1 绪论
自从电气化时代开始以来，电动机成为重要的动力来源。起初，直流电机因其控制与调速较交流电机方便，在电动机应用中占十分重要的比例。但是随着电力电子技术，微处理器技术、控制技术以及PWM等技术的出现和发展，交流电机的调速越来越方便。如今高性能的交流电机调速性能可以和直流电机相媲美。另外由于交流电机具有价格较低，维护方便等优点，这使得在工业中交流电机调速系统的应用远远超过了直流电机调速系统的应用。
1.1 交流调速相关技术的发展
经过数十年的发展，目前交流调速电气传动已经成为电气调速传动的主流。交流电机与直流电机相比，特别是鼠笼式异步电动机具有结构简单、坚固耐用、容易维修、转动惯量小、制造成本低、适用于恶劣工作环境、易于向高电压、高速大容量发展等一系列优点。但是交流电机本身是一个非线性、强耦合的多变量系统，电磁转矩很难直接通过外加信号来准确控制。而随着现代交流电机的调速控制理论的发展和电力电子装置功能的完善，特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，交流电机调速取得了突破性的进展，电气传动交流化的时代随之到来。 1. 1. 1交流调速的基本类型
交流电机的调速类型丰富，方便灵活。常见的有:①降压调速;②绕线转子异步电机转子串电阻调速;③电磁转差离合器调速;④绕线转子异步电机串级调速⑤变极调速;⑥变频调速等。
按照交流异步电动机的基本原理，定子侧的传入电磁功率pm可以分为两部分:其一为拖动负载的有效功率p2?(1?s)pm;其二为转差功率ps?spm。后者与转差率s成正比。按照转差功率的变化趋势可以把基本的交流调速方法分为下面三个类型:
(1)转差功率消耗型调速系统:全部转差功率都转变成热能的形式而消耗掉，上述的①、②、③三种调速方法都属于这一类型。它们的系统效率最低，但是结构简单，在要求不高的某些场合有应用。
(2)转差功率回馈型调速系统:转差功率的一部分消耗掉，大部分通过交流装置回馈给电网。上述的方法④就是属于这种类型。这种装置较转差功率消耗型调速系统的能量利
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用率有所提高，但是增加的回馈系统也要消耗一定的能量，其利用率还不够理想。 (3)转差功率不变型调速系统:虽然转差功率中转子的铜损不可避免，但是系统的转差功率在整个调速阶段基本不变，效率最高。上述的⑤、⑥两种调速方式就属于这一类。变极调速受磁极对数的影响，应用不多。故只有变频调速应用最为广泛，以这种调速方法为基础可以构成高性能的交流调速系统，并可以取代直流调速系统，成为现代电气调速系统的主流。
1. 1. 2电力电子技术的发展
电力电子器件是现代交流调速的基础，其发展直接决定和影响着交流调速的发展。在交流电动机的传动控制中，应用最多的功率器件有GTO， GTR, IGBT以及IPM 。1947年美国著名的贝尔实验室发明了半控的电力电子器件一晶闸管，这引发了电力电子技术的一场革命，但是晶闸管的半控性影响了它的进一步应用。
70年代以后，以门极可关断晶闸管(GTO)、电力双极性晶闸管((BJT)和电力场效应晶闸管(Power-MOSFET)为代表的全控型器件迅速发展。这类器件可以实现自由的开通与关断，开关速度得到很大的提高，使电力电子技术进入了一个新的发展阶段。以全控型器件为基础，脉冲宽度调制(PWM)方式迅速发展，PWM技术广泛应用于逆变、斩波、整流、变频及交流电力控制中，这对电力电子技术以及现代交直流调速的发展产生了深刻的影响。
80年代后期以绝缘栅极双极型晶体管((IGBT)为代表的复合型器件异军突起。它把MOSFET的驱动功率小、开关速度高的优点和BJT通态压降低、载流能力大的优点结合于一体。IGBT高频开关特性好，驱动电路简单、保护容易、开关频率高，是目前电机变频控制中应用最为广泛的主流功率器件。 IGBT集射电压Vce小于3V，开关频率可达到20kHz，内含的集射间超高速二极管Trr可达150ns。第四代IGBT的应用使变频器的性能有了更大的提高。IGBT开关器件的发热减少，将占主回路发热的50%~70%的器件发热降低到了30%; 高频波控制使输出电流波形有了明显的改善，减小了电机转矩脉动;由于开关频率的提高，电动机的金属鸣响因振动频率超过了人耳的感受范围而“消失”，即实现了电机运行的静音化;驱动回路简单，驱动功率减少，使得整体装置更加紧凑，休积减小。
