矢量控制

• ·矢量控制的原理
• ·矢量控制四个知识

• ·变频控制方式: V/F 与 矢量...
• ·矢量控制与直接转矩控制技术
• ·矢量控制其一---等效电路
• ·矢量控制其二---磁链方程
• ·矢量控制的用途和优点

• ·通用变频器矢量控制的基本原理
• ·永磁同步电动机矢量控制
• ·变频矢量控制在数控车床主...
• ·无速度传感器矢量控制技术...

矢量控制的原理

矢量控制四个知识

    矢量控制方法的提出具有划时代的意义.然而在实际应用中,由于转子磁链难以准确观测,系统特性受电动机参数的影响较大,且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果.

变频控制方式: V/F 与 矢量、DTC

    低压通用变频输出电压为380～650V,输出功率为0.75～400kW,工作频率为0～400Hz,它的主电路都采用交直交电路.其控制方式经历了以下四代.

    1./f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式

    其特点是控制电路结构简单、成本较低,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用.但是,这种控制方式在低频时,由于输出电压较低,转矩受定子电阻压降的影响比较显著,使输出最大转矩减小.另外,其机械特性终究没有直流电动机硬,动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意,且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化,转矩响应慢、电机转矩利用率不高,低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降,稳定性变差等.因此人们又研究出矢量控制变频调速.

    2 电压空间矢量(SVPWM)控制方式

    它是以三相波形整体生成效果为前提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,一次生成三相调制波形,以内切多边形逼近圆的方式进行控制的.经实践使用后又有所改进,即引入频率补偿,能消除速度控制的误差;通过反馈估算磁链幅值,消除低速时定子电阻的影响;将输出电压、电流闭环,以提高动态的精度和稳定度.但控制电路环节较多,且没有引入转矩的调节,所以系统性能没有得到根本改善.

    3 矢量控制(VC)方式

    矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相-二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流;It1相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制.其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度,磁场两个分量进行独立控制.通过控制转子磁链,然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交或解耦控制.矢量控制方法的提出具有划时代的意义.然而在实际应用中,由于转子磁链难以准确观测,系统特性受电动机参数的影响较大,且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果.

    4 直接转矩控制(DTC)方式

    1985年,德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术.该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足,并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展.目前,该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上.

    直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩.它不需要将交流电动机等效为直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算;它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型.

    5 矩阵式交-交控制方式

    VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交-直-交变频中的一种.其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大,直流电路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行.为此,矩阵式交-交变频应运而生.由于矩阵式交-交变频省去了中间直流环节,从而省去了体积大、价格贵的电解电容.它能实现功率因数为l,输入电流为正弦且能四象限运行,系统的功率密度大.该技术目前虽尚未成熟,但仍吸引着众多的学者深入研究.其实质不是间接的控制电流、磁链等量,而是把转矩直接作为被控制量来实现的.具体方法是:

    --控制定子磁链引入定子磁链观测器,实现无速度传感器方式;

    --自动识别(ID)依靠精确的电机数学模型,对电机参数自动识别;

    --算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制;

    --实现BandBand控制按磁链和转矩的Band-Band控制产生PWM信号,对逆变器开关状态进行控制.

    矩阵式交交变频具有快速的转矩响应(2ms),很高的速度精度(±2%,无PG反馈),高转矩精度(+3%);同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度,尤其在低速时(包括0速度时),可输出150%～200%转矩.

矢量控制与直接转矩控制技术

    矢量控制与直接转矩控制技术 矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量,根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制,从而达到控制异步电动机转矩的目的.具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制,并同时控制两分量间的幅值和相位,即控制定子电流矢量,所以称这种控制方式称为矢量控制方式.矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等.

    基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行U / f =恒定控制的基础上,通过检测异步电动机的实际速度n,并得到对应的控制频率f,然后根据希望得到的转矩,分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位,对通用变频器的输出频率f进行控制的.基于转差频率控制的矢量控制方式的最大特点是,可以消除动态过程中转矩电流的波动,从而提高了通用变频器的动态性能.早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式.

