無速度傳感器矢量控制方式詳解

時(shí)間：2020-01-05作者：臺(tái)州富川電氣有限公司瀏覽：1637

　在**的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，矢量變頻器的轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)一般是**的。通常，采用旋轉(zhuǎn)編碼器等速度傳感器來進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測，并反饋轉(zhuǎn)速信號(hào)。但是，由于速度傳感器的安裝給系統(tǒng)帶來一些缺陷:系統(tǒng)的成本大大增加;精度越高的編碼器價(jià)格也越貴;編碼器在電動(dòng)機(jī)軸上的安裝存在同心度的問題，安裝不當(dāng)將影響測速的精度;安裝在電動(dòng)機(jī)軸上的體積增大，而且給電動(dòng)機(jī)的維護(hù)帶來一定困難，同時(shí)破壞了異步電動(dòng)機(jī)的簡單堅(jiān)固的特點(diǎn);在惡劣的環(huán)境下，編碼器工作的精度易受環(huán)境的影響。而無速度傳感器的控制系統(tǒng)**硬件，免去了速度傳感器帶來的種種麻煩，提高了系統(tǒng)的**性，降低了系統(tǒng)的成本;另一方面，使得系統(tǒng)的體積小、重量輕，而且減少了電動(dòng)機(jī)與控制器的連線。因此，無速度傳感器的矢量控制方式在工程應(yīng)用中變得非常必要。

    無速度傳感器的矢量控制方式是基于磁場定向控制理論發(fā)展而來的。實(shí)現(xiàn)**的磁場定向矢量控制需要在異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)安裝磁通檢測裝置，要在異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)安裝磁通檢測裝置是很困難的，但人們發(fā)現(xiàn)，即使不在異步電動(dòng)機(jī)中直接安裝磁通檢測裝置，也可以在通用變頻器內(nèi)部得到與磁通相應(yīng)的量，并由此得到了無速度傳感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根據(jù)輸入的電動(dòng)機(jī)的銘牌參數(shù)，按照一定的關(guān)系式分別對(duì)作為基本控制量的勵(lì)磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測，并通過控制電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓的頻率使勵(lì)磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流的指令值和檢測值達(dá)到一致，并輸出轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)矢量控制。采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動(dòng)機(jī)相匹敵，而且可以控制異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準(zhǔn)確的被控異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，因此需要在使用時(shí)準(zhǔn)確地輸入異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，并對(duì)拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)諧整定，否則難以達(dá)到理想的控制效果。

　　無速度傳感器矢量控制方式的基本技術(shù)指標(biāo)定義如下:速度控制精度±0.5％，速度控制范圍1:100，轉(zhuǎn)矩控制響應(yīng)<200ms，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩>150％/0.5hz。其中啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩指標(biāo)，根據(jù)不同**的變頻器其性能有所高低變動(dòng)，大致在150％～250％之間。如圖6所示為安川g7的無速度傳感器矢量控制方式下的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性，在0.3hz較低速下能達(dá)到150%以上的轉(zhuǎn)矩。

 

圖6　無速度傳感器矢量控制方式啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩特性

有時(shí)為了描述上的方便，也把無速度傳感器的矢量控制方式稱為開環(huán)矢量控制或無pg反饋矢量控制。

電動(dòng)機(jī)參數(shù)的調(diào)諧整定

    由于電動(dòng)機(jī)磁通模型的建立**依賴于電動(dòng)機(jī)參數(shù)，因此選擇無速度傳感器矢量控制時(shí)，**次運(yùn)行前****對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行參數(shù)的調(diào)諧整定。目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)調(diào)諧、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前可以自動(dòng)地對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)諧后存儲(chǔ)在相應(yīng)的參數(shù)組中，并根據(jù)調(diào)諧結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)數(shù)值。

