無速度傳感器矢量控制技術(shù)的行業(yè)現(xiàn)狀與展望
| 1 引言 交流傳動在高性能場合的應(yīng)用始于矢量控制概念的引入，包括直接磁場定向與間接磁場定向控制。盡管這一概念早在60年代就已出現(xiàn)，并由Siemens 的Blaschke博士于1972年正式提出[1]，但是真正應(yīng)用還是在微電子技術(shù)發(fā)展的二十年后。矢量控制從基本原理上講能夠獲得優(yōu)異的動靜態(tài)特性，但是對電機(jī)參數(shù)的敏感性卻成為實際應(yīng)用中必須解決的問題。驅(qū)動器通過啟動前的自整定以及運行過程中的在線整定，適應(yīng)電機(jī)參數(shù)變化，保持矢量控制的動靜態(tài)性能，這些復(fù)雜的自適應(yīng)控制算法都必須通過強(qiáng)大的信號處理器才能完成。 近年來隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展及數(shù)字控制的普及，矢量控制的應(yīng)用已經(jīng)從高性能領(lǐng)域擴(kuò)展至通用驅(qū)動及專用驅(qū)動場合，乃至家用電器。交流驅(qū)動器已在工業(yè)機(jī)器人、自動化出版設(shè)備、加工工具、傳輸設(shè)備、電梯、壓縮機(jī)、軋鋼、風(fēng)機(jī)泵類、電動汽車、起重設(shè)備及其它領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，功率器件在不斷優(yōu)化，開關(guān)速度在提高而損耗在下降，功率模塊的功率密度在不斷增加;數(shù)字信號處理器的處理能力愈加強(qiáng)大，處理速度不斷提升，交流驅(qū)動器完全有能力處理復(fù)雜的任務(wù)，實現(xiàn)復(fù)雜的觀測、控制算法，現(xiàn)代交流傳動的性能也因此達(dá)到前所未有的高度。以代表交流驅(qū)動控制最高水平的交流伺服為例，其需求隨著新的生產(chǎn)技術(shù)與新型加工原料的出現(xiàn)而迅速增長。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，高性能交流伺服驅(qū)動器數(shù)量的年增長率超過12%。伺服驅(qū)動中應(yīng)用最多的電機(jī)是異步電機(jī)及同步電機(jī)，額定功率從50W到200kW，位置環(huán)、速度環(huán)以及轉(zhuǎn)矩環(huán)路的典型帶寬分別為60Hz、200Hz以及1000Hz。 交流電機(jī)驅(qū)動中的大部分問題應(yīng)當(dāng)說在當(dāng)今的驅(qū)動器中已經(jīng)得到解決，相關(guān)的成熟技術(shù)提供了被業(yè)界廣泛接受的解決方案，并在許多領(lǐng)域中得到成功應(yīng)用，因此從基本結(jié)構(gòu)上來講，交流驅(qū)動器的現(xiàn)有設(shè)計方案在未來的幾年中不會有大的變化。現(xiàn)在，交流驅(qū)動器開發(fā)的一個重點是如何將驅(qū)動器與電機(jī)有機(jī)地結(jié)合在一起，開發(fā)出更低成本、高可靠性、高性能“驅(qū)動模塊”?；谶@一思路，為進(jìn)一步減小成本、提高可靠性，開發(fā)人員在如何省去軸側(cè)傳感器以及電機(jī)相電流傳感器進(jìn)行了深入的研究，特別是高性能無速度傳感器矢量控制（SVC）的實現(xiàn)吸引了各國研發(fā)人員的廣泛關(guān)注，并已成為近年來驅(qū)動控制研究的熱點。隨著具有強(qiáng)大處理能力的數(shù)字信號處理器的推出，實現(xiàn)該控制方式所需要的高魯棒性、自適應(yīng)的參數(shù)估計以及非線性狀態(tài)觀測成為可能，新的無速度傳感控制方案不斷推出。Siemens、Yaskawa、Toshiba GE、Rockwell、Mistubishi、Fuji等知名公司紛紛推出自己的SVC控制產(chǎn)品（本文所指SVC均針對異步電機(jī)），控制特性也在不斷提高。SVC目前已在印刷、印染、紡機(jī)、鋼鐵生產(chǎn)線、起重、電動汽車等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，在高性能交流驅(qū)動中占有愈來愈重要的地位。 