HARSVERT-VA系列無速度傳感器矢量控制高壓變頻調(diào)速系
2006年7月，在經(jīng)歷了長時間廠內(nèi)試運(yùn)行后，利德華福第一臺HARSVERT-VA系列產(chǎn)品——DSP無速度傳感器矢量控制高壓變頻器在河南某電廠順利投入生產(chǎn)運(yùn)行，這標(biāo)志著利德華福的產(chǎn)品技術(shù)邁上了一個新的臺階，將國內(nèi)同類產(chǎn)品的調(diào)速性能提高到與國外先進(jìn)技術(shù)同步的水平。
HARSVERT-VA系列高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品，采用高速數(shù)字信號處理器（DSP）芯片作為主控制芯片，結(jié)合先進(jìn)的異步電機(jī)無速度傳感器矢量控制技術(shù)，以啟動轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)響應(yīng)快為主要特征，將大大拓寬高壓變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域，為用戶提供更高性能的交流傳動。
HARSVERT-VA系列無速度傳感器矢量控制高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)品具有以下主要功能：
（1） V/f比恒定控制；
（2） 無速度傳感器矢量控制；
（3） 速度閉環(huán)矢量控制；
（4） 高壓掉電恢復(fù)自動重啟；
（5） 任意轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)啟動；
（6） 單模塊故障旁路功能；
（7） 異步電機(jī)參數(shù)自動檢測；
（8） 各種故障分類處理，盡可能保證設(shè)備連續(xù)運(yùn)行；
然而，何謂DSP，何謂矢量控制，應(yīng)用矢量控制會有哪些優(yōu)點，矢量控制的基本原理是什么，如何使用HARSVERT-VA系列產(chǎn)品？從本期開始，將逐步分篇介紹DSP、矢量控制相關(guān)知識，以及HARSVERT-VA系列高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品的應(yīng)用知識。
第一篇 DSP與矢量控制技術(shù)的發(fā)展背景
HARSVERT-VA系列高性能高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品，在以DSP為核心搭建的高性能控制器硬件平臺上，結(jié)合先進(jìn)的實用化的矢量控制技術(shù)，將異步電機(jī)的控制性能提高到一個新的高度。
其中，DSP是英文Digital Signal Processor的詞頭字母縮寫，其含義為數(shù)字信號處理器，是一種對數(shù)字信號進(jìn)行分析處理的專用芯片。矢量控制，在國外多稱為磁場定向控制（Field Orientation Control），其核心思想是以電機(jī)磁場為坐標(biāo)軸基準(zhǔn)方向，通過坐標(biāo)變換的方法，實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦控制。
矢量控制與以DSP為代表的高性能處理器的結(jié)合是必然趨勢。
在上個世紀(jì)絕大部分時間里，直流電機(jī)由于其轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)性能和轉(zhuǎn)矩的控制性能比較理想，在高性能變速電氣傳動領(lǐng)域中占統(tǒng)治地位。但是，直流電機(jī)結(jié)構(gòu)中存在著換向器、電刷等結(jié)構(gòu)，因而不能在大容量、高轉(zhuǎn)速、高可靠性、易于維護(hù)及節(jié)能等方面滿足更高的要求。
而異步電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、運(yùn)行可靠、制造成本低、易于維護(hù)、可工作于惡劣環(huán)境等優(yōu)點，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，由于異步電機(jī)是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量復(fù)雜系統(tǒng)，早期的研究不能很好解決它的控制和調(diào)速問題。
早期的交流電機(jī)控制多是建立在電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的基礎(chǔ)上，其系統(tǒng)控制規(guī)律是從電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)推導(dǎo)出的平均值控制，完全不考慮過渡過程，因而在系統(tǒng)設(shè)計時，不得不做出較強(qiáng)的假設(shè)，忽略較多因素，這就使得設(shè)計結(jié)果與實際相差較大，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、啟動及動態(tài)響應(yīng)等方面的性能不能令人滿意。
其中比較有代表性的是V/f比恒定的變頻調(diào)壓技術(shù)。由于缺乏對轉(zhuǎn)矩的有效控制，系統(tǒng)帶載能力差，動態(tài)響應(yīng)慢。尤其在低速時由于定子電阻壓降和逆變器互鎖效應(yīng)影響加劇，使得控制性能更差，并可能產(chǎn)生振蕩和不穩(wěn)定現(xiàn)象。但由于該方法實現(xiàn)簡單，因而被廣泛地應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵等調(diào)速性能要求不高的場合。目前，國內(nèi)高壓變頻器生產(chǎn)廠商仍普遍采用這一方案。