　　自動(dòng)調(diào)諧（因在電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)情況下進(jìn)行，又稱旋轉(zhuǎn)式調(diào)諧）的步驟一般是這樣的:**在變頻器參數(shù)中輸入需要調(diào)諧的電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)，包括電動(dòng)機(jī)的類型（異步電動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)）、電動(dòng)機(jī)的額定功率（單位是kw）、電動(dòng)機(jī)的額定電流（單位是a）、電動(dòng)機(jī)的額定頻率（單位是hz）、電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速（單位r/min）;然后將電動(dòng)機(jī)與機(jī)械設(shè)備分開，電動(dòng)機(jī)作為單體;接著用變頻器的操作面板指令操作，變頻器的控制程序就會(huì)一邊根據(jù)內(nèi)部預(yù)先設(shè)定的運(yùn)行程序自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，一邊測定一次電壓和一次電流，然后計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)。但在電動(dòng)機(jī)與機(jī)械設(shè)備難以分開的場合卻很不方便，此時(shí)可采用靜止式調(diào)諧整定的方法，即將固定在任一相位、僅改變振幅而不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的三相交流電壓施加于電動(dòng)機(jī)上，電動(dòng)機(jī)不旋轉(zhuǎn)，由此時(shí)的電壓、電流波形按電動(dòng)機(jī)等值回路對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，便能**測定控制上必需的電動(dòng)機(jī)參數(shù)。在靜止式調(diào)諧中，用原來方法無法測定的漏電流也能測定，控制性能進(jìn)一步提高。利用靜止式調(diào)諧技術(shù)，可對(duì)于機(jī)械設(shè)備組合一起的電動(dòng)機(jī)自動(dòng)調(diào)諧、自動(dòng)測定控制上所需的各項(xiàng)常數(shù)，因而顯著提高了通用變頻器使用的方便性。

                                         圖7　異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路

　　從圖7所示的異步電動(dòng)機(jī)的t型等效電路表示中可以看出，電動(dòng)機(jī)除了常規(guī)的參數(shù)如電動(dòng)機(jī)較數(shù)、額定功率、額定電流外，還有r1（定子電阻）、x11（定子漏感抗）、r2（轉(zhuǎn)子電阻）、x21（轉(zhuǎn)子漏感抗）、xm（互感抗）和i0（空載電流）。

　　從上面已經(jīng)知道，參數(shù)辨識(shí)分電動(dòng)機(jī)靜止辨識(shí)和旋轉(zhuǎn)辨識(shí)兩種，其中在靜止辨識(shí)中，變頻器能自動(dòng)測量并計(jì)算定子和轉(zhuǎn)子電阻以及相對(duì)于基本頻率的漏感抗，并同時(shí)將測量的參數(shù)寫入;在旋轉(zhuǎn)辨識(shí)中，變頻器自動(dòng)測量電動(dòng)機(jī)的互感抗和空載電流。

速度調(diào)節(jié)器asr

圖8　速度調(diào)節(jié)器簡化框圖

　　速度調(diào)節(jié)器asr的結(jié)構(gòu)如圖8所示，圖8中kp為比例增益，ki為積分時(shí)間。積分時(shí)間設(shè)為0時(shí)，則無積分作用，速度環(huán)為單純的比例調(diào)節(jié)器。由于是無速度傳感器矢量控制方式，速度環(huán)的實(shí)際速度來源于變頻器內(nèi)部的實(shí)際計(jì)算值。

　　速度調(diào)節(jié)器asr的整定參數(shù)包括比例增益p和積分時(shí)間i，其數(shù)值大小將直接影響矢量控制的效果，其目標(biāo)就是要**動(dòng)態(tài)性能良好的階躍響應(yīng)，如圖9a所示。具體調(diào)節(jié)的影響情況如下:
    （1）增加比例增益p，可加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但p值過大，系統(tǒng)容易振蕩;
    （2）減小積分時(shí)間i值，可加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但i值過小，系統(tǒng)**調(diào)就會(huì)增大，且容易產(chǎn)生振蕩;
    （3）通常先調(diào)整比例增益p值，**系統(tǒng)不振蕩的前提下盡量增大p值，然后調(diào)節(jié)積分時(shí)間i值使系統(tǒng)既有**的響應(yīng)特性又**調(diào)不大。

