當我們說到「電機控制」指的是什麼？

01-27

今天早上突然想到這個問題，感覺做電機控制這麼久了，當我們說到電機控制的時到底指的是什麼呢？今天在這裡和大家探討一下。

以非同步電機來說，比如給你一個三相非同步電機，我們能如何控制它呢？要想控制它按照你的要求工作，我們需要學習和掌握哪些知識呢？

第一步:「動起來」——啟動

相信大家的第一感覺都一樣，甭管後續怎麼控制，先讓它轉起來再說。那要想讓他轉起來，該怎麼做呢？

想到咱們電氣工程專業有本「天書」叫做《電機學》。（http://vdisk.weibo.com/s/djwq4HeGfFzEJ），那裡頭講過三相非同步電機的知識。首要任務是接線問題，你要確定是用星形接法還是三角形接法。

上圖中的U1，V1，W1表示三相電源接線端。

至於說兩種解法選哪個，請考：

http://www.ad.siemens.com.cn/service/answer/solution.aspx?Q_ID=74681&cid=1157

假設我們這裡選用了星型接法，然後你就需要把三相電源線依次接到你的電機接線盒的三個接線端子上。為了安全和容易操作（防觸電），我們在三相電源線和電機之間接上一個空氣開關，這裡的開關具體型號需要根據你的電機參數（電壓，功率）來定。接好線後，當你把空氣開關由OFF打到ON的時候，電機此時就轉了起來。

第二步:「正反轉」——換向

OK，電機雖然轉了起來，但此時電機的正轉或反轉都是隨機的，當你把三相電源線接好以後，電機的轉向也就確定了。但是就電動機轉向這個參數來說，我們此時並沒有沒有控制到。那我們就要想辦法讓它按照你的要求方向轉！

還是回到《電機學》課本，我們知道：

三相交流非同步電動機改變轉向就是改變電機繞組的相序。具體的方法是：

1.把電源或者總空開處的三根電源線A、B、C中的任意兩根對調。例如：A與B對調；或者A與C對調或者B與C對調。
2.還可以在主迴路的熱繼電器出線端（或者啟動櫃端子排上），把進電機的三根線中的兩根對調。
3.還可以在電機接線盒中把三根線中的兩根對調。
以上介紹的方法，你可以選擇一種最方便的來改動。

好的，按照第三條的方法，我們驗證一下，將電機接線盒的三個接線端任意兩個換一下試試效果，方法有效，可以改變方向。但是，這樣的操作方式是一個手工操作的笨辦法，工業實際生產過程中不可能讓你停下來去改接線，那就要實現自動控制。

好了，有了這個目標，加上我們知道改變轉向就是改變電機繞組的相序。那我們就用控制器來實現。我們電氣專業還有一門可編程邏輯器件或者說類似的課程，就教過用PLC如何控制電機。其實現在大多數工廠里控制電機主要也是用PLC控制，因為PLC皮實，扛揍。那我們就用它來實現，控制原理圖如下：

基本原理就是換相序，當KM1常開觸點閉合的時候，電機的繞組相序是：A,B,C。當KM2常開觸點的時候，電機的繞組相序是：C,B,A。然後在PLC的編程軟體里寫上兩三條語句就可以實現正反轉自動控制，也就不用人為去改接線了。

第三步:「快轉or慢轉？」——調速

解決了前面兩步，接下來就要解決電機轉動快慢的問題，也就是電機的調速問題。由《電機學》我們知道，三相非同步電機的同步轉速 $n_{s}=frac{60f}{p}$ ,p是電機極對數。50Hz電源下，4極電機應該是1500轉，2極電機是3000轉。由於非同步電機有轉差率，電機實際速度都是小於同步轉速的，如下圖：

三相非同步電機調速方法有很多，各自也有各自的適用場合和優缺點。

現在用的最多的是交直交變頻調速。什麼是交直交變頻調速呢？這就得說到另一門課程《電力電子技術》了。http://vdisk.weibo.com/s/sNQmPqNBoVP7L

交流電轉成直流電叫做整流，直流電變成交流電叫逆變，一般常用電壓源型交直交變頻器。交直交變頻原理何在呢？請看http://wenku.baidu.com/view/75f8000ef78a6529647d530d.html

