電動機控制漫談

一位哲人曾經說過：知識如果不系統，那和段子有什麼區別？

電動汽車現在如火如荼，我們都知道電動機性能彪悍。但電動機到底是怎麼控制的呢？可能很多朋友並不了解，我寫這篇文章就帶你從古到今了解電動機的控制方式，讓大家了解電動機控制的思路和辦法，為了方便大家理解，我盡量不引入任何公式。

既然是從古到今，那麼大家就不能著急，因為在人類剛剛使用電動機作為動力的時候，的確是有很多看似愚蠢但是沒有辦法的事情。

一說到電動機，大家肯定都知道直流電動機和交流電動機，所以，文章也要分成兩個大部分，一個是直流電動機的控制，另外一個是交流電動機的控制。

直流電動機

直流電動機的原理大家都知道，不過是通電導體在磁場中受力，為了讓導體轉起來，需要不斷的改變電流方向，因為如果不改變電流方向，導體只能轉半圈，所以，對於直流電動機來講，換向器是極為重要的。

成也換向器，敗也換向器。

因為有換向器，在結構確定的情況下，直流電動機轉子的受力就是由電流和磁場強度決定的。磁場強度與勵磁有關，勵磁可以單獨控制，所以直流電動機的轉矩就直接與電流相關了。

電動機控制控的是什麼？轉多快和有多大勁。

轉多快是怎麼來的？就是有多大勁！所以歸根結底是電動機有多大勁，也就是轉矩。

所以，調速調的是啥？轉矩。

OK了，直流電動機轉矩直接與勵磁和電流相關，我們都知道歐姆定律，電流與電壓和電阻相關，所以對於直流電動機而言，調節電壓、串接電阻、改變勵磁都可以調速，且轉矩和電壓電流勵磁都是線性關係。

所以，直流電動機的調速太簡單了。

這幾種調速方式都可以讓直流電動機轉矩發生變化從而轉速發生變化，但是也各有特色。

• 調節電壓的方式最為簡單，調速範圍也大，用的最多，但是需要有調節直流電壓的裝置。
• 調節勵磁也可以平滑調速，但是範圍不大，一般配合調壓調速進行小範圍的弱磁升速。
• 串接電阻呢，一般就是加入和切除電阻，調速範圍也不小，但是一般是有級的調速。

綜上，直流電動機調速，以調節電壓最為方便。

前面說過，調節電壓需要有改變直流電壓的設備，但是我們都知道，交流電可以直接用變壓器，直流點調壓可沒有那麼簡單。

於是，20世紀60年代以前，有一種調速方式應用廣泛，那就是用發電機組給直流電動機供電，也就是用交流電動機帶動直流發電機發電，然後讓發出來的直流點再去帶動直流電動機，再有一台發電機用於給直流電動機勵磁，你沒看錯，為了讓一台直流電動機正常拖動負載，需要至少兩台與之容量相當的電機驅動和發電，還要一台用於勵磁，設備多，體積大，成本高，效率低，這就是所謂的G－M系統。你還別覺得搞笑，20世紀60年代以前，這種系統真的廣泛使用。

1957年，晶閘管問世，到20世紀60年代，成套的晶閘管整流裝置也很快面世，這貨可以把交流電整成直流電。終於，晶閘管取代了G－M系統，使電動機的控制進入了新的時期，也就是晶閘管－電動機調速系統，簡稱V－M系統。V－M系統通過控制晶閘管的開通時機來獲得不同電壓的直流電，直接驅動直流電動機，看上去很美，但是晶閘管這東西，其實就是巨大的二極體，只有單嚮導電，不能反著流，但是電動機有時候在制動的時候需要發電回饋能量啊，完了，這事V－M系統必須增加另一套變流裝置回饋能量，變流裝置直接增加一倍；除此之外，早期晶閘管對過電壓、過電流和電壓電流的尖峰都十分敏感，一不小心就燒壞；另外，頻繁打開晶閘管會導致電力系統諧波和無功功率，特別是在電動機低速運行時候，系統諧波電流很大，無功功率很高，從而污染電網。

隨著電力電子技術和器件的發展，PWM技術成熟了，PWM其實就是通過高速的開關來實現直流的調壓，一個周期內，開的時間長，平均電壓就高，關的時間長，平均電壓就低，調起來很方便，只要開關速度夠快，電網的諧波就少，且電流更為連續。這貨與電動機一見面，就大有取代V－M系統之勢，這就是直流PWM調速。