2 無速度傳感器矢量控制的優(yōu)勢 概括來說，無速度傳感器矢量控制可以獲得接近閉環(huán)控制的性能，同時省去了速度傳感器，具有較低的維護(hù)成本。與傳統(tǒng)V/Hz控制比較，無速度傳感器矢量控制可以獲得改進(jìn)的低速運行特性，變負(fù)載下的速度調(diào)節(jié)能力亦得到改善，同時還可獲得高的起動轉(zhuǎn)矩，這在高摩擦與慣性負(fù)載的起動中有明顯的優(yōu)勢。正是由于這些驅(qū)動特性，該控制技術(shù)已逐漸成為通用恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動應(yīng)用的選擇。事實上，基本上所有的AC驅(qū)動廠家都提供該控制模式。 Schneider公司的驅(qū)動市場經(jīng)理Susan Bowler認(rèn)為，該控制模式的吸引人之處在于利用最小的附加費用獲得大大增強(qiáng)的性能，包括低速特性、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)及定位能力等。由于其性能接近伺服驅(qū)動，公司在拓展需要更精確負(fù)載定位控制的場合。該公司的第三代Altivar無速度傳感器驅(qū)動產(chǎn)品具有自調(diào)諧特性，確保驅(qū)動器在電機(jī)運行參數(shù)隨時間發(fā)生變化的情況下仍然能夠持續(xù)優(yōu)化電機(jī)運行特性，控制算法在設(shè)定速度上計算優(yōu)化的電機(jī)電壓以獲得******的轉(zhuǎn)矩輸出。電機(jī)的模型已經(jīng)考慮了熱效應(yīng)的影響。 Siemens交流驅(qū)動產(chǎn)品經(jīng)理Kirkpatrick的觀點是，目前大多數(shù)的AC驅(qū)動產(chǎn)品默認(rèn)都是SVC控制。閉環(huán)磁通矢量控制（FVC）只是在一些需要更嚴(yán)格速度控制及零速轉(zhuǎn)矩控制的場合應(yīng)用。由于FVC成本較高，碼盤、電纜及其安裝接線等涉及問題較復(fù)雜，其銷量不大。 3 無速度傳感器矢量控制的現(xiàn)狀 無速度傳感器控制這種感應(yīng)電機(jī)的高級驅(qū)動方式填補了高性能閉環(huán)控制與簡單開環(huán)控制之間的空檔，其價格與所提供的驅(qū)動性能相稱。盡管省略了閉環(huán)控制中使用的速度傳感器，SVC仍然需要采用電壓、電流傳感器對電機(jī)進(jìn)行控制，在高速運算處理器的平臺上通過使用復(fù)雜的電機(jī)模型與高強(qiáng)度的數(shù)學(xué)運算，對傳感器輸入信號進(jìn)行處理獲得電機(jī)控制所需的磁通與轉(zhuǎn)矩分量，再通過自適應(yīng)的磁場向量方法實現(xiàn)解耦控制，以獲得良好的動態(tài)響應(yīng)。 應(yīng)當(dāng)說，該控制方式目前沒有標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，在過去的十幾年里研究人員發(fā)表了不少論文[1]-[16]，提出了許多不同的思路，而事實上許多公司在其通用變頻器中亦采用了各自不同的無速度傳感器控制方案，其驅(qū)動性能不盡相同，這與方案的內(nèi)核是基于V/Hz或者磁場定向有關(guān)。大多數(shù)的無速度傳感器交流驅(qū)動都屬于無速度傳感器矢量類型，而直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）則屬于另外一種。Rockwell的Kerkman認(rèn)為，高性能的無速度傳感器控制源于閉環(huán)磁場定向磁通矢量控制，其控制基于轉(zhuǎn)子磁通矢量;而相對性能較低的方案則基于定子磁通矢量和一些簡單的控制算法。SV控制技術(shù)中滑差頻率的準(zhǔn)確估測是困難所在，計算該頻率所需的量對SVC來講都是基本的控制量，因此它涉及到多方面的問題。Siemens標(biāo)準(zhǔn)傳動R&D的Eckardt則認(rèn)為，在高速電機(jī)磁場可以直接根據(jù)電機(jī)反電勢計算獲得，在低速（特別是零頻附近），定子磁通的計算較為困難;而在零頻，理論上定子磁通是不可觀測的。