身并不能直接让机器转动，信息技术必须通过电气传动才能带动工业化。正如在人体中，信息技术好比是大脑和神经，生产机械好比是四肢，电气传动则是牵动四肢运动的肌肉与骨骼。大脑再聪明，如果肌肉和骨骼不灵，人体也只能是瘫痪的。当然，电气传动技术也必须在信息技术的推动下，适应信息化时代的需要而向前发展，才能真正成为以信息化带动工业化的关键环节。
1 数字控制和数据通信成为电气传动控制的主要手段
最早的自动控制手段是机械控制，后来逐步让位于电气控制和电子控制。近代的电气传动控制手段几乎都是电子控制，常用的电子控制方法有两种：模拟控制和数字控制。自20世纪70年代以来，体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化，把电子控制推上了一个崭新的阶段，以微处理器为核心的数字控制（简称微机数字控制）成为现代电气传动系统控制器的主要形式。目前，常用的微处理器有：单片机（SCP）、数字信号处理器(DSP)、精简指令集计算机(RISC)和包含微处理器的高级专用集成电路(ASIC)。
由于计算机除一般的计算功能外,还具有逻辑判断和数值运算的能力，因此数字控制和模拟控制相比有两个突出的优点：（1）数字控制器能够实现模拟控制无法实现的各种比较复杂的控制策略，（2）数字控制系统能够完成故障的自诊断，提高诊断过程的智能化。
1.1 数字控制器的优越功能
PI调节器是电气传动控制系统中最常用的控制器，现在就以PI调节器为例来说明数字控制器的优越功能。
在PI调节器中，比例部分能快速响应控制作用，而积分部分是偏差的积累，能最终消除稳态误差。在模拟PI调节器中，只要有偏差存在，P和I就同时起作用，因此，在满足快速调节功能的同时，不可避免地会带来超调，严重时将导致系统振荡。采用微机数字控制时，可以不拘泥于模拟控制器的数字化，还可以充分利用计算机的功能加以改进，例如积分分离法、分段PI算法、智能型PI调节器等。
积分分离法的关键就是把P和I分开。当偏差大时，只让比例部分起作用，以快速减少偏差。当偏差低到一定程度后，再将积分投入，以最终消除稳态误差。这样两种作用各得其所，避免了相互之间的矛盾，提高了系统的控制性能。
在分段PI算法中，为了解决动态跟随性和稳定性之间的矛盾，对比例系数和积分系数分别取两套或多套参数，根据转速或/和电流偏差的大小，在不同套参数之间进行切换，以提高系统的控制性能。
近代智能控制包含专家系统、模糊控制、神经元及其网络控制、遗传算法等等，其突出特点是：控制算法不依赖或不完全依赖于对象模型，因而系统具有较强的鲁棒性。采用单神经元和专家系统相结合的方法，可以构成一类智能型PI调节器。以转速偏差、偏差的积分和实际转速变化率为控制信号，它们分别代表了系统输出的当前、过去和将来三种状态。按照专家系统的方法，在不同条件下，改变三种信号的加权系数，合理地综合这些信号，使系统在允许条件下，尽快消除转速偏差，又不产生或少产生超调，达到最佳运行状态。这样的智能控制系统的动态性能将大大优于传统的PI调节系统。而且，其动态性能仅仅决定于系统的实际偏差及其变化率，与控制对象参数无关，因而鲁棒性也很强。
1.2 数字控制系统的故障检测、保护与自诊断
能够实现较全面的故障自诊断是计算机数字控制系统的另一优点。利用计算机的逻辑判断与数值运算功能，对实时采样的检测数据进行必要的处理和分析，再利用故障诊断模型或专家知识进行推理，可对故障类型和/或故障发生处做出正确的判断，这就是故障自诊断。计算机故障自诊断虽然还不能完全取代人工故障诊断，但计算机系统能真实可靠地记录发生故障的时刻及其前一段时间内系统的运行状态，为人们的最终判断提供有力依据，这又是单纯人工诊断所不能及的。计算机故障自诊断的前提是计算机能可靠地工作，检测元件也正确无误，而对于计算机和检测元件本身的故障还得依靠人工来检查。