    无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的.实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置,要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的,但人们发现,即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置,也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量,并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方式.它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数,按照转矩计算公式分别对作为基本控制量的励磁电流(或者磁通)和转矩电流进行检测,并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流(或者磁通)和转矩电流的指令值和检测值达到一致,并输出转矩,从而实现矢量控制. 采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配,而且可以控制异步电动机产生的转矩.由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数,有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数,有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器,并需使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制,否则难以达到理想的控制效果.目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能,带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识,并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数,从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制.除了上述的无传感器矢量控制和转矩矢量控制等,可提高异步电动机转矩控制性能的技术外,目前的新技术还包括异步电动机控制常数的调节及与机械系统匹配的适应性控制等,以提高异步电动机应用性能的技术.为了防止异步电动机转速偏差以及在低速区域获得较理想的平滑转速,应用大规模集成电路并采用专用数字式自动电压调整(AVR)控制技术的控制方式,已实用化并取得良好的效果.直接转矩控制也称之为"直接自控制",这种"直接自控制"的思想是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制.和矢量控制不同,直接转矩控制不采用解耦的方式,从而在算法上不存在旋转坐标变换,简单地通过检测电机定子电压和电流,借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩,并根据与给定值比较所得差值,实现磁链和转矩的直接控制.直接转矩控制技术,是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法,直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型,计算与控制异步电动机的磁链和转矩,采用离散的两点式调节器(Band-Band控制),把转矩检测值与转矩给定值作比较,使转矩波动限制在一定的容差范围内,容差的大小由频率调节器来控制,并产生PWM脉宽调制信号,直接对逆变器的开关状态进行控制,以获得高动态性能的转矩输出.它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化,而是取决于转矩的实际状况,它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化,即不需要模仿直流电动机的控制,由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型,没有通常的PWM脉宽调制信号发生器,所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调,是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式.与矢量控制方式比较,直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链,它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念.只要知道定子电阻就可以把它观测出来.而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链,观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感.因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题.直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果.与矢量控制方法不同,它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩,而是把转矩直接作为被控量,对转矩的直接控制或直接控制转矩,既直接又简化.

矢量控制其一---等效电路

    等效电路就是通过适当的方法改进出简单的串联,并联的电路,大致上分为三种:

    1)交流等效电路

    这一等效电路只画出原电路中与交流信号相关的电路,省去了直流电路,这在分析交流电路时要用到.画交流等效电路时,要将原电路中的耦合电容看成通路,将线圈看成开路.

    2)直流等效电路

    这一等效电路只画出原电路中与直流相关的电路,省去了交流电路,这在分析直流电路时才用到.画直流等效电路时,要将原电路中的电容看成开路,而将线圈看成通路.

    3)元器件等效电路

矢量控制其二---磁链方程

矢量控制的用途和优点

通用变频器矢量控制的基本原理

    矢量控制的基本原理是什么?矢量控制的方式有哪几种?通过搜集网上资料和查阅一些相关的书籍,我对矢量控制的基本原理以及其控制方式有了一定了解,下面是我查阅相关资料获得的信息.

    矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量,根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制,从而达到控制异步电动机转矩的目的.具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制,并同时控制两分量间的幅值和相位,即控制定子电流矢量,所以称这种控制方式称为矢量控制方式.矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等.

    基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行U / f =恒定控制的基础上,通过检测异步电动机的实际速度n,并得到对应的控制频率f,然后根据希望得到的转矩,分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位,对通用变频器的输出频率f进行控制的.基于转差频率控制的矢量控制方式的最大特点是,可以消除动态过程中转矩电流的波动,从而提高了通用

    变频器的动态性能.早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式.

    无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的.实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置,要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的,但人们发现,即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置,也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量,并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方式.它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数,按照一定的关系式分别对作为基本控制量的励磁电流(或者磁通)和转矩电流进行检测,并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流(或者磁通)和转矩电流的指令值和检测值达到一致,并输出转矩,从而实现矢量控制.

    采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配,而且可以控制异步电动机产生的转矩.由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数,有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数,有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器,并需使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制,否则难以达到理想的控制效果.目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动辨识、自适应功能,带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识,并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数,从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制.除了上述的无传感器矢量控制和转矩矢量控制等,可提高异步电动机转矩控制性能的技术外,目前的新技术还包括异步电动机控制常数的调节及与机械系统匹配的适应性控制等,以提高异步电动机应用性能的技术.为了防止异步电动机转速偏差以及在低速区域获得较理想的平滑转速,应用大规模集成电路并采用专用数字式自动电压调整(AVR)控制技术的控制方式,已实用化并取得良好的效果.

