电机控制的学习经验

已经读了三年研究生，如果算上之前本科为了参加比赛而学习的电机控制，应该学电机控制接近五年了。这几年下来感觉学的还是很充实的，今天谈谈电机控制的学习经验。

电机控制可研究的地方

许多人所说，电机控制已经十分成熟了。常规的控制算法如直接转矩控制、矢量控制，无位置传感器运行、弱磁运行等，在学术界已经有大量的相关论文发表出来，在工业实践中已经有许多成熟技术得到应用。看上去，电机的控制可研究的内容已经很少了。但是，我觉得这并不是电机控制研究的终点，前面那些电机控制的理论和技术，都是为了解决实际的控制问题而诞生的，因此，只要实际生活中电机还在使用，那么总归能够找到需要的解决电机控制问题，也就有值得研究的地方。这是我在一次学术会议上看到的介绍，里面的研究问题值得我们去思考。

以下是一篇文章介绍的

据统计，全球大约50%的电能都是被电机/马达消耗的，而数量巨大的家用电器及工业设备占比很大，如家电类的冰箱、空调、洗衣机、风扇、水泵等都需要电机提供动力，而工业设备中大量的步进马达，如打印机、复印机、雕刻机、纺织机等。如今，90%已经安装的电机无论需要与否，都连续不断地全速运作，有些电机驱动效率低下，发热严重，而有些使用机械系统调节输出，就像我们开车时。时而油门时而刹车调整车速一样，非常浪费。
单纯从民用角度讲，高效电机的发展趋势是发展智能马达，提高效率并减少不必要的输出。现代的家用电器，在满足使用需求的基础上，已经在非常努力地提高电机的效率，但是同样面临多重工况下无法兼顾效率的问题，同样需要智能电机驱动技术。工业设备的智能电机驱动的推广，同样能大幅度提高电机的使用效率。
从地球保护和资源可持续发展的观点来看，近年来家电产品都要求高效和节能化。白色家电中的空调及冰箱、洗衣机等为了使电机能高效节能、低振动及低噪音运行，很多应用了正弦波技术、矢量控制。矢量控制目前已经在国内家电厂家进行普及，今后应该会继续进行在家电行业内扩大。本文基于东芝的TMPM370进行说明[1]。
对于大多数家用电器制造商，提高电器效率和降低可闻噪声是最优先考虑的事项。通常，政府通过严格的法规来推动对效率的要求。然后，有一些消费者会愿意引领潮流，以相对较高的价格购买“更绿色”的电器。这驱使电器制造商研究相应的解决方案，解决效率和可闻噪声方面的问题，同时让增加的整体系统成本保持最低。例如，电器制造商希望设计出可以快速响应速度变化（包括洗涤和甩干两个过程）的洗衣机。一些高级电机控制技术，如磁场定向控制（FOC），也称为矢量控制，有助于设计出更加安静节能的洗衣机。
根据电力研究协会(EPRI)的研究，机械传动类应用，包括电机驱动、消费娄白色家电和工业用机器的能耗占全球电力消耗总量的50％以上，因此这一领域成为新的低能耗设计的首要目标[2]。
[1] 刘全德. 面向家用电器产品电机驱动用的控制芯片[J]. 机电工程技术, 2016, 45(z1): 162-167.
[2] Scott R. 高性价比电机驱动器的能耗解决方案[J]. 今日电子, 2007, (9): 61-62.

像我研究过的洗衣机电机控制中，无位置传感器控制、参数辨识这些确实是可以研究的地方，但是根据诸自强老师的介绍，可以研究的远不止这些，无位置的带载起动、负载平衡这些都是可以研究的点。要知道，电机的机械特性的表现，也是受到电机控制器影响的。

从 1858 年汉密尔顿·史密斯发明第一台手摇洗衣机开始，洗衣机的动力和内部洗涤结构不断发展演进，逐步形成了滚筒式、波轮式和搅拌式等产品，并一直流传至今。其中，来自社会需求（能效、法规、标准）和市场需求（消费、健康、便利）的两方面因素，推动洗衣机技术不断发展。
滚筒洗衣机的内桶是依靠外桶上的两个深沟球轴承支撑,在电机的带动下,完成旋转动作。在洗涤阶段,内桶以很低的转速转动,桶内负载从低处被带到高处,以一定角度抛出形成摔打,使负载上附着的污渍与负载分离;在脱水阶段,内桶高速旋转,桶内负载在离心力的作用下与水分剥离。轴承作为传动的核心部件,在整个洗衣过程中一直处于旋转状态。本文将通过相关部件受力分析,计算轴承的使用寿命,为轴承选型提供依据[3]。
[3] 化范猛. 滚筒洗衣机轴承寿命计算与选型校核[J]. 家电科技, 2019, (03): 46-47+105.

然后像变频空调这些，以前的老空调噪声很大，一般是因为采用了120度方波驱动控制导致的，方波驱动会带来转矩和高频运行噪音问题，但是是成本低。而正弦波驱动180度控制可以减小噪声，而且全频段(7DB)弱磁控制，缺点是成本高。不过随着目前的stm32这类单片机的普及，成本问题已经不高了。

学习规划

像电机控制的学习，针对不同阶段，可以考虑不同的学习方案。

本科学习

对于本科时期的学生，这一块可以先定性认识，借助于各种芯片厂商的软硬件方案，熟悉这一块的控制。本科时期，我接触的是stm32、dsp，当时有老师提供的电机控制学习套件，我主要学习的是调控制器参数，对着ST、TI官方提供的代码看看矢量控制这些概念是如何编程实现的。这一块的学习门槛也相对较低，相关硬件很容易买到，而且价格不是很贵。此外，我觉得还可以接触一下仿真软件，如Matlab、PLECS等，这些软件能够仿真控制算法。

研究生学习

到了研究生时期，前期积累的编程经验已经足够自己编写想要的程序，因此，这一时期主要是学习各种控制算法。矢量控制这一框架下，要考虑很多细节问题，比如原来用来控制速度与电流的pi控制器，可以考虑是不是换成滑模控制器来代替，又或者考虑下模型预测控制。每种算法的优劣，这时候可以先通过理论分析预期得到，仿真工具和电机实验只是用来验证你的想法是否正确。
目前哈工大被禁用Matlab的问题可能会引起担忧，其实Matlab禁用这种问题就基本不用担心，因为它只是你验证算法的工具，仿真验证没有了，你还可以实验验证，对于我们电机控制，核心在于你的算法上，不是在于这些仿真工具上。也许有人想要利用Matlab工具箱内的现成算法来构建电脑端的程序，其实很多算法可以去开源平台上寻找，不必局限于Matlab。当然，算法没有验证前，直接进行实验可能有一定的危险，不过目前半实物仿真，如RTlab、Starsim等也挺流行的，可以用半实物来先进行算法的初步验证，而且半实物验证的准确度也比Matlab的高多了。