圖1示出了Rockwell的FORCE系列產(chǎn)品控制框圖。該產(chǎn)品使用了一種簡化的電壓模型，該模型依賴的參數(shù)對電機(jī)運行溫升變化不敏感。 在Mitsubishi公司，高級磁通矢量控制代表了最新的無速度傳感器控制技術(shù)。該技術(shù)對公司之前于1993年開發(fā)的技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，旨在提高低速無速度傳感器運行時的輸出轉(zhuǎn)矩與運行穩(wěn)定性。該公司交流驅(qū)動市場部經(jīng)理 Kantarek認(rèn)為，SVC控制的優(yōu)良特性可以應(yīng)用到絕大多數(shù)恒轉(zhuǎn)矩運行場合，特別是那些需要高起動轉(zhuǎn)矩及低速平滑運行的場合，而且SVC驅(qū)動器目前已經(jīng)發(fā)展到可以替代DC驅(qū)動。根據(jù)Kantarek的介紹，Mitsubishi 的SVC控制首先采用了電機(jī)內(nèi)部特征模型，之后通過自整定每幾個毫秒采樣一次電機(jī)模型，驅(qū)動器將輸出電流分解為激磁與轉(zhuǎn)矩電流。通過相應(yīng)的電壓補償保證電機(jī)定子磁通在一個穩(wěn)定值上，并進(jìn)一步計算轉(zhuǎn)差頻率。 直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）為另外一種當(dāng)今引起廣泛關(guān)注的無速度傳感器控制解決方案[30], ABB公司于1995年推出了其直接轉(zhuǎn)矩控制產(chǎn)品ACS600，目前升級至ACS800。其控制框圖如圖2所示，DTC采用了單獨的環(huán)路對電機(jī)的速度及轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。ABB交流驅(qū)動R&D經(jīng)理Gokhale解釋說，“DTC自開發(fā)之初就是一種無傳感器控制的結(jié)構(gòu)，它從本質(zhì)上說是一種轉(zhuǎn)矩控制方案，而不是矢量控制。”從圖2可以明顯看出，DTC除去了典型矢量控制中的電流調(diào)節(jié)器或電壓指令生成環(huán)節(jié)。代之的是兩個滯環(huán)控制環(huán)節(jié)，每25μs分別對磁通及轉(zhuǎn)矩進(jìn)行估計與控制。在該控制結(jié)構(gòu)中, 低速磁通辨識的積分漂移以及定子電阻變化的影響直接限制了驅(qū)動器的最低工作范圍。由于系統(tǒng)沒有中間轉(zhuǎn)矩電流、磁通電流控制環(huán)節(jié), DTC缺乏直接電流控制。總體來講, DTC直接控制轉(zhuǎn)矩, 間接控制電流。 正是由于以上一些特點，一些研究人員將DTC稱為本質(zhì)上的“高級標(biāo)量控制”。限于篇幅，本文將不再展開，以下將只針對SVC進(jìn)行相關(guān)闡述。 SVC控制的關(guān)鍵在于正確的轉(zhuǎn)速估計與解耦控制，但這兩者之間又存在相互耦合的關(guān)系。轉(zhuǎn)速估計的精度不僅決定于測量的定子電壓與電流，同時與電機(jī)參數(shù)密切相關(guān)。在數(shù)字化電機(jī)控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速估計的精度又與采樣頻率以及反饋信號的分辨率有關(guān)，而轉(zhuǎn)速估計的精確程度不僅影響到速度控制的準(zhǔn)確度, 也會影響到速度環(huán)路補償器的設(shè)計。這些問題環(huán)環(huán)相扣, 稍有失誤甚至?xí)绊懙较到y(tǒng)的穩(wěn)定性。 SVC技術(shù)要實用化，必須解決幾個基本問題:磁通辨識、速度估計以及參數(shù)適應(yīng)性。過去十幾年里，研究人員開發(fā)出了多種磁通辨識與轉(zhuǎn)速估計方法。應(yīng)用較為廣泛的磁通辨識模型包括:開環(huán)電壓模型[9]、閉環(huán)復(fù)合模型[3]以及自適應(yīng)磁通觀測模型[2]。