1.3 数据通信在电气传动系统中的应用
对于单台生产设备的电气传动，一般只要构成微处理器-电力电子变换器-电动机系统就可以了。如果控制和管理的任务比较复杂，可采用多微机系统，这时，在各台微机之间必须建立数据通信通道。常采用串行通信接口，如RS232,RS422,RS485等，其硬件简单，但传输速率不高。
对于规模生产的生产线，往往需要多台设备的连续协调控制，则可用PLC控制几台设备，再由上位机指挥若干台PLC。上位机、PLC、各台控制器和检测元件之间的信息联系（指令信息、反馈信息、监测信息）过去都要通过控制电缆，现在则可用现场总线或计算机网络来代替密密麻麻的电缆，用通信板和通信协议（如Profibus,Interbus等）来实现联系，其传输速率高、通信距离长、出错概率低。于是，电子控制又由数字化进一步发展到网络化。
2 电力电子变换器是信息流与物质/能量流之间必需的接口
电力电子技术是信息流与物质/能量流之间的重要纽带，如果没有电力电子变换，没有弱电控制强电的接口，则信息始终就是信息，不可能真正用来控制物质生产。现在，电力电子技术的发展正处于壮年期，新的电力电子器件和变换技术仍在不断涌现出来。
电力电子器件的发展已经经历过三个平台：（1）晶闸管（SCR）,（2）GTR和GTO，（3）IGBT。目前，市场上能够广泛供应的IGBT其电压和电流容量有限，一般只够中、小容量的低压电气传动使用。容量再大时，还得采用GTO，而GTO的可靠性总是不能令人满意的。于是世界上很多电力电子企业和研究所都在努力开发新型的高压功率开关器件，已经问世的有IGCT,IEGT以及3300-6000V的IGBT等，可供中压、大容量电气传动使用。电力电子器件的进一步发展方向是；模块化和集成化、高频化、改善封装、采用新材料（如SiC）等。
在电力电子变换器中，用于控制直流电机的主要是由全控器件组成的斩波器或PWM变换器，以及晶闸管相控整流器。用于控制交流电机的主要是变压变频器，其中中、小容量的多为PWM变换器。常用的交流PWM控制技术有：
（1）基于正弦波对三角波脉宽调制的SPWM控制；
（2）基于消除指定次数谐波的HEPWM控制；
（3）基于电流滞环跟踪的CHPWM控制；
（4）电压空间矢量控制（SVPWM控制），或称磁链轨迹跟踪控制。
在以上4种PWM变换器中，前两种是以输出电压接近正弦波为控制目标的，第3种以输出正弦波电流为控制目标，第4种则以被控电机的旋转磁场接近圆形为控制目标。显然第4种的效果最好，而且是直接控制功率器件的开关状态，算法简单，故应用最广。
随着电力电子变换器的日益普及，谐波和无功电流给供电电网造成的“电力公害”越来越值得重视。解决这个问题的办法有二：（1）采用有源滤波和无功补偿装置，（2）开发“绿色”电力电子变换器。后者要求功率因数可控，各次谐波分量小于国际和国家标准允许的限度，显然这是一种治本的办法。
目前已经应用的绿色变换器有：双PWM交-直-交变换器、多单元串联的中压变换器、多电平中压变换器等。受到普遍重视还在开发的有：交-交矩阵式变换器，它具有输入电流和输出电压都接近正弦波、能量传输可逆、可省去直流滤波电容等优点，但主电路略嫌复杂，如果能成功地开发出双向IGBT模块，则结构可大为简化。
3 可控交流电气传动逐步取代直流传动已经成为不争的事实