電機在控制系統中的算法和應用

祖全達，吳江壽，水澤楠

（溫州職業技術學院，浙江 溫州 325035）

電機是應用十分廣泛的執行器件，它們遍布于各類產品，從工業領域到農業領域，從航空航天到家用電器，從大型機械到兒童玩具，處處可見電機的身影。電機與人類的生活息息相關，人類文明的進步和工業的發展都離不開電機，電機有大有小，有輕有重，種類繁多，型號復雜，所以研究電機的選型和算法就是十分重要的事情。本文主要研究電機的控制算法和電機在典型控制系統中的應用。電機是一種把電能轉換為機械能的動力裝置，電機的最根本原理是電磁感應定律，電磁感應定律是科學家法拉第首先發現的，世界上第一臺電機的產生距今已有200年左右的歷史，在這200年間，電機取得了飛速發展，從最初的直流電機到交流電機，從動態電機到靜態電機，從動力電機到控制電機，電機的種類越來越多，應用也越來越廣泛。

1 電機的結構

控制電機的結構和普通電機基本一樣，主要由定子、轉子和氣隙三部分組成。一方面，氣隙是最簡單的一部分，它是電機的定子和轉子之間的縫隙，這個縫隙一般零點幾毫米到幾個毫米。氣隙的存在主要是利于轉子的轉動，減少定子和轉子之間的摩擦；另一方面，就是利用空氣產生磁場，這個磁場稱為空氣磁場，空氣磁場和電機的主磁場疊加起來產生電機旋轉需要的磁場。定子的結構主要由定子鐵心、定子繞組和機械支撐組成。定子鐵心的作用是產生磁場，定子繞組的作用是通電加強磁場，機械支撐是固定電機的結構，這三部分構成了電機定子的主要部分，當然，電機的定子部分還有其他的一些小部件，如電刷，當然，無刷電機是沒有電刷的。電機的轉子主要由轉子鐵心、轉子繞組組成，轉子的作用主要是旋轉，通過電機軸輸出機械能，轉子繞組的作用是產生電磁轉矩。

2 電機的控制結構和硬件電路

電機的控制結構有很多，大的上百米，小的可能只有幾個厘米，應用范圍也是十分廣闊。雖然電機的控制系統有這么多種，但是其基本的結構組成確是有規律可循的，電機的控制系統結構主要有三部分組成，控制輸入、控制器、控制輸出，當然，有的系統還有反饋部分，如果算上這部分，就是四分部組成。這就是典型的電機控制系統結構，當然不同的控制系統有的會增加一些模塊還有的會減少一些模塊。電機的控制電路有很多種，最常見的有順序控制電路、時間控制電路、星-三角控制電路、繼電器控制電路等。根據電機的種類不同，所使用的控制電路也不同。對于控制類電機而言，控制的是精度，所以對控制電路的設計要求也就更高。現在電機的驅動電路使用比較多的是MOS管構成的橋電路，有半橋控制電路，也有全橋控制電路。根據電機種類的不同，控制電路還有一些別的電路，比如，對于現在比較流行的無刷電機，無刷電機是沒有電刷和換向器的，對于交流電機來說，如果沒有電刷和換向器，電機就不會朝著一個方向轉動，所以這時候，電機就需要一個整流電路，這個整流電路的作用就是換向，把不同方向的交流電換成一個方向的交流的，這個電路可以用4個或者6個MOS管來實現，單相電是用4個MOS管，三相電是用6個MOS管，我們給4個MOS管取名T1、T2、T3、T4，通過這4個MOS管的不同時間的導通和關閉，可以實現單相電的整流。這樣就完美地替代了有刷電機的電刷，精簡了電機結構。但是，同時增加了整流器，相對來說，增加整流器可以提高電機的可靠性，因為電刷在使用過程中會有磨損。當然有刷電機也有自己的優勢，因為它結構簡單，成本低。實際的工業應用系統中，使用有刷電機還是無刷電機，要根據具體的項目要求來進行選擇。電機的控制電路圖如下面圖1所示。