總之就是根據上面那個公式而來，至於這個式子怎麼來的可能你還需要複習一下《電路原理》。至於說電機在額定頻率以下恆轉矩控制，額定頻率以上恆功率控制等等這些也都是老生常談的問題了，這裡我也不多說了。目前市面上賣的三相交流電機的變頻器也很多，調速已經不是問題。？

第四步: 調速進階——大新聞

人的慾望是無限的，電機控制行業也是。變頻交流調速雖然一定程度上實現了非同步電機無級高效的調速，但是我們這些個同行是不滿足的。一想到看看別人家的孩子怎麼怎麼樣好，當然這裡別人家的孩子指的是直流電機。就覺得不行，我們要追（模）趕（仿）它們，我們要超越他們！

我們要用高大上的自動控制理論！我們要用單片機，要用DSP！我們要用感測器！我們要模擬！我們要整流和逆變！我們要上天。。。。。！

就這樣，時間悄然來到了1973年，「非同步派」的代表人物德國的F.Blaschke搞了個大新聞。提出了矢量變換控制（西門子）。他參照直流電機中勵磁磁場（磁化電流）、電樞磁場（電樞電流）空間相互垂直、沒有耦合、可分別控制的原理，將之遷移到非同步電機上，進而實現轉矩的動態（瞬時）控制機理，完成了一次逆襲。從此非同步電機的地位蒸蒸日上，直流電機岌岌可危。

就這樣矢量控制實現了交流電機的解耦控制，獲得了如同直流機的良好靜、動態調速性能，開創了交流電機高性能控制的新時代。大家歡欣雀躍。

時間匆匆流逝，在西門子靠著矢量控制統治的這十幾年裡，別的一些電氣巨頭們也都默默的憋著一口氣。終於在1985年又是德國人Depenbrock搞了第二個大新聞。提出了直接轉矩控制（被ABB買去專利）。也不知道廣大記者同志們當時有沒有跟上。。。

他將電機與逆變器作為整體考慮，採用電壓空間矢量方法在定子坐標系內進行磁通、轉矩的計算和控制，通過電壓空間矢量PWM逆變器的開關切換實現磁鏈自控制和轉矩自控制，獲得快速的轉矩響應。無需進行定子電流解耦的複雜坐標變換，直接採用電壓矢量控制磁鏈和轉矩，控制系統簡單。

隨話說得好，一山容不得二虎，兩家的矛盾打開始就產生了，你看：

你矢量控制基於轉子磁場定向，那我就基於定子磁場定向；

你矢量控制用坐標變換，那我就不用那些玩意。

你矢量控制用連續PI控制器，那我就用離散滯環控制器；

你矢量控制用。。。。。，那我就用。。。。

從此西門子和ABB在變頻器這塊算是杠上了。

https://zhuanlan.zhihu.com/p/23489149?refer=zhishixuediande

直到今天。。。。。。

總結：

至此，可以說非同步電機的控制大廈基本完成，後來者主要開始著眼於：

以前測速要感測器，現在不要感測器！

以前推導公式用模型，現在不要模型！

以前控制用PID，現在控制神經網路，模糊控制。。。。。等等

歷史浪花一朵朵，而我們的電機控制也走過了從古典控制到現代控制的百年歷程。最後用首歌詞做結尾：

暗淡了刀光劍影；遠去了鼓角錚鳴；眼前飛揚著一個個鮮活的面容；

湮沒了黃塵古道；荒蕪了烽火邊城；歲月啊你帶不走那一串串熟悉的姓名；

歷史的天空閃爍幾顆星；

人間一股英雄氣在馳騁縱橫；《歷史的天空》——毛阿敏

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作者：只是學電的

附：

古典控制：是一種力學系統的控制，主要考慮電動機穩態特性，即起動、調速、制動的控制。由於力學慣性時間常數大於電磁時間常數，從而掩蓋了電磁過渡過程所起的作用。

現代控制：由於電力電子技術的進步而開拓的領域。電力電子器件的發展使得電機電源的控制非常容易，進而促進了電機控制技術的飛速發展。控制不再是單一的調速，其主要被控量是轉矩。系統採用閉環控制之後，被控量有多個，如速度、位置及其他物理量，但最終是控制電機軸上的轉矩。因此不能只考慮動力學系統的響應，而忽視電磁的過渡過程。