產(chǎn)業(yè)界變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向

0 引言

感應(yīng)電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，變頻器市場近兩年取得了超乎尋常的增長速度，而市場遠(yuǎn)未達(dá)到飽和。隨著終端用戶及OEM(原始設(shè)備制造商)廠商對其產(chǎn)品質(zhì)量及制造成本的日益關(guān)注，生產(chǎn)自動(dòng)化過程對變頻驅(qū)動(dòng)的要求也愈來愈高，促使新一代的變頻驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上不斷完善。

越來越多的國外企業(yè)推出了具有高性能矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制的通用變頻器，其中以日本三菱公司的新一代通用變頻器FR-A700 系列為代表，它宣稱是“動(dòng)態(tài)性能的一次革命”。而國內(nèi)變頻器目前狀況是檔次相對較低，市場占有率也較低，急需技術(shù)上的進(jìn)步。要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的目標(biāo)，研發(fā)人員首先必須對國外領(lǐng)導(dǎo)廠商的產(chǎn)品有一個(gè)較為全面的了解。

本文通過對FR-A700的技術(shù)指標(biāo)、性能進(jìn)行分析，指出相對于傳統(tǒng)的通用變頻器，三菱高端變頻器在技術(shù)上的創(chuàng)新點(diǎn)，進(jìn)一步觀察未來變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向，以供國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域人員參考。

本文分三部分展開討論，首先分析了FR-A700 改進(jìn)的電機(jī)參數(shù)預(yù)辨識功能，然后分析了其真正的無速度傳感器矢量控制技術(shù)，最后對它的速度控制部分進(jìn)行了分析，闡述它是如何實(shí)現(xiàn)“動(dòng)態(tài)性能革命”的。

1 純靜止?fàn)顟B(tài)下實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)的預(yù)辨識

變頻器的矢量控制性能在很大程度上依賴于所獲得的感應(yīng)電機(jī)參數(shù)，如電機(jī)的互感、定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻、定子漏感以及轉(zhuǎn)子漏感的準(zhǔn)確程度，因此需要在感應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)前辨識出變頻器矢量控制所需的全部參數(shù)(離線辨識)。一般基于感應(yīng)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路(如圖1 所示)完成。

變頻器的傳統(tǒng)離線辨識方法是基于空載旋轉(zhuǎn)測試或堵轉(zhuǎn)測試進(jìn)行的，而FR-A700 在電機(jī)純靜止時(shí)即可得到控制所需的所有參數(shù)，無需電機(jī)旋轉(zhuǎn)，這是一個(gè)很大的進(jìn)步。FR-A700能夠做到這一點(diǎn)，是與三菱設(shè)計(jì)人員對動(dòng)態(tài)激勵(lì)(如脈沖信號)下感應(yīng)電機(jī)的過渡過程的把握是分不開的。

FR-A700 的參數(shù)離線辨識功能應(yīng)用更為便捷，擺脫了對應(yīng)用場合的限制。

2 真正的無速度傳感器矢量控制技術(shù)

由于無速度傳感器矢量控制(Sensorless Vector Control——— SVC)能夠提供高性價(jià)比的解決方案，已經(jīng)成為通用變頻器的發(fā)展方向。但大部分廠家提供的SVC控制只是針對變壓變頻(VVVF)控制的一種改進(jìn)，比如采用磁通補(bǔ)償、轉(zhuǎn)差補(bǔ)償?shù)姆桨?，但由于整個(gè)設(shè)計(jì)基于感應(yīng)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行，動(dòng)態(tài)特性很差。而客戶期望SVC 與磁場定向控制(Field Oriented Control———FOC)差距逐步減小，能夠滿足高性能應(yīng)用場合的要求，這對產(chǎn)業(yè)界是個(gè)機(jī)遇，同時(shí)也充滿挑戰(zhàn)。

近年來，已有少數(shù)高端變頻器提供具備低速動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制能力的無速度傳感器矢量控制，其中的代表就是FR-A700，三菱號稱該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了真正的無速度傳感器矢量控制技術(shù)。該產(chǎn)品在無速度傳感器條件下規(guī)格為：速度范圍達(dá)1頤200(對應(yīng)0.3 Hz ~60 Hz)，速度響應(yīng)速率達(dá)120 rad/s(約合19 Hz)[1]。

FR-A700之所以具備低速動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的控制能力，和它控制算法的改進(jìn)是分不開的。