永磁同步电动机矢量控制

    随着高性能永磁材料、电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的发展,永磁同步电机(PMSM)的应用领域不断扩大,在数控机床,机器人等高精度控制领域得到广泛应用.由于对电机控制性能的要求越来越高,永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制,永磁同步电机矢量控制系统的研究已成为中小容量交流伺服系统研究的重点之一,如何建立有效的仿真模型越来受到人们的关注.本文在分析永磁同步电机数学模型的基础上,用MATLAB语言中的Simulink和POWER System B1ock模块建立了控制系统的仿真模型,对得出的仿真结果进行了分析.

    1 永磁同步电机数学模型

    永磁同步电机的数学模型基于以下假设:

    (1)忽略饱和、涡流、磁滞效应的影响;

    (2)电机的电流为对称的三相正弦波电流:

    (3)永磁体磁动势叵定,即等效的励磁电流恒定不变;

    (4)三相定子绕组在空间呈对称星形分布,定子各绕组的电枢电阻电枢电感相等;

    永磁同步电动机是交流同步调速系统的主要环节,分析其数学模型对把握其调速特性尤为重要.取转子永磁体基波励磁磁场轴线为d轴,q轴顺着旋转方向超前d轴90度电角度,dq轴系随同转子以角速度ωr一道旋转,它的空间坐标以d轴与参考轴α间的电角度θr来表示,则理想永磁同步电机在dq旋转坐标系中的数学模型可以写成如下形式:

    根据数学模型用Simulink建立了永磁同步电机的模块如图2.1所示:

        2 永磁同步电机交流伺服系统控制原理

    由上式可以看出,永磁同步电机的电磁转矩基本上取决于定子电流在q轴上的分量.由于永磁同步电机的转子磁链恒定不变,所以普遍采用按转子磁链定向的矢量控制,控制的实质就是通过对定子电流的控制来实现交流永磁同步电动机的转矩控制.转速在基速以下时,在定子电流给定的情况下,控制id=0可以更有效的产生转矩,这时电磁转矩Tem=Pniqψr,可见电磁转矩就随着iq的变化而变化,这种控制方法最为简单.然而转速在基速以上时,因为永久磁铁的励磁磁链为常数,电机感应电动势随着电机转速成正比例的增加.电动机感应电压也跟着提高,但是又要受到与电机端相连的逆变器的电压上限的限制.

    在实际控制中,系统检测到的是流入电机的三相定子电流,所以必须进行坐标变换,把三相定予坐标上的电流分量经park,clarke变换成转子坐标系上的电流分量.要实现定子坐标系到转子坐标系的变换必须在控制中实时检测电机转子的位置,常用的转子位置检测传感器有增量式光电编码器,绝对式光电编码器和旋转变压器.位置信号指令与检测到的转子位置相比较,经过位置控制器的调整,输出速度指令信号,速度指令信号与检测到的转子速度信号相比较,经速度调节器的调节,输出控制转矩的电流分量i*q,电流分量给定信号与经过坐标变换的电机实际电流分量比较,通过电流控制器计算,其输出量经反park变换用于计算产生PWM驱动IGBT,产生可变频率和幅值的三相正弦电流输入电机定子,驱动电机工作.

    3 系统仿真

    图4.1三相永磁同步电机矢量控制仿真框图基于转子磁场定向的三相PMSM矢量控制系统仿真框图如图4.1所示.图中PI模块为速度环PI控制器,根据电机实际速度及给定速度来确定电流转矩分量;PWM模块采用电流滞环控制(如图4.2),使电机实际电流跟随给定电流变化,具体实现如图4.3;模块dq2abc实现2r/3s变换,具体实现如图4.4,其中函数模块Fcn、Fcnl和Fcn2一起实现2r/3s变换;MMD模块为电机测量模块,它实时测量电机的速度、电流、转子位置等信号:PMSM模块为MATLAB提供了永磁同步电机模型,它的具体实现如图2.1.