交流電機(jī)控制真正劃時代的進(jìn)步是在20世紀(jì)70年代初。1971年，美國P. C. Custman和A. A. Clark申請了專利“感應(yīng)電機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換控制”，同年，德國西門子公司的F. Blaschke等提出了“感應(yīng)電機(jī)磁場定向的控制原理”，奠定了矢量控制的理論基礎(chǔ)。這種原理的基本出發(fā)點是：考慮到異步電機(jī)是一個多變量、強(qiáng)耦合、非線性的時變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過外加信號準(zhǔn)確控制電磁轉(zhuǎn)矩，但若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)，利用從靜止坐標(biāo)軸系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系之間的變換，則可以把定子電流中的勵磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量分解成兩個垂直的直流變量，并分別進(jìn)行控制。這樣，通過坐標(biāo)變換重建的電動機(jī)模型就可等效為一臺直流電動機(jī)，從而可象直流電動機(jī)那樣進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)矩和磁通控制。
矢量控制實現(xiàn)了交流電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，使交流傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性有了顯著的改善，開創(chuàng)了交流傳動的新紀(jì)元。矢量控制大大改善了異步電機(jī)的動態(tài)控制性能，使之能與直流機(jī)的控制效果相媲美。
雖然只有短短三十多年的歷史，但是結(jié)合現(xiàn)代控制理論的各種算法，如模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制和非線性控制等，矢量控制理論顯示出了強(qiáng)大的生命力?，F(xiàn)代控制理論和經(jīng)典矢量控制算法的進(jìn)一步結(jié)合已成為交流電機(jī)控制算法發(fā)展的一種趨勢。
再完美的控制理論，都需要基于合適的硬件載體來實現(xiàn)。
交流電氣傳動的蓬勃發(fā)展，一方面離不開電力電子器件不斷的發(fā)展和進(jìn)步。交流調(diào)速技術(shù)的重大變革是以電力電子器件的發(fā)展為先導(dǎo)的。從20世紀(jì)50年代后期的可控硅（SCR），發(fā)展到60年代的門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、大功率雙極型晶體管（GTR），以及80年代以后出現(xiàn)的金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、智能功率模塊（IPM）、集成門極換向晶閘管（IGCT）等等。尤其是IGBT的出現(xiàn)，迅速促使成熟可靠的交流調(diào)速產(chǎn)品進(jìn)入各個工業(yè)領(lǐng)域。可以說，這些新型電力電子器件的發(fā)展給高性能交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展奠定了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。
另一方面，交流調(diào)速控制技術(shù)，尤其是復(fù)雜的矢量控制算法的實現(xiàn)，離不開微處理器技術(shù)和數(shù)字化控制技術(shù)取得的巨大進(jìn)步。從上世紀(jì)90年代以來，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了各種高性能微處理器和控制器。特別是高速數(shù)字信號處理器（DSP）的出現(xiàn)，使得精度高、穩(wěn)定可靠、易于調(diào)試修改的全數(shù)字化的高性能交流傳動系統(tǒng)成為現(xiàn)實。
由此可見，矢量控制核心理論的提出與以DSP為代表的高性能處理器的通用化，再加上電力電子器件取得的進(jìn)步，并輔以現(xiàn)代控制理論，這四大因素的結(jié)合給電氣傳動領(lǐng)域帶來了深刻的變革，極大地改變了電氣傳動的傳統(tǒng)格局。可以這么說，現(xiàn)在的傳動領(lǐng)域，幾乎都是交流傳動的天下。
通過前面的陳述，可以知道具有矢量控制功能的變頻調(diào)速產(chǎn)品的顯著特點是，啟動轉(zhuǎn)矩大，一般可達(dá)100%~150%額定轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快，帶負(fù)載能力強(qiáng)，適應(yīng)負(fù)載波動大的場合。
利德華福致力于提供高性能、強(qiáng)魯棒性、高可靠的高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品。公司的HARSVERT-VA系列高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品，包括上述矢量控制在內(nèi)的詳細(xì)性能情況，將在以后的文章里介紹。