a）參數(shù)整定情況之一 b）參數(shù)整定情況之一c）參數(shù)整定情況之一

 圖9速度調(diào)節(jié)器asr階躍響應(yīng)與pi參數(shù)的關(guān)系

　　圖9b是比例增益p值與速度調(diào)節(jié)器asr的階躍響應(yīng)關(guān)系，圖9c是積分時(shí)間i值與速度調(diào)節(jié)器asr的階躍響應(yīng)關(guān)系。

　　一般的矢量變頻器為了適應(yīng)電動(dòng)機(jī)低速和高速帶載運(yùn)行都有**響應(yīng)的情況，都設(shè)有兩套pi參數(shù)值（即低速pi值和高速pi值），同時(shí)設(shè)有切換頻率。為了**兩套pi值的正常過渡，一些變頻器還另外設(shè)置了兩個(gè)切換頻率，即切換頻率1和切換頻率2，如圖10。其控制原理是:**切換頻率1的頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)pi值取a點(diǎn)的數(shù)值，**切換頻率2的頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)pi值取b點(diǎn)的數(shù)值，位于切換頻率1和切換頻率2的頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)pi值取兩套pi參數(shù)的加權(quán)平均值。

　　如果pi參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，系統(tǒng)在**啟動(dòng)到高速后，可能產(chǎn)生減速過電壓故障（如果沒有外接制動(dòng)電阻或制動(dòng)單元），這是由于在速度**調(diào)后的下降過程中系統(tǒng)再生制動(dòng)狀態(tài)能量回饋所致，因此合適的pi值對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

 

圖10　pi參數(shù)與頻率切換的關(guān)系

轉(zhuǎn)差補(bǔ)償增益和靜差率

　　靜差就是從一個(gè)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速過渡到另一個(gè)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速之間的差值，靜差率是指電動(dòng)機(jī)空載與滿載的速度差，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)于電動(dòng)機(jī)的控制特性都是要求比較高的。

　　由于無速度傳感器的矢量控制方式對(duì)于轉(zhuǎn)速的測量是間接的，一般都是通過容易測量的定子電壓和電流信號(hào)間接求得轉(zhuǎn)速。目前常用的方法有:
    （1）利用電動(dòng)機(jī)模型推導(dǎo)出轉(zhuǎn)速方程式，從而計(jì)算轉(zhuǎn)速;
    （2）利用電動(dòng)機(jī)模型計(jì)算轉(zhuǎn)差頻率，進(jìn)行補(bǔ)償;
    （3）根據(jù)模型參考自適應(yīng)控制理論，選擇合適的參考模型和可調(diào)整模型，同時(shí)辨識(shí)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈;
    （4）利用其它辨識(shí)或估計(jì)方法求得轉(zhuǎn)速;
    （5）利用電動(dòng)機(jī)的齒諧波電勢計(jì)算轉(zhuǎn)速;等等。但是，無論哪一種方法，對(duì)于電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行的速度計(jì)算或辨識(shí)精度都非常有限，為了**調(diào)整靜差，確保電動(dòng)機(jī)的靜差率**0.01%，就需要對(duì)轉(zhuǎn)差補(bǔ)償增益進(jìn)行設(shè)置。

　　所謂轉(zhuǎn)差補(bǔ)償增益，就是用于計(jì)算轉(zhuǎn)差頻率，設(shè)定值100％表示額定的轉(zhuǎn)矩電流對(duì)應(yīng)額定的轉(zhuǎn)差頻率，因此設(shè)置合理的轉(zhuǎn)差補(bǔ)償增益系統(tǒng)可以**調(diào)整速度控制的靜差。其參數(shù)的設(shè)置原則是:當(dāng)電動(dòng)機(jī)重載時(shí)速度偏低，就應(yīng)該加大該系數(shù)，反之就減小該參數(shù)


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