    4 仿真图形及结果分析

    仿真中用到的电机参数如下:定子电阻为2.875Ω,定子直轴电感和交轴电感都为8.5e一3H,永磁磁极与定子绕组交链的磁链为0.175Wb,转动惯量0.8e一3kgm2,极对数6,给定转速为ωr=500rpm,在t=0.03s时,负载转矩由ON·m突变为6N·m,见图(5.1).

    由上述仿真结果可知,普通三相永磁同步电机采用基于转子磁场定向的矢量控制方案,且速度外环采用PI控制时,速度响应过程中有一定超调见图(5.2).当突加负载时,速度立即下降,然后逐渐恢复稳定见图(5.3):若在速度外环采用PID控制,即在速度外环加一个小的微分环节D并适当降低比例放大系数P,可有效降低超调量,并且缩短电机启动和突加负载时电机到达稳态的时间.交轴实际电流始终跟踪交轴给定电流见图(5.5),且启动过程中和突加负载时,两者变化幅度较大,而稳定时两者都基本恒定,稳态时电磁力矩恒定见图(5.4),以便平衡外加负载;速度稳定时三相定子电流为规整的正弦电流,且相位依次相差约120°.

变频矢量控制在数控车床主轴中的应用

    数控车床是机电一体化的典型产品,是集机床、机、电机及其拖动、自动控制、检测等技术为一身的自动化设备.其中主轴运动是数控车床的一个重要,以完成切削任务,其动力约占整台车床的动力的70%～80%.基本控制是主轴的正、反转和停止,可自动换档和无级调速.

    在数控车床中,主轴控制装置通常是采用交流变频器来控制交流主轴电动机.为满足数控车床对主轴驱动的要求,必须有以下性能:(1)宽调速范围,且速度稳定性能要高;(2)在断续负载下,电机的转速波动要小;(3)加减速时间短;(4)过载能力强;(5)噪声低、震动小、寿命长.

    本文介绍了采用数控车床的主轴驱动中变频控制的系统结构与运行模式,并阐述了无速度传感器的矢量变频器的基本.

    2  数控车床主轴变频的系统结构与运行模式

    2.1 主轴变频控制的基本原理

    由异步电机可知,主轴电机的转速公式为:

    n=(60f/p)×(1-s)

    其中P-电动机的极对数,s-转差率,f-供电电源的频率,n-电动机的转速.从上式可看出,电机转速与频率近似成正比,改变频率即可以平滑地调节电机转速,而对于变频器而言,其频率的调节范围是很宽的,可在0～400Hz(甚至更高频率)之间任意调节,因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节.

    当然,转速提高后,还应考虑到对其轴承及绕组的,防止电机过分磨损及过热,一般可以通过设定最高频率来进行限定.

    图1 变频器在数控床上的应用

    图1所示为变频器在数控车床的应用,其中变频器与数控装置的联系通常包括:(1)数控装置到变频器的正反转信号;(2)数控装置到变频器的速度或频率信号;(3)变频器到数控装置的故障等状态信号.因此所有关于对变频器的操作和反馈均可在数控面板进行编程和显示.

    2.2 主轴变频控制的系统构成

    不使用变频器进行变速传动的数控车床一般用时间控制器确认电机转速到达指令速度开始进刀,而使用变频器后,机床可按指令信号进刀,这样一来就提高了效率.如果被加工件如图2(1)所示所示形状,则由图2(1)中看出,对应于工件的AB段,主轴速度维持在1000rpm,对应于BC段,电机拖动主轴成恒线速度移动,但转速却是联系变化的,从而实现高精度切削.

    图2 主轴变频器系统构成示意

    在本系统中,速度信号的传递是通过数控装置到变频器的模拟给定通道(电压或电流),通过变频器内部关于输入信号与设定频率的输入输出特性曲线的设置,数控装置就可以方便而自由地控制主轴的速度.该特性曲线必须涵盖电压/电流信号、正/反作用、单/双极性的不同配置,以满足数控车床快速正反转、自由调速、变速切削的要求.

    3  无速度传感器的矢量控制变频器

    3.1 主轴变频器的基本选型

    目前较为简单的一类变频器是V/F控制(简称标量控制),它就是一种电压发生模式装置,对调频过程中的电压进行给定变化模式调节,常见的有线性V/F控制(用于恒转矩)和平方V/F控制(用于风机水泵变转矩).