HARSVERT-VA系列高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品，采用高速數(shù)字信號處理器（DSP）芯片作為主控制芯片，結(jié)合先進(jìn)的異步電機(jī)無速度傳感器矢量控制技術(shù)，以啟動轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)響應(yīng)快為主要特征，將大大拓寬高壓變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域，為用戶提供更高性能的交流傳動。
HARSVERT-VA系列無速度傳感器矢量控制高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)品具有以下主要功能：
（1） V/f比恒定控制；
（2） 無速度傳感器矢量控制；
（3） 速度閉環(huán)矢量控制；
（4） 高壓掉電恢復(fù)自動重啟；
（5） 任意轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)啟動；
（6） 單模塊故障旁路功能；
（7） 異步電機(jī)參數(shù)自動檢測；
（8） 各種故障分類處理，盡可能保證設(shè)備連續(xù)運(yùn)行；
然而，何謂DSP，何謂矢量控制，應(yīng)用矢量控制會有哪些優(yōu)點，矢量控制的基本原理是什么，如何使用HARSVERT-VA系列產(chǎn)品？從本期開始，將逐步分篇介紹DSP、矢量控制相關(guān)知識，以及HARSVERT-VA系列高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品的應(yīng)用知識。
第一篇 DSP與矢量控制技術(shù)的發(fā)展背景
HARSVERT-VA系列高性能高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品，在以DSP為核心搭建的高性能控制器硬件平臺上，結(jié)合先進(jìn)的實用化的矢量控制技術(shù)，將異步電機(jī)的控制性能提高到一個新的高度。
其中，DSP是英文Digital Signal Processor的詞頭字母縮寫，其含義為數(shù)字信號處理器，是一種對數(shù)字信號進(jìn)行分析處理的專用芯片。矢量控制，在國外多稱為磁場定向控制（Field Orientation Control），其核心思想是以電機(jī)磁場為坐標(biāo)軸基準(zhǔn)方向，通過坐標(biāo)變換的方法，實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦控制。
矢量控制與以DSP為代表的高性能處理器的結(jié)合是必然趨勢。
在上個世紀(jì)絕大部分時間里，直流電機(jī)由于其轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)性能和轉(zhuǎn)矩的控制性能比較理想，在高性能變速電氣傳動領(lǐng)域中占統(tǒng)治地位。但是，直流電機(jī)結(jié)構(gòu)中存在著換向器、電刷等結(jié)構(gòu)，因而不能在大容量、高轉(zhuǎn)速、高可靠性、易于維護(hù)及節(jié)能等方面滿足更高的要求。
而異步電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、運(yùn)行可靠、制造成本低、易于維護(hù)、可工作于惡劣環(huán)境等優(yōu)點，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，由于異步電機(jī)是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量復(fù)雜系統(tǒng)，早期的研究不能很好解決它的控制和調(diào)速問題。
早期的交流電機(jī)控制多是建立在電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的基礎(chǔ)上，其系統(tǒng)控制規(guī)律是從電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)推導(dǎo)出的平均值控制，完全不考慮過渡過程，因而在系統(tǒng)設(shè)計時，不得不做出較強(qiáng)的假設(shè)，忽略較多因素，這就使得設(shè)計結(jié)果與實際相差較大，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、啟動及動態(tài)響應(yīng)等方面的性能不能令人滿意。
其中比較有代表性的是V/f比恒定的變頻調(diào)壓技術(shù)。由于缺乏對轉(zhuǎn)矩的有效控制，系統(tǒng)帶載能力差，動態(tài)響應(yīng)慢。尤其在低速時由于定子電阻壓降和逆變器互鎖效應(yīng)影響加劇，使得控制性能更差，并可能產(chǎn)生振蕩和不穩(wěn)定現(xiàn)象。但由于該方法實現(xiàn)簡單，因而被廣泛地應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵等調(diào)速性能要求不高的場合。目前，國內(nèi)高壓變頻器生產(chǎn)廠商仍普遍采用這一方案。