圖2 所示是FR-A700 的無速度傳感器矢量控制結(jié)構(gòu)框圖。圖2 中的磁通觀測器(Magnetic Flux Observer)、速度估算(Speed Estimation)是控制算法的核心部分，估算的速度用于速度控制，磁通觀測器的輸出用于磁通控制，同時(shí)提供磁場定向所需的信息。磁通觀測和速度估算是基于實(shí)時(shí)電壓、電流信息和電機(jī)參數(shù)信息完成的，不需要速度傳感器，利用的是感應(yīng)電機(jī)動(dòng)態(tài)模型，磁通控制、速度控制、電流控制部分與帶編碼器時(shí)的磁場定向控制結(jié)構(gòu)類似，這使得FR-A700的無速度傳感器矢量控制相比傳統(tǒng)的SVC 前進(jìn)了一大步。

此外，F(xiàn)R-A700 還可實(shí)施在線的電阻參數(shù)自動(dòng)調(diào)整，使得運(yùn)行不受溫度變化影響，保證始終能夠高精度地獲得轉(zhuǎn)子速度和磁通，對溫度變化的魯棒性也是此款產(chǎn)品的特色之一。

可見，無速度傳感器矢量控制，在提升磁通、轉(zhuǎn)速估算性能的同時(shí)，并提高對溫度變化的魯棒性，這些是未來通用變頻器的發(fā)展趨勢之一。以FRA700為代表的高端無速度傳感器矢量控制變頻器的推出勢必引導(dǎo)更多的廠商在技術(shù)上創(chuàng)新，進(jìn)而開發(fā)出更多類似的高端產(chǎn)品。

3 接近伺服的速度控制性能

目前所有的變頻器生產(chǎn)商基本上都提供矢量控制方式，并出現(xiàn)大量不同層次的控制結(jié)構(gòu)及算法，適應(yīng)不同的市場定位與需求。一般使用編碼器反饋速度時(shí)，采用矢量控制方式可以達(dá)到最佳的性能。

FR-A700如果使用編碼器反饋速度，速度控制性能可達(dá)到1:1 500，精度依0.01%，速度響應(yīng)速率為300 rad/s(在模型自適應(yīng)控制方式下，約合47.7 Hz)[1]，這在業(yè)界是領(lǐng)先的。[!--empirenews.page--]

速度響應(yīng)速率高意味著即使當(dāng)負(fù)載電機(jī)軸端遇到突然變化的負(fù)載，電機(jī)速度也不會(huì)受到太大影響。如圖3 所示。

FR-A700的速度控制部分很有特色，稱之為模型自適應(yīng)控制，如圖4 所示。

由圖4 可見，通過選擇參數(shù)Pr.877 可以選擇速度控制的方式，當(dāng)Pr.877 選擇為0 時(shí)，為經(jīng)典的PI 控制;當(dāng)Pr.877 選擇為1 時(shí)，為速度前饋控制(PI 調(diào)節(jié)+ 轉(zhuǎn)矩前饋);當(dāng)Pr.877 選擇為2 時(shí)，為模型適應(yīng)速度控制。

模型適應(yīng)速度控制是FR-A700的亮點(diǎn)，該模式集PI 調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩前饋和轉(zhuǎn)速命令濾波為一體，可以同時(shí)控制轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程、超調(diào)等指標(biāo)。采用該模式控制速度，一般用戶只需設(shè)置參數(shù)Pr.818 即可，該參數(shù)可以通過應(yīng)用場合選擇，如圖5所示。高精度的工作機(jī)械需要把響應(yīng)性設(shè)得高些，而在搬運(yùn)等對動(dòng)態(tài)性能要求不高的場合，可以把響應(yīng)性設(shè)低。這樣的界面大大方便了用戶的現(xiàn)場調(diào)試，相對傳統(tǒng)變頻器開放的PI 參數(shù)，更容易選擇，使得產(chǎn)品易用性大大提高。

與模型適應(yīng)速度控制相配合的是FR-A700的慣量在線辨識功能，速度控制需要較準(zhǔn)確的系統(tǒng)慣量參數(shù)。圖6 表示在慣量辨識前后的速度跟隨性能對比，在辨識以后，電機(jī)速度的跟隨特性有了明顯的改善。

可見，已經(jīng)有越來越多的伺服控制技術(shù)集成到變頻器中了，如上述的慣量在線辨識功能，這樣變頻器的控制性能也和伺服性能接近了。變頻控制和伺服運(yùn)動(dòng)控制有逐漸融合的趨勢。

4 結(jié)語

本文通過對業(yè)界領(lǐng)先的三菱變頻器FR-A700的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，指出了未來變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向：

1)為了擺脫應(yīng)用場合限制，提供電機(jī)純靜止下的參數(shù)離散辨識;

2)發(fā)展高動(dòng)態(tài)性能、對溫度魯棒的真正的無速度傳感器矢量控制技術(shù);

3)集成伺服特有的技術(shù)，使得變頻器的控制性能和伺服性能逐漸接近。