    标量控制的弱点在于低频转矩不够(需要转矩提升)、速度稳定性不好(调速范围1:10),因此在车床主轴变频使用过程中被逐步淘汰,而矢量控制的变频器正逐步进行推广.

    所谓矢量控制,最通俗的讲,为使鼠笼式异步机像直流电机那样具有优秀的运行性能及很高的控制性能,通过控制变频器输出电流的大小、频率及其相位,用以维持电机内部的磁通为设定值,产生所需要的转矩.

    矢量控制相对于标量控制而言,其优点有:(1)控制特性非常优良,可以直流电机的电枢电流加励磁电流调节相媲美;(2)能适应要求高速响应的场合;(3)调速范围大(1:100);(4)可进行转矩控制.

    当然相对于标量控制而言,矢量控制的结构复杂、计算烦琐,而且必须存贮和频繁地使用电动机的参数.矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式,区别在于后者具有更高的速度控制精度(万分之五),而前者为千分之五,但是在数控车床中无速度传感器的矢量变频器的控制性能已经符合控制要求,所以这里推荐并介绍无速度传感器的矢量变频器.

    3.2 无速度传感器的矢量变频器

    无速度传感器的矢量变频器包括西门子、艾默生、东芝、日立、LG、森兰等厂家都有成熟的产品推出,各自产品的特点,它们都具有以下特点:(1)电机参数自动辩识和手动输入相结合;(2)过载能力强,如50%额定输出电流2min、180%额定输出电流10s;(3)低频高输出转矩,如150%额定转矩/1HZ;(4)各种保护齐全(通俗地讲,就是不容易炸模块).

    无速度传感器的矢量控制变频器不仅改善了转矩控制的特性,而且改善了针对各种负载变化产生的不特定环境下的速度可控性.图3所示,为某品牌无速度传感器变频器产品在低频和正常频段时的转矩测试数据(电机为5.5kW/4极).从图中可知,其在低速范围时同样可以产生强大的转矩.在实验中,我们同样将2Hz的矢量变频控制和V/F控制变频进行比较发现,前者具有更强的输出力矩,切削力几乎与正常频段(如30Hz或50Hz)相同.

    图3 无传感器矢量变频器的转矩特性

    3.3 矢量控制中的电机参数辨识

    由于矢量控制是着眼于转子磁通来控制电机的定子电流,因此在其内部的算法中大量涉及到电机参数.从图4的异步电动机的T型等效电路表示中可以看出,电机除了常规的参数如电机极数、额定功率、额定电流外,还有R1(定子电阻)、X11(定子漏感抗)、R2(转子电阻)、X21(转子漏感抗)、Xm(互感抗)和I0(空载电流).

    参数辨识中分电机静止辨识和旋转辨识2种,其中在静止辨识中,变频器能自动测量并顶子和转子电阻以及相对于基本频率的漏感抗,并同时将测量的参数写入;在旋转辨识中,变频器自动测量电机的互感抗和空载电流.

    图4 异步电动机稳定态等效电路

    在参数辨识中,必须注意:(1)若旋转辨识中出现过流或过压故障,可适当增减加减速时间;(2)旋转辨识只能在空载中进行;(3)如辨识前必须首先正确输入电机铭牌的参数.

    3.4 数控车床主轴变频矢量控制的功能设置

    从图1中可以看出,使用在主轴中变频器的功能设置分以下几部分:

    (1) 矢量控制方式的设定和电机参数;

    (2) 开关量数字输入和输出;

    (3) 模拟量输入特性曲线;

    (4) SR速度闭环参数设定.

    4  结束语

    对于数控车床的主轴电机,使用了无速度传感器的变频调速器的矢量控制后,具有以下显著优点:大幅度降低维护费用,甚至是免维护的;可实现高效率的切割和较高的加工精度;实现低速和高速情况下强劲的力矩输出.

无速度传感器矢量控制技术的行业现状与展望

    交流传动在高性能场合的应用始于矢量控制概念的引入,包括直接磁场定向与间接磁场定向控制.尽管这一概念早在60年代就已出现,并由SIEMENS 的Blaschke博士于1972年正式提出,但是真正应用还是在微电子技术发展的二十年后.矢量控制从基本原理上讲能够获得优异的动静态特性,但是对电机参数的敏感性却成为实际应用中必须解决的问题.驱动器通过启动前的自整定以及运行过程中的在线整定,适应电机参数变化,保持矢量控制的动静态性能,这些复杂的自适应控制算法都必须通过强大的信号处理器才能完成.