交流電機(jī)控制真正劃時代的進(jìn)步是在20世紀(jì)70年代初。1971年，美國P. C. Custman和A. A. Clark申請了專利“感應(yīng)電機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換控制”，同年，德國西門子公司的F. Blaschke等提出了“感應(yīng)電機(jī)磁場定向的控制原理”，奠定了矢量控制的理論基礎(chǔ)。這種原理的基本出發(fā)點是：考慮到異步電機(jī)是一個多變量、強(qiáng)耦合、非線性的時變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過外加信號準(zhǔn)確控制電磁轉(zhuǎn)矩，但若以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)，利用從靜止坐標(biāo)軸系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系之間的變換，則可以把定子電流中的勵磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量分解成兩個垂直的直流變量，并分別進(jìn)行控制。這樣，通過坐標(biāo)變換重建的電動機(jī)模型就可等效為一臺直流電動機(jī)，從而可象直流電動機(jī)那樣進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)矩和磁通控制。
矢量控制實現(xiàn)了交流電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，使交流傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性有了顯著的改善，開創(chuàng)了交流傳動的新紀(jì)元。矢量控制大大改善了異步電機(jī)的動態(tài)控制性能，使之能與直流機(jī)的控制效果相媲美。
雖然只有短短三十多年的歷史，但是結(jié)合現(xiàn)代控制理論的各種算法，如模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制和非線性控制等，矢量控制理論顯示出了強(qiáng)大的生命力?，F(xiàn)代控制理論和經(jīng)典矢量控制算法的進(jìn)一步結(jié)合已成為交流電機(jī)控制算法發(fā)展的一種趨勢。
再完美的控制理論，都需要基于合適的硬件載體來實現(xiàn)。
交流電氣傳動的蓬勃發(fā)展，一方面離不開電力電子器件不斷的發(fā)展和進(jìn)步。交流調(diào)速技術(shù)的重大變革是以電力電子器件的發(fā)展為先導(dǎo)的。從20世紀(jì)50年代后期的可控硅（SCR），發(fā)展到60年代的門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、大功率雙極型晶體管（GTR），以及80年代以后出現(xiàn)的金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、智能功率模塊（IPM）、集成門極換向晶閘管（IGCT）等等。尤其是IGBT的出現(xiàn)，迅速促使成熟可靠的交流調(diào)速產(chǎn)品進(jìn)入各個工業(yè)領(lǐng)域。可以說，這些新型電力電子器件的發(fā)展給高性能交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展奠定了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。
另一方面，交流調(diào)速控制技術(shù)，尤其是復(fù)雜的矢量控制算法的實現(xiàn)，離不開微處理器技術(shù)和數(shù)字化控制技術(shù)取得的巨大進(jìn)步。從上世紀(jì)90年代以來，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了各種高性能微處理器和控制器。特別是高速數(shù)字信號處理器（DSP）的出現(xiàn)，使得精度高、穩(wěn)定可靠、易于調(diào)試修改的全數(shù)字化的高性能交流傳動系統(tǒng)成為現(xiàn)實。
由此可見，矢量控制核心理論的提出與以DSP為代表的高性能處理器的通用化，再加上電力電子器件取得的進(jìn)步，并輔以現(xiàn)代控制理論，這四大因素的結(jié)合給電氣傳動領(lǐng)域帶來了深刻的變革，極大地改變了電氣傳動的傳統(tǒng)格局。可以這么說，現(xiàn)在的傳動領(lǐng)域，幾乎都是交流傳動的天下。
通過前面的陳述，可以知道具有矢量控制功能的變頻調(diào)速產(chǎn)品的顯著特點是，啟動轉(zhuǎn)矩大，一般可達(dá)100%~150%額定轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快，帶負(fù)載能力強(qiáng)，適應(yīng)負(fù)載波動大的場合。
利德華福致力于提供高性能、強(qiáng)魯棒性、高可靠的高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品。公司的HARSVERT-VA系列高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品，包括上述矢量控制在內(nèi)的詳細(xì)性能情況，將在以后的文章里介紹。
文章版權(quán)歸西部工控xbgk所有，未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載。
服務(wù)咨詢