随着电力电子技术的发展，大功率半导体器件又向智能化发展，智能功率模块
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IPM(Intelligent Power Module)是微电子技术和电力电子技术相结合的产物。IPM包含了IGBT芯片及外围的驱动和保护电路，有些甚至把光耦也集成于一体，是一种更为经济实用的集成型功率器件。利用IPM的控制功能与微处理器相结合，可方便地构成智能功率控制系统。由于采用了隔离技术，使得器件散热均匀、体积紧凑，不但提高了可靠性，而且使系统的开发时间、开发费用都大大减少。IPM以其可靠性高、用户使用方便等优点赢得越来越大的市场，尤其适合制作驱动电机的变频器，是一种较为理想的电力电子器件。
1.1.3微处理器与数字控制技术的发展
微处理器的发展推动了控制技术的发展，使得现代控制理论中的一些先进的控制策略应用到电机控制中成为可能。
在微处理器出现之前，驱动控制系统只能由模拟系统构成。由模拟器件构的系统只能实现简单的控制，功能单一，升级换代困难，而分立器件构成的系统控制精度不高，温度漂移，器件老化严重，使得维护成本增高，限制了它的发展和应用。 随着微处理器的应用，使得控制系统由模拟式进入模数混合式
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，基础电路甚至电
机控制专用集成电路被大量在电机控制中引用，这些电路大大提高了电机控制器的可靠性、抗干扰能力，又缩短了新产品的开发周期，降低了研制费用，因而近年来发展很快。 目前，适用于电机系统控制的控制器有单片机和数字信号处理器两种。
单片机机片内集成较多的I/O接口，但运算速度较慢，对电机的实时控制性能不够
优越。主要代表为Intel公司早期的微处理器芯片8088,8085,8086和后 来推出的MCS51系列、MCS96系列。如今各大芯片厂商也推出了各自的微控制器，如美国微芯公司Microchip的PIC系列单片机，德州仪器TI的MSP系列单片机等。它们具有丰富的接口和适合电机控制的PWM输出，但是其处理速度无法满足电机控制系统
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更高性能的要求。目前这类调速系统多采用单片机为中心的模拟与数字混合控制方
式。
DSP是于九十年代出现的，面向快速信号处理的运算器。它的运算速度快，如德州仪器生产的C2000系列DSP主频最高可以达到 150MHz。采用DSP构成全数字电机控制系统，可以实现控制功能的软件化，提高控制的实时性，降低系统的成本，并且可以方便的实现更先进的控制策略。本文的电机矢量控制系统正是基于德州仪器(TI)的TMS320F2812这款数字信号处理器实现的。
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如今国内外也有不少学者和工程师把可编程控制器CPLD/FPGA应用到电机控制与调速领域。这主要是看重它们存储量大，处理速度更高的优点，但是这类微处理器的控制功能较弱，I/O操作并不是十分方便，往往需要配合单片机才能更好的实现系统的功能，所以这限制了可编程控制器在电机控制和交直流调速中的应用。 1.1.4 PWM技术及其发展
交流电机调速性能的不断提高在很大程度上是由于PWM技术的不断进步。随着电压型逆变器在高性能电力电子装置(如交流传动、不间断电源和有源滤波器)中的应用越来越广泛，PWM控制技术作为这些系统的核心技术，引起了人们的高度重视，并得到深入的研究。所谓PWM技术就是利用半导体器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，以实现变压变频并有效地控制和消除谐波的一门技术。目前，几乎所有的变频调速装置都采用这一技术。PWM技术用于变频器的控制可以明显改善变频器的输出波形，降低电机的谐波损耗，并减小转矩脉动，同时还简化了逆变器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应性能。