    近年来随着半导体技术的发展及数字控制的普及,矢量控制的应用已经从高性能领域扩展至通用驱动及专用驱动场合,乃至家用电器.交流驱动器已在工业机器人、自动化出版设备、加工工具、传输设备、电梯、压缩机、轧钢、风机泵类、电动汽车、起重设备及其它领域中得到广泛应用.随着半导体技术的飞速发展,功率器件在不断优化,开关速度在提高而损耗在下降,功率模块的功率密度在不断增加;数字信号处理器的处理能力愈加强大,处理速度不断提升,交流驱动器完全有能力处理复杂的任务,实现复杂的观测、控制算法,现代交流传动的性能也因此达到前所未有的高度.以代表交流驱动控制最高水平的交流伺服为例,其需求随着新的生产技术与新型加工原料的出现而迅速增长.据相关统计,高性能交流伺服驱动器数量的年增长率超过12%.伺服驱动中应用最多的电机是异步电机及同步电机,额定功率从50W到200kW,位置环、速度环以及转矩环路的典型带宽分别为60Hz、200Hz以及1000Hz.

    交流电机驱动中的大部分问题应当说在当今的驱动器中已经得到解决,相关的成熟技术提供了被业界广泛接受的解决方案,并在许多领域中得到成功应用,因此从基本结构上来讲,交流驱动器的现有设计方案在未来的几年中不会有大的变化.现在,交流驱动器开发的一个重点是如何将驱动器与电机有机地结合在一起,开发出更低成本、高可靠性、高性能"驱动模块".基于这一思路,为进一步减小成本、提高可靠性,开发人员在如何省去轴侧传感器以及电机相电流传感器进行了深入的研究,特别是高性能无速度传感器矢量控制(SVC)的实现吸引了各国研发人员的广泛关注,并已成为近年来驱动控制研究的热点.随着具有强大处理能力的数字信号处理器的推出,实现该控制方式所需要的高鲁棒性、自适应的参数估计以及非线性状态观测成为可能,新的无速度传感控制方案不断推出.SIEMENS、Yaskawa、TOSHIBA GE、ROCKWELL、Mistubishi、Fuji等知名公司纷纷推出自己的SVC控制产品(本文所指SVC均针对异步电机),控制特性也在不断提高.SVC目前已在印刷、印染、纺机、钢铁生产线、起重、电动汽车等领域中广泛应用,在高性能交流驱动中占有愈来愈重要的地位.

    无速度传感器矢量控制的优势

    概括来说,无速度传感器矢量控制可以获得接近闭环控制的性能,同时省去了速度传感器,具有较低的维护成本.与传统V/Hz控制比较,无速度传感器矢量控制可以获得改进的低速运行特性,变负载下的速度调节能力亦得到改善,同时还可获得高的起动转矩,这在高摩擦与惯性负载的起动中有明显的优势.正是由于这些驱动特性,该控制技术已逐渐成为通用恒转矩驱动应用的选择.事实上,基本上所有的AC驱动厂家都提供该控制模式.

    Schneider公司的驱动市场经理Susan Bowler认为,该控制模式的吸引人之处在于利用最小的附加费用获得大大增强的性能,包括低速特性、转矩响应及定位能力等.由于其性能接近伺服驱动,公司在拓展需要更精确负载定位控制的场合.该公司的第三代Altivar无速度传感器驱动产品具有自调谐特性,确保驱动器在电机运行参数随时间发生变化的情况下仍然能够持续优化电机运行特性,控制算法在设定速度上计算优化的电机电压以获得最大的转矩输出.电机的模型已经考虑了热效应的影响.

    SIEMENS交流驱动产品经理Kirkpatrick的观点是,目前大多数的AC驱动产品默认都是SVC控制.闭环磁通矢量控制(FVC)只是在一些需要更严格速度控制及零速转矩控制的场合应用.由于FVC成本较高,码盘、电缆及其安装接线等涉及问题较复杂,其销量不大.

