核心零部件 变频器控制算法的华山论剑

  日前一篇关于 PLC 编程方式的气宗与剑宗之争的推文火爆朋友圈,让大家对业内自动化产品的关注度瞬间提高 2 个百分点。今天我们就来说说

  纵观国内低压变频器市场,行业第一梯队由 ABB 与 Siemens 及汇川三家组成,它们的年销售额均在二十亿 RMB 左右,合计市场份额 30% 以上,尤其是国产品牌汇川近几年持续专注于专机市场的开发与拓展,增长势头迅猛,成为紧追 ABB、Siemens 的变频器厂商,并且很有可能会在两三年后成为国内低压变频器的第一品牌;台湾品牌台达及进口品牌 Schneider、Yaskawa、Danfoss(Vacon)同属第二梯队,年销售额在十亿 RMB 左右;而其它年销售额在数亿 RMB 的品牌则属于第三梯队。

  变频器品牌沉沉浮浮,你方唱罢我登场,但是其背后的控制理论却一直未有太多的变化,除了电流和磁场不参与控制、类似开环的 v/f 控制方式以外,目前主要有两种控制算法:

  所谓矢量控制,就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,同时控制两个分量的幅值和相位,即控制定子电流矢量,因此这种控制方式被称为矢量控制。

  在矢量控制理论出现以前,生产工艺中的速度调节主要是通过直流电机的调速来完成的。直流电动机回路主要由励磁部分和电枢部分组成,励磁电路负责磁场的建立,电枢部分负责为转子线圈提供电源电压;励磁及电枢有两个相对独立的控制回路,可以分别进行控制和调节。

  所以,直流电机的转速调节,是可以通过调节电枢电阻 R、或者电枢电压 U 来实现的。

  而反观交流电动机,定子部分同时承担了直流电机电枢回路及励磁回路的功能。由于输入的电源特性,导致交流电机的磁场为交变的耦合磁场,其控制是不能用简单的电压/电流来进行调节的。

  上世纪 70 年代 Siemens 工程师 F.Blaschke 首先提出了异步电机矢量控制理论,用来解决交流电机的转矩控制问题。上图所展示的即为其当时申请专利时所绘制的系统框图真迹。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。

  具体来说,就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,并同时控制两个分量的幅值和相位,即控制定子电流矢量。因此,我们将这样的电机控制方式称为“矢量控制”。而在矢量控制方式中,又有基于转差频率的矢量控制方式、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。这样,借助矢量控制技术,我们就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制,从而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。

  使用矢量控制方式的通用变频器驱动异步电动机,不仅能够让其在调速范围上与直流电动机相匹配,而且还可以对其输出转矩进行灵活控制。

  由于矢量控制方式所依据的是被控异步电动机的物理特性,因此大部分通用变频器在使用时往往都要求准确地输入异步电动机的规格参数,有时还需要匹配相应的速度传感器和编码器。

  目前新的通用型矢量控制变频器都已经具备了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,能够自动辨识异步电动机的特性指标,并相应的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。这在很大程度上帮助用户简化了产品的配置和调试工作。

  1985 年,德国学者 Depenbrock 教授提出直接转矩控制。其思路是把电机和逆变器看成一个整体,采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算,通过跟踪型 PWM 逆变器的开关状态直接控制转矩,无需对定子电流进行解耦,免去矢量变换的复杂计算,极大的简化了系统的控制结构。

  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),对转矩的检测值与给定值进行比较,将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方法。

  由于省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算、无需为了解耦去简化异步电动机的数学模型、没有了通常的 PWM 脉宽调制信号发生器,因此,直接转矩控制的系统结构相对简单、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。

  广义上说,直接转矩控制也属于矢量控制的一种,而我们上面所说的矢量控制,实际上是矢量控制中的定向磁场控制,即 Field Oriented Control = FOC。然而,尽管都可以被称为“矢量控制”,但这两种算法在控制原理上的差异还是非常大的,几乎可以算得上是井水不犯河水。另外,从习惯上看,我们日常提到矢量控制时,更多的也是在指 FOC,而非直接转矩控制 DTC,也是为了能够有效的将这二者区分开来。

  有关矢量控制与直接转矩控制之间的差异,个人觉得,其实也是可以用华山派的气宗与剑宗来进行对比演绎的:

  华山派气宗讲究的是内功心法,先从基本功开始,最终以气御剑;矢量控制从电机自身出发,对其内在进行深入的剖析和解构,最终达到控制目的。从这点来看,矢量控制和气宗确实有的一拼。

  而剑宗讲究招式凌厉,变化繁复;内功心法不重要,只要招式妙,一样把你打趴下。直接转矩控制以控制转矩为目标,一切以转矩为核心,就如剑宗,敌静我止,敌动我先动,天下武功唯快不破,最终达到控制的目的。

  通过对矢量控制和直接转矩控制两种算法的武侠演绎,可以看到,虽然二者的思路不同,但是最终的目的却是一致的,就是准确的对电机的速度/转矩进行控制。同时,由于二者内在的控制核心不一致,造成了最终在控制表现上的差异:

  矢量控制与直接转矩控制,二者各自都有其优势与劣势,我们并不能仅从上述演绎就简单的研判二者谁更好,更强。在不同的应用场合中,不同的控制算法产生的结果也是不同的。比如在一些对转矩响应要求特别高的应用领域,直接转矩控制就比较适合;但是在一些对速度稳定性要求较高的场合,矢量控制的表现就要优于直接转矩控制。

  我们期待,在将来会有一种算法,能够融合二者的优点,弥补各自的缺点,让变频器更好更快地为人民服务。

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