3 電機的軟件算法

圖1 電機的橋控制電路圖

要想控制好電機，尤其是實現電機的精確控制，現在流行的方法是使用微控制器控制，在設計好硬件電路后，就需要對微控制器進行設計軟件算法，現在的控制方法很多，大多數是使用PID的比例微分積分控制，這種方法設計簡單，控制算法成熟，對于一般的控制場合很實用。但是，要想實現更精確的控制，這種方法就顯得有點力不從心了。本文介紹了兩種具有精確控制的電機算法，一種是滑模變結構方法，一種是蟻群算法。對于滑模變結構控制算法，它是根據控制對象的具體要求首先反推控制路徑，根據控制路徑進行函數的抽象，最終形成分段式函數，這樣在控制系統的不同時間段就會有不同的控制曲線，我們根據不同的控制曲線段分別對不同時段的電機進行控制，這樣就可以對電機實現精確控制。比如，初始階段，由于啟動力矩比較大，我們所需的啟動電壓就比較高，但是啟動電流又不能太大，所以可以讓電機以曲線的形式啟動；在長時間運行階段，負載和電機的力矩基本呈線性關系，這個時間段，就可以用線性算法控制電機的運行；在停機階段，由于電機的慣性很大，所以我們可以采用微分積分控制，既保證了反向力矩的強度，又可以保證停機的速度。把三個時間段的控制算法根據時間分別寫成代碼，燒入微控制器中，就可以實現按照時間精確控制電機的運行。當然滑模變結構算法也不是沒有缺點的，這種算法的缺點就是缺少反饋，一切以已經設計好的算法進行控制，如果出現了偏差，不容易及時矯正，這樣會影響控制精度，不過，這個缺點可以用蟻群算法進行修正。滑模變結構控制框圖如圖2所示。

圖2 電機的滑模變結構控制框圖

蟻群算法是一種仿生學的算法，這種算法是1992年由意大利學者首先提出的，算法的靈感來源于螞蟻覓食。大家都知道，螞蟻是一種簡單的生物，單個螞蟻的行為也比較簡單，但是，一群螞蟻表現出來的行為卻不簡單，尤其是在覓食的過程中，人們發現，螞蟻在尋找食物的過程中，總是能找到一條最優的路徑，這條路徑其實就是問題的最優解。通過研究發現，螞蟻在前行的過程中，會釋放一種信息素，每只螞蟻在行進的過程中，都會釋放自己的信息素，繼續行進的螞蟻就會選擇信息素多的道路前進，這就是一種正反饋，根據這種反饋的不停疊加，經過一定的時間，就能找到最優解。電機的控制可以使用這種算法，在電機的不停的啟動、運行、停止的過程中，將參數進行記錄，電機運行的時間越久，參數就會越精確，從而對電機的控制也會越來越精確。利用蟻群算法控制的電機，具有反饋機制，可以實現很高精度的控制。但是，蟻群算法也有缺點，就是尋找最優解需要一定的時間，電機的前期運行控制不會很好。不過，隨著時間的推移，運行會越來越好。當然電機除了滑模變結構控制算法、蟻群算法，還有很多別的算法，例如，神經網絡算法、模糊算法、遺傳算法等。這些算法各有優劣，我們需要根據不同的控制場合和控制系統的要求，合理選擇算法，這樣就能對電機實現精確的控制，從而滿足控制系統的要求。

4 結語

綜上所述，本文首先介紹了電機的結構組成和各部分功能，然后重點介紹了電機的硬件電路組成和結構，最后介紹了電機的軟件算法，利用這些軟件算法，可以對電機實現高精度控制，保證電機在指標要求很高的系統中達到很高的精度，雖然每種控制算法都有其優缺點，但是，只要我們認真分析工況，用心去設計軟件算法，電機就一定會按照我們的要求運行，最終生產出完美的工業產品。