    无速度传感器矢量控制的现状

    无速度传感器控制这种感应电机的高级驱动方式填补了高性能闭环控制与简单开环控制之间的空档,其价格与所提供的驱动性能相称.尽管省略了闭环控制中使用的速度传感器,SVC仍然需要采用电压、电流传感器对电机进行控制,在高速运算处理器的平台上通过使用复杂的电机模型与高强度的数学运算,对传感器输入信号进行处理获得电机控制所需的磁通与转矩分量,再通过自适应的磁场向量方法实现解耦控制,以获得良好的动态响应.

    应当说,该控制方式目前没有标准的解决方案,在过去的十几年里研究人员发表了不少论文,提出了许多不同的思路,而事实上许多公司在其通用变频器中亦采用了各自不同的无速度传感器控制方案,其驱动性能不尽相同,这与方案的内核是基于V/Hz或者磁场定向有关.大多数的无速度传感器交流驱动都属于无速度传感器矢量类型,而直接转矩控制(DTC)则属于另外一种.ROCKWELL的Kerkman认为,高性能的无速度传感器控制源于闭环磁场定向磁通矢量控制,其控制基于转子磁通矢量;而相对性能较低的方案则基于定子磁通矢量和一些简单的控制算法.SV控制技术中滑差频率的准确估测是困难所在,计算该频率所需的量对SVC来讲都是基本的控制量,因此它涉及到多方面的问题.SIEMENS标准传动R&D的Eckardt则认为,在高速电机磁场可以直接根据电机反电势计算获得,在低速(特别是零频附近),定子磁通的计算较为困难;而在零频,理论上定子磁通是不可观测的.

    在Mitsubishi公司,高级磁通矢量控制代表了最新的无速度传感器控制技术.该技术对公司之前于1993年开发的技术进行了进一步的优化,旨在提高低速无速度传感器运行时的输出转矩与运行稳定性.该公司交流驱动市场部经理 Kantarek认为,SVC控制的优良特性可以应用到绝大多数恒转矩运行场合,特别是那些需要高起动转矩及低速平滑运行的场合,而且SVC驱动器目前已经发展到可以替代DC驱动.根据Kantarek的介绍,Mitsubishi 的SVC控制首先采用了电机内部特征模型,之后通过自整定每几个毫秒采样一次电机模型,驱动器将输出电流分解为激磁与转矩电流.通过相应的电压补偿保证电机定子磁通在一个稳定值上,并进一步计算转差频率.

    直接转矩控制(DTC)为另外一种当今引起广泛关注的无速度传感器控制解决方案, ABB公司于1995年推出了其直接转矩控制产品ACS600,目前升级至ACS800.DTC采用了单独的环路对电机的速度及转矩进行控制.ABB交流驱动R&D经理Gokhale解释说,"DTC自开发之初就是一种无传感器控制的结构,它从本质上说是一种转矩控制方案,而不是矢量控制."DTC除去了典型矢量控制中的电流调节器或电压指令生成环节.代之的是两个滞环控制环节,每25μs分别对磁通及转矩进行估计与控制.在该控制结构中, 低速磁通辨识的积分漂移以及定子电阻变化的影响直接限制了驱动器的最低工作范围.由于系统没有中间转矩电流、磁通电流控制环节, DTC缺乏直接电流控制.总体来讲, DTC直接控制转矩, 间接控制电流.

    正是由于以上一些特点,一些研究人员将DTC称为本质上的"高级标量控制".限于篇幅,本文将不再展开,以下将只针对SVC进行相关阐述.

    SVC控制的关键在于正确的转速估计与解耦控制,但这两者之间又存在相互耦合的关系.转速估计的精度不仅决定于测量的定子电压与电流,同时与电机参数密切相关.在数字化电机控制系统中,转速估计的精度又与采样频率以及反馈信号的分辨率有关,而转速估计的精确程度不仅影响到速度控制的准确度, 也会影响到速度环路补偿器的设计.这些问题环环相扣, 稍有失误甚至会影响到系统的稳定性.