直流PWM系統，配合閉環控制，可以獲得非常不錯的調速性能，且結構比較簡單，對電網污染小，用起來非常方便。看上去直流調速系統已經修鍊成仙了，20世紀上半葉，高性能的可調速拖動都是直流電動機，但是換向器這個東西陰魂不散。

有換向器就有電刷，電刷和換向器是直接接觸的，長期磨損，同時在換向的時候有巨大的電流變化，非常容易產生火花，然後電刷和換向器就在火花中倍受煎熬，煎的輕點還可以，重了就完蛋了。所以，換向器和電刷限制了直流電動機的容量和速度，使得直流電動機的調速遇到了瓶頸。

什麼？無刷直流？你別急，聽我慢慢講。

直流不行，交流來湊。

交流電動機

說交流電動機就不能不提交流發電機。

目前我們使用的電能絕大部分是交流電，而發電機幾乎都是交流發電機，發電機和電動機本質上其實是一個東西，因為電場和磁場本來就有相互作用，變化的電場產生磁場，變化的磁場產生電場，描述此關係的就是麥克斯韋方程組。

所以，對於交流發電機來講，導體在磁場旋轉（或者說磁場在導體中旋轉），獲得交流電，而如果把交流電通入線圈，獲得的就是一個旋轉的磁場。

有了這個旋轉磁場，接下來就有意思了。

假如我在這個旋轉磁場中放入一個閉合導體，那麼此導體就因為切割磁感線會產生電流，而有了電流，此導體就會在旋轉磁場中受力運動，楞次定律說的就是這回事。

如果此閉合導體可以自由運動，那麼他就會跟著此旋轉磁場運動，根據楞次定律很容易理解，閉合導體雖然跟著磁場旋轉，但是總歸不如磁場旋轉的快。如果不理解楞次定律的話，可以這麼理解：如果兩者轉的速度一樣快了，那麼此閉合導體就不會切割磁感線了，也就沒有電流了，沒有電流就無法受力旋轉了。所以，要想受力，就必須轉的比磁場慢那麼一點點。

就這慢的一點點，說明轉的速度比磁場慢，也就是和磁場不同步，不同步就是非同步了，沒錯，這就是非同步電動機的基本原理。

如果旋轉磁場中放置一塊永磁體或者電磁鐵，那情況就不一樣了。磁體或者電磁鐵會跟著旋轉磁場運動，如果自由運動的話，那麼磁體或者電磁鐵會與旋轉磁場相同的速度旋轉，也就是同步旋轉。沒錯，這就是交流同步電動機。

兩種電動機原理類似，但是能量傳遞是不一樣的，所以其數學模型和控制方式也有差別，必須分開來講。

交流非同步機

交流非同步電動機就是我們平時所說的感應電機。其中有一種比較常用的電動機，轉子為籠型結構，俗稱鼠籠電動機。它們的結構都非常簡單，沒有換向組件和電刷，因此成本低廉，皮實耐操，穩定可靠，不需要特殊維護，應用十分廣泛。

但是非同步電動機雖然結構簡單，控制起來卻很麻煩：定子中的功率由一部分被用來勵磁，還被饋送到轉子，一部分用來做功產生轉矩，也就是說電流中用來勵磁的部分也用來產生轉矩的部分無法直接區分開來，所以非同步電動機無法像直流電動機一樣直接控制電壓或者電流來控制轉矩。

當然，非同步電動機轉起來之後，旋轉磁場的速度是由交流電的頻率的決定的，定子與轉子的轉速差，也就是非同步的異，我們稱為轉差，則與電壓、電流和電阻有關係，並且這些關係互相關聯，所以控制起來非常複雜。

根據上面的說法，其實非同步電動機控制交流電頻率、電壓、或者轉子的電阻、電機的磁極分布都可以調速，但是控制轉子電阻和磁極分布要麼與電機結構有關，要麼無法實現無極調速。實現無極調速用調節頻率和電壓的方法可以實現，且與電機結構無關。下文重點介紹這兩種調速方式。

• 調壓調速：對非同步電動機來講，調節電壓可以調節轉速，但改變的只有轉差率，所以調速範圍不大。在對電動機結構進行優化，增大轉子的電阻值後，調壓調速的調速範圍變大，但是仍然不夠大，一般只能用在調速要求不高的場合，應用並不廣泛。
• 變頻調速：說到變頻，大家可能都聽說過。變頻調速的全稱是變壓變頻調速（VVVF），也就是在改變頻率的時候改變電壓，這樣非同步電動機的調速範圍就足夠大了。

