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高性能的通用变频器
www.dgzdh.com 2004-09-17  拓创自动化


[关键词] 矢量控制系统 直接转矩控制 无速度传感器

摘要: 本文分析了实现高性能通用变频器的两种控制策略,还对矢量控制和直接转矩控制方案作了比较,最后给出实现高性能通用变频器的途径

1 一般通用变频器的局限性

采用一般的通用变频器给异步电动机供电时,可以实现无级平滑调速,起动和停车都很方便。但是,调速时有静差,精度不高,调速范围不过1:10左右,而且也不能像直流调速系统那样提供很高的动态性能。

2 高性能通用变频器的控制策略

要实现高动态性能,必须充分研究电机的物理模型和动态数学模型。现在常用的高性能控制策略有矢量控制和直接转矩控制两种。
矢量控制系统的特点是:采用由转子磁链决定d-轴方向的dq同步旋转坐标系,把异步电机的定子电流分解为其励磁分量和转矩分量,得到类似于直流电机的转矩模型,再采取措施把非线性系统变换成两个独立的转速和转子磁链的子系统,从而模仿直流电机分别用PI调节器进行控制。选用高精度的光电码盘转速传感器时,矢量控制系统的调速范围可达1:1000,动态性能也很好。但按转子磁链定向会受电机参数变化的影响而失真,从而降低了系统的调速性能,采用智能化调节器可以克服这一缺点,提高系统的鲁棒性。
直接转矩控制系统舍去比较复杂的旋转坐标变换,仅在两相静止坐标系上构成转矩和定子磁链的反馈信号,并用双位式砰-砰控制代替线性调节器来控制转矩和定子磁链,根据二者的变化选择电压空间矢量的PWM(SVPWM)开关状态,以控制电机的转速。这种系统控制结构简单,转矩响应快,又避免了转子参数变化的影响。但砰-砰控制会使输出转矩产生脉动,影响系统的低速性能。
从理论基础上看,矢量控制系统和直接转矩控制系统都是基于异步电动机动态数学模型进行控制的。在两相坐标系上的异步电动机具有4阶电压方程和1阶运动方程,其状态方程应该是5阶的,须选取5个状态变量。在系统的动态模型中,输入变量是Usd,Usq,ω1,TL,对于笼型转子电机,转子内部是短路的,Urd=Urq=0,因此,可供选用的状态变量共有9个,即转速ω、4个电流变量isd,isq,ird,irq和4个磁链变量ψsd, ψsq, ψrd, ψrq。转子电流ird和irq是不可测的,不宜用作状态变量,只能选定子电流isd, isq和转子磁链ψrd ,ψrq,或者选定子电流,isd, isq和定子磁链,也就是说,可以有ω-ψr-is状态方程和ω-ψs-is状态方程两种。矢量控制选用了ω-ψr-is方程,而直接转矩控制选用的是ω-ψs-is方程。
从总体控制结构上看,两者都采用转矩和磁链分别控制,转矩控制环(或电流的转矩分量环)都处于转速环的内环,可以抑制磁链变化对转速子系统的影响,从而使转速和磁链子系统实现了近似的解耦。因此两种系统都能获得较高的静、动态性能。
但是,由于具体控制方案的区别,两者在控制性能上却各有千秋。矢量控制系统采用转子磁链定向,因而实现了定子电流转矩分量与磁链分量的解耦,可以按线性系统理论分别设计转速与磁链调节器(一般采用PI调节器),实行连续控制,从而获得较宽的调速范围;但按ψr定向受电动机转子参数变化的影响,降低了控制系统的鲁棒性。直接转矩控制系统则实行Te和ψs砰-砰控制,避开了旋转坐标变换,简化了控制结构;控制定子磁链而不是转子磁链,不受转子参数变化的影响;砰-砰控制本身属于P控制,可以获得比PI调节器更快的动态响应(由于没有电流内环,须注意限制最大冲击电流);但不可避免地产生转矩脉动,而且带积分环节的磁链电压模型在低速时准确度较差,这都使系统的低速性能受到限制。

3 矢量控制和直接转矩控制的应用和发展

矢量控制系统和直接转矩控制系统都是高性能的交流调速系统,都已获得广泛的实际应用,由于它们各自的特色,在应用领域上又各有侧重。矢量控制除用于一般调速外,更适用于宽范围调速系统和伺服系统,而直接转矩控制则更适用于需要快速转矩响应的大惯量运动控制系统(如电气机车)。鉴于两种控制策略都还有一些不足之处,两种系统的研究和开发工作都在朝着克服其缺点的方向发展。
对矢量控制系统的进一步研究工作主要是提高其控制的鲁棒性问题。长期以来,人们很自然地想到采用自适应控制来解决转子参数变化对按转子磁链定向准确度的影响,但研究成果很少得到实际应用,较多使用的是对转子电阻变化的温度补偿。现代智能控制方法可使被控系统不依赖于或较少依赖于控制对象的数学模型,因而能使矢量控制系统不受或少受电机参数变化的影响,比较方便的办法是采用单神经元构成的自适应PID控制器。
对直接转矩控制系统的研究工作集中在提高其低速性能上。上世纪90年代初,德国鲁尔大学EAEE研究室在Depenbrock教授和Steimel教授的领导下提出了作为直接转矩控制系统改进方案的间接自控制ISR(德文Indirekt Selbstregelung)系统。其中,将砰-砰控制器改为连续的调节器,用PI调节器对定子磁链幅值进行闭环控制,以建立圆形的定子磁链轨迹,又根据电磁转矩的偏差推算出磁链矢量增量所对应的角度Δθ,最后按照磁链、转矩两个调节器的输出推算出定子电压矢量,求得相应的变频器开关状态。可以看出,ISR系统实际上是直接转矩控制系统和矢量控制系统的融合与折中。除此以外,还有许多在直接转矩控制的砰-砰控制器基础上提出的改进方案,例如,对磁链偏差和转矩偏差的细化,对电压空间矢量的无差拍调制,对开关状态的预测控制、智能控制,单独对转矩或磁链进行预测跟踪控制等等。
对控制策略的任何改进都需要增加控制软件的负担,因此都需要提高硬件的能力。现在高性能的变频器往往都采用高档的单片机或数字信号处理器DSP。

4 无速度传感器控制

无论是矢量控制系统,还是直接转矩控制系统,都需要转速闭环控制,所需的转速反馈信号来自与电机同轴的速度传感器,对于高性能系统一般都用光电码盘,其成本、安装、可靠性都有问题。如果能取消光电码盘而保持良好的控制性能,显然会大受欢迎,这就是无速度传感器的高性能调速系统。作为高性能的通用变频器都希望采用无速度传感器控制。
这时,可以通过容易测量的定子电压和电流信号间接求得转速。常用的方法有:
(1) 利用电机模型推导出转速方程式,从而计算转速;
(2) 利用电机模型计算转差频率,进行补偿;
(3) 根据模型参考自适应控制理论,选择合适的参考模型和可调整模型,同时辨识转速和转子磁链;
(4) 利用其它辨识或估计方法求得转速;
(5) 利用电机的齿谐波电势计算转速;等等。
但是,无论哪一种方法,计算或辨识精度都有限,动态转速的准确度更有限,因此目前实用的无速度传感器调速系统只能实现一般的动态性能,其高精度调速范围达到10就算不错的了。目前,已有若干品种的无速度传感器高性能通用变频器问世,但研究工作仍在继续。

参考文献
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原作者:陈伯时
来 源:陈伯时
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