開環(huán)電壓模型在低速存在積分漂移，對參數(shù)較為敏感，通過引入低通環(huán)節(jié)或多重級連低通環(huán)節(jié)解決積分漂移引起的發(fā)散問題，但是會引入幅值與相位失真，因此高性能的無速度傳感器控制必須引入適當(dāng)?shù)难a償方法;閉環(huán)復(fù)合模型通過計算電壓模型與電流模型間的估計誤差完成高低速兩種模型的平滑切換，在實際設(shè)計時通常需要選擇合適的增益;自適應(yīng)磁通觀測模型通過自適應(yīng)環(huán)節(jié)消除參數(shù)變化對磁通觀測的影響，可應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)子磁場定向控制。速度估計的方法有的是根據(jù)電機(jī)端電壓及電流來估計轉(zhuǎn)速，有的則是利用觀測器來估計轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速估計的基本思路在于利用定子電壓、電流與頻率來計算轉(zhuǎn)子的速度，這些方法基本上可分為: （1） 以滑差頻率為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)速估計方法[17]-[19]; （2） 以磁場定向為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)速估計方法[20]-[28]; （3） 以自適應(yīng)控制為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)速估計方法[29]; （4） 以觀察器為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)速估計方法[31]-[36]。 其中以磁場定向為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)速估計法由于其快速性與較高的準(zhǔn)確度，已成為行業(yè)設(shè)計的主流。 無論是磁通辨識還是速度估計，對參數(shù)的依賴性都較強(qiáng)，也正是因為如此SVC與采用速度或位置傳感器的閉環(huán)磁通矢量控制（FVC）相比，對電機(jī)參數(shù)的變化更為敏感，在速度調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)矩響應(yīng)等動態(tài)指標(biāo)上要落后于FVC控制。目前業(yè)界對SVC參數(shù)整定的設(shè)計包括初始整定與在線整定兩種。在初始整定中，一些廠家只需輸入電機(jī)銘牌參數(shù)，另外一些廠家則需要進(jìn)入單獨的靜止、旋轉(zhuǎn)參數(shù)辨識（離線辨識）。例如，GE Fuji生產(chǎn)的AF-300 G11動態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制驅(qū)動器中提供離線與在線整定兩種方式。該產(chǎn)品有一個子程序跟蹤電機(jī)運行狀態(tài)，觀測由于溫度或負(fù)載變化引起的參數(shù)變化。通過在電機(jī)運行過程中不斷刷新電機(jī)參數(shù)，并利用其獨特的數(shù)學(xué)模型調(diào)節(jié)電壓及電流，達(dá)到優(yōu)化電機(jī)低速運行性能的目的。 在線整定的典型方法包括:EKF、MRAC以及直接求解電機(jī)DQ模型方程式等方法。眾所周知，轉(zhuǎn)子時間常數(shù)在磁場定向中扮演重要角色，在無速度傳感器控制中，如何獨立辨識轉(zhuǎn)子速度與轉(zhuǎn)子時間常數(shù)十分重要。一種辦法是通過注入高次諧波來實現(xiàn)，但需要注意引起的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波動，這是由于為了進(jìn)行有效地辨識，諧波幅度相對需要較大;另外有的研究人員提出使用電機(jī)轉(zhuǎn)子槽諧波獨立辨識轉(zhuǎn)速。有關(guān)參數(shù)自適應(yīng)這方面的研究仍在深入，如何提高SVC系統(tǒng)的適應(yīng)性、魯棒性無疑是一個 |