目前，采用高速功率器件的电压型PWM变频器的主导控制技术 ①基于正弦波和三角波脉宽调制的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，或称磁链轨迹跟踪控制。
这四种PWM技术中，前两种是以输出电压接近正弦波为控制目标，第三种是以输出电流接近正弦波为控制目标，第四种是以被控电机的旋转磁场接近圆形为控制目标。 三相SPWM控制方案由于其原理简单，通用性强，控制和调节性能好，是目前国内外的电机控制中应用最广的一种，该方法使得流入电动机的电流谐波较少，电机振动小，其控制变频压缩机的效果较好，相应的硬件和软件技术较成熟，但它仍然存在直流电压利用率低、谐波含量大，转矩脉动较大等缺点。
消除指定次数谐波的HEPWM控制是通过脉冲平均法把逆变器输出的方波电压转换成等效的正弦波以消除某些特定谐波，这样就可以实现某些特定的优化目标，如谐波最小，效率最优等;但是其中求解最优开关角的方程为非线性的，且为超越函数，因此必须采用计算机编写最优的搜索程序，另外，要提高直流电压的利用率，还必须采取相应的优化措施，这又增加了系统的开发复杂度。
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有:
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CHPWM控制方法的优点是控制简单、电流响应快;而其缺点是开关频
率不固定，电流纹波大，低调制比时造成开关频率高，对功率器件不利，而且三相滞环需要相互独立控制，这在三相交流电机控制中显然增加了控制复杂度。此外，在直流电压不够高、反电动势太大(高速调速中)或电流太小时，电流控制效果不理想。
电压空间矢量控制
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(SVPWM控制)从电动机角度出发，以三相对称正弦波电压供
电时交流电动机的理想磁链圆为基准，用逆变器不同的工作模式所产生的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，由追踪的结果决定变频器的开关模式，形成PWM波，这种方法就叫做“磁链轨迹跟踪控制”。由于磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的，因此又叫做“电压空间矢量控制”。空间矢量法是目前国际上比较先进的变频工作模式，由于其供给电动机的是理想磁链圆，因此，电动机工作更平稳，噪音更低，同时也提高了电动机的工作效率，提高了电源电压的利用效率。
1.2变频调速技术的发展
交流变频调速技术相对于变压调速等其它方法有着明显的优点:①调速时平滑性好，效率高;②调速范围较大，精度高;③起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显;④变频器体积小，便于安装、调试、维修简便;⑤易于实现过程自动化等优异特性，在实际中得到了广泛的应用。
20世纪是电力电子变频技术由诞生到发展的一个全盛时期。最初的交流变频调速理论诞生于20世纪20年代，直到60年代，由于电力电子器件的发展，才促进了变频调速技术向实用方向的发展。70年代，席卷工业发达国家的石油危机，促使他们投入大量的人力、物力、财力去研究高效率的变频器，使变频调速技术有了很大的发展并得到推广应用。80年代，变频调速己产品化，性能也不断提高，充分发挥了交流调速的优越性，广泛的应用于工业各部门，并且部分取代了直流调速。进入90年代，由于新型电力电子器件的发展及性能的提高、计算机技术的发展以及先进控制理论和技术的完善和发展等原因，极大地提高了变频调速的技术性能，促进了变频调速技术的发展，使变频调速装置在调速范围、驱动能力、调速精度、动态响应、输出性能、功率因数、运行效率及使用的方便性等方面大大超过了其他常规交流调速方式，其性能指标亦已超过了直流调速系统，达到取代直流调速系统的地步。
目前，交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电效果以及在国民经济各
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