变频器高性能无速度传感器矢量控制

    无速度传感器矢量控制变频器的关键技术是在进行矢量控制时，特别是在电机低速运行时，如何获得准确的速度信号。在进行无速度传感器矢量控制时，由于不存在传感器，因此要求电机的控制模型十分精确。由于电机参数在运行过程变化很大，因此，无速度传感器矢量控制变频器的参数自整定能力对于获得准确的电机参数非常重要，也直接决定了变频器矢量控制的性能。    为了提高变频器的控制性能，对电动机实现在更加宽泛的范围内的无速度传感器控制，研究人员提出了一种新型的采用双状态观测器实行电动机高性能控制的方法。这种方法的基本思路是，因为采用磁通观测器进行电动机转速估计时，采用电流／电压等效电路模型与采用磁通等效电路模型具有较大差别，并且具有互补性。因此，可以基于电动机的电流／电压模型和磁通模型，分别构造两个状态观测器（双状态观测器），并根据电动机的转速区域，在两个状态观测器之间进行切换，实现双状态观测器矢量控制，从而达到使变频器的控制精度更高、调速范围更宽的目的。表2-2给出了采用两种模型进行电动机转速估计时的特点对比。而图2-17则给出了具有双状态观测器的高性能无速度传感器矢量控制系统的框图。    表2-2    采用两种模型进行电动机转速推定时的特点对比

    图2-17    含有双状态观测器的无速度传感器矢量控制系统    因为双状态观测器可以准确地对异步电动机二次绕组的磁通矢量进行检测，并基于该磁通矢量对电动机进行电流控制，因此可以实现与直流电动机相同的高精度转矩控制。高性能CPU和电动机控制专用ASIC的使用，使得采用双状态观测器的高性能矢量控制系统的实现成为可能。采用双状态观测器技术的高性能变频器不但可以实现传统的变频器所实现的功能，而且可以在极低速时提升电动机的转矩，改善电动机的速度响应，达到与有速度传感器的变频器系统基本相同的控制性能。    图2-18给出了日本安川电机公司采用了双状态观测器技术的某型号变频器的转矩特性。
    图2-18    采用双状态观测器的变频器的转矩特性    从图2-18可以看出，即使在0.3Hz的极低速情况下，电动机仍然可以得到大于150%的驱动转矩。因此，采用双状态观测器技术可以使变频器的控制性能得到很大提高。与传统V/f控制相比，采用无速度传感器矢量控制方式可以获得较高的起动转矩，改进电动机的低速运行特性和变负载情况下的速度调节能力，在许多场合具有明显优势。随着变频器技术的不断发展，通用变频器也开始使用转矩矢量控制技术。以日本安川电机公司的新型通用变频器G7为例，该产品可以实现无速度传感器V/f控制、带速度传感器V/f控制、普通的无速度传感器电流矢量控制、带速度传感器电流矢量控制、采用双状态观测器的无速度传感器电流矢量控制等多种方式，因而可以很好地满足不同用户的需要。    无速度传感器矢量控制既可以获得接近闭环控制的性能，又因为省去了速度传感器而具有较低的维护成本，近年来已成为交流调速驱动控制研究的热点之一。随着信息技术的发展和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各种复杂计算已成为可能，新的无速度传感器矢量控制变频器产品不断出现，产品的控制特性也不断提高。目前无速度传感器矢量控制变频器产品已在印刷、印染、纺织机械、钢铁生产线、起重、电动汽车等领域中得到广泛应用，在高性能交流驱动中占有愈来愈重要的地位。但是，我们也必须注意到，尽管采用了相当精确的电机模型和复杂的控制算法，但目前最高水平的无速度传感器矢量控制变频器在动静态特性上与安装有速度传感器的矢量控制变频器仍然存在一定差距，这种差距在低速运行区域尤为明显。因为二者的响应速度在有些场合下甚至可以相差10倍以上，因此，在选用变频器时，尤其是在需要进行高性能控制时，必须对无速度传感器矢量控制变频器的动态特性进行认真考察。