變頻調速的重點就是變頻器，有了變頻器，非同步電動機就可以獲得需要的頻率和電壓，從而實現大範圍的調速，特斯拉採用交流感應電機使用的就是這種調速方式。

隨著電力電子技術的發展，變頻技術越來越成熟，變頻器可以分為兩個大類：交交變頻和交直交變頻。

• 交交變頻將交流電直接通過電力電子器件變換為另一個頻率的交流電，最高輸出頻率不能超過輸入頻率的一半，所以一般只用在低轉速、大容量的系統中，可以省去龐大的齒輪減速箱。
• 交直交變頻器將交流電先整流變成直流，再通過逆變器變成可控頻率和電壓的交流，配合PWM技術，這種變頻器可以實現大範圍的變壓變頻。

近些年晶元技術的迅速發展，產生強大的數字信號處理器（DSP），非同步電動機的數學模型雖然複雜，但是有了強大的計算能力，依然可以通過計算將電流中的勵磁分量和轉矩分量計算出來並分別控制，配合功能完善的變壓變頻器，誕生了SVPWM和DTC等高精度控制方式，使非同步電動機的調速性能越來越強大，以至於完全可以與直流電動機媲美調速性能。

所以，對於電動汽車來講，非同步電動機皮實耐用，過載能力強，控制演算法又如此成熟，完全可以拿來用。

交流同步機

交流同步機的原理前面說過了，它沒有轉差率，在結構確定的情況下，控制電壓不能改變轉速，所以在變頻器出現之前，同步電動機是完全不能調速的。變頻器的出現讓交流同步電動機也有了巨大的調速範圍，因其轉子也有獨立勵磁（永磁體或者電勵磁），其調速範圍要比非同步電動機更寬，同步電動機煥發了新的生機。

就頻率控制方法而言，同步電動機變壓變頻調速系統可以分為他控變頻調速和自控變頻調速。

• 他控變頻調速：變頻調速系統是獨立於電動機的，也就是電動機本身沒有轉子位置檢測裝置。
• 自控變頻調速：電動機本身自帶轉子位置檢測器等轉子位置信號獲取裝置，使用此裝置的轉子位置信號來控制變壓變頻調速裝置的換相時刻。

對於他控變頻調速，朋友們應該也看出來了，和非同步電動機的變頻調速類似，也可以根據其數學模型採用SVPWM等控制方式來實現控制，其性能還要優於普通交流非同步電動機。

如果你很敏感，你會對自控變頻調速更感興趣。

自控變頻同步電動機在發展過程中曾經有多種名字，比如無換向器電機；當採用永磁體且輸入三相正弦波時，可以稱為永磁同步電動機；而如果輸入方波，那麼就可以稱為梯形波永磁同步電動機，沒錯，這就是大家經常BB的無刷直流機（BLDM）。

有人把無刷直流電動機自控變頻調速系統簡稱為「直流變頻」，實際上是很荒謬的，因為直流電根本就沒有頻率一說。然而，很遺憾，這種叫法目前幾乎廣泛流傳。

對於無刷直流電機，調速的時候表面上只控制了輸入電壓，但電機的自控變頻調速系統自動根據變壓控制了頻率，用起來和直流電機幾乎一樣，非常方便。如果採用勵磁繞組，勵磁可以單獨控制，還可以增大調速範圍；如果採用永磁體，那麼勵磁控制起來就比較麻煩，且還有退磁問題，無法使調速範圍媲美勵磁繞組的無刷直流電機。然而，有了永磁體加持，特別是採用了稀土金屬永磁，如釹鐵硼、釤鈷等磁體的，其磁性強大，不需要專門的勵磁繞組，在同等容量的情況下，電機體積更小，重量更輕，效率更高，結構更緊湊，運行更可靠，動態性能更好，在電動汽車的驅動等方面都獲得了廣泛的應用。

特斯拉在Model3上採用的就是這種電動機。

差不多了，雖然這篇文章里略過了繞線式電機、步進電機、開關磁阻電機等類型的電機，雙饋調速、轉差離合器調速、串級調速等調速方式，但是對常見的直流和交流電動機類型、特點、調速方式進行了梳理，相信通過此篇文章，大家會對電動機的控制有一個大的框架形式的理解，這樣我的目的也就達到了。

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對了，文章的第一句話，是我說的。

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