    SVC技术要实用化,必须解决几个基本问题:磁通辨识、速度估计以及参数适应性.过去十几年里,研究人员开发出了多种磁通辨识与转速估计方法.应用较为广泛的磁通辨识模型包括:开环电压模型、闭环复合模型以及自适应磁通观测模型.开环电压模型在低速存在积分漂移,对参数较为敏感,通过引入低通环节或多重级连低通环节解决积分漂移引起的发散问题,但是会引入幅值与相位失真,因此高性能的无速度传感器控制必须引入适当的补偿方法;闭环复合模型通过计算电压模型与电流模型间的估计误差完成高低速两种模型的平滑切换,在实际设计时通常需要选择合适的增益;自适应磁通观测模型通过自适应环节消除参数变化对磁通观测的影响,可应用于直接转子磁场定向控制.速度估计的方法有的是根据电机端电压及电流来估计转速,有的则是利用观测器来估计转速.转速估计的基本思路在于利用定子电压、电流与频率来计算转子的速度,这些方法基本上可分为:

    (1) 以滑差频率为基础的转速估计方法;

    (2) 以磁场定向为基础的转速估计方法;

    (3) 以自适应控制为基础的转速估计方法;

    (4) 以观察器为基础的转速估计方法.

    其中以磁场定向为基础的转速估计法由于其快速性与较高的准确度,已成为行业设计的主流.

    无论是磁通辨识还是速度估计,对参数的依赖性都较强,也正是因为如此SVC与采用速度或位置传感器的闭环磁通矢量控制(FVC)相比,对电机参数的变化更为敏感,在速度调节与转矩响应等动态指标上要落后于FVC控制.目前业界对SVC参数整定的设计包括初始整定与在线整定两种.在初始整定中,一些厂家只需输入电机铭牌参数,另外一些厂家则需要进入单独的静止、旋转参数辨识(离线辨识).例如,GE Fuji生产的AF-300 G11动态转矩矢量控制驱动器中提供离线与在线整定两种方式.该产品有一个子程序跟踪电机运行状态,观测由于温度或负载变化引起的参数变化.通过在电机运行过程中不断刷新电机参数,并利用其独特的数学模型调节电压及电流,达到优化电机低速运行性能的目的.

    在线整定的典型方法包括:EKF、MRAC以及直接求解电机DQ模型方程式等方法.众所周知,转子时间常数在磁场定向中扮演重要角色,在无速度传感器控制中,如何独立辨识转子速度与转子时间常数十分重要.一种办法是通过注入高次谐波来实现,但需要注意引起的转速、转矩波动,这是由于为了进行有效地辨识,谐波幅度相对需要较大;另外有的研究人员提出使用电机转子槽谐波独立辨识转速.有关参数自适应这方面的研究仍在深入,如何提高SVC系统的适应性、鲁棒性无疑是一个重要的研究课题.

    总的来看,由于不需要速度传感器,SVC的电机控制模型要十分精确.从运算量来讲,SVC控制比FVC更为复杂,这也使得无速度传感器控制的难度要明显高于闭环控制.由于电机参数在运行过程变化很大,因此SVC驱动器的自整定能力对于获得准确的电机参数尤为重要,这也直接决定了矢量控制的性能.事实上,如何适应电机运行条件的变化,保持模型的精确性是避免高转矩波动的关键;而模型的自适应能力也是电机接近零速运行时最为重要的因素,因为此时的电机参考模型误差已经大大增加.由于采用了增强型的电机模型, 可适应电机运行条件变化,GE TOSHIBA报道称,其产品在一定转差及负载条件下,原来7%的转矩脉动现在已削减至不到2%;转矩调节精度在1~2%范围内,而速度稳定精则在额定速的0.1%范围内.

    尽管采用了自适应的精确电机模型,目前的最高水平的SVC控制在动静态特性上与FVC仍然存在一定差距,这在低速运行区域尤为明显.SVC低速能力的极限同样与负载惯性及变化情况等因素有关;就转矩控制而言,在1Hz运行相对容易一些,0.5Hz附近有可能,视具体应用场合,但是远低于这一速度的转矩控制对SV来将是较困难的了.如果要想在零速附近(通常指低于基速的5%)获得满转矩与非常精确的转矩控制,或者是达到额定速度0.01%的稳速精度,码盘反馈是必须的.在选择SVC驱动器时必须考察其动态响应,而且SVC与FVC的响应速度最大可以相差15倍,这些必须在高性能应用场合时加以仔细考虑.