无速度传感器矢量控制.doc

无速度传感器矢量控制技术的行业现状与展望 The Comprehensive Status Analysis and Future Development Tendency of Sensor-less Vector Control (SVC) Technology 1 引言 交流传动在高性能场合的应用始于矢量控制概念的引入，包括直接磁场定向与间接磁场定向控制。尽管这一概念早在60年代就已出现，并由Siemens 的Blaschke博士于1972年正式提出，但是真正应用还是在微电子技术发展的二十年后。矢量控制从基本原理上讲能够获得优异的动静态特性，但是对电机参数的敏感性却成为实际应用中必须解决的问题。驱动器通过启动前的自整定以及运行过程中的在线整定，适应电机参数变化，保持矢量控制的动静态性能，这些复杂的自适应控制算法都必须通过强大的信号处理器才能完成。 近年来随着半导体技术的发展及数字控制的普及，矢量控制的应用已经从高性能领域扩展至通用驱动及专用驱动场合，乃至家用电器。交流驱动器已在工业机器人、自动化出版设备、加工工具、传输设备、电梯、压缩机、轧钢、风机泵类、电动汽车、起重设备及其它领域中得到广泛应用。随着半导体技术的飞速发展，功率器件在不断优化，开关速度在提高而损耗在下降，功率模块的功率密度在不断增加;数字信号处理器的处理能力愈加强大，处理速度不断提升，交流驱动器完全有能力处理复杂的任务，实现复杂的观测、控制算法，现代交流传动的性能也因此达到前所未有的高度。以代表交流驱动控制最高水平的交流伺服为例，其需求随着新的生产技术与新型加工原料的出现而迅速增长。据相关统计，高性能交流伺服驱动器数量的年增长率超过12%。伺服驱动中应用最多的电机是异步电机及同步电机，额定功率从50W到200kW，位置环、速度环以及转矩环路的典型带宽分别为60Hz、200Hz以及1000Hz。 交流电机驱动中的大部分问题应当说在当今的驱动器中已经得到解决，相关的成熟技术提供了被业界广泛接受的解决方案，并在许多领域中得到成功应用，因此从基本结构上来讲，交流驱动器的现有设计方案在未来的几年中不会有大的变化。现在，交流驱动器开发的一个重点是如何将驱动器与电机有机地结合在一起，开发出更低成本、高可靠性、高性能“驱动模块”。基于这一思路，为进一步减小成本、提高可靠性，开发人员在如何省去轴侧传感器以及电机相电流传感器进行了深入的研究，特别是高性能无速度传感器矢量控制(SVC)的实现吸引了各国研发人员的广泛关注，并已成为近年来驱动控制研究的热点。随着具有强大处理能力的数字信号处理器的推出，实现该控制方式所需要的高鲁棒性、自适应的参数估计以及非线性状态观测成为可能，新的无速度传感控制方案不断推出。Siemens、Yaskawa、Toshiba GE、Rockwell、Mistubishi、Fuji等知名公司纷纷推出自己的SVC控制产品(本文所指SVC均针对异步电机)，控制特性也在不断提高。SVC目前已在印刷、印染、纺机、钢铁生产线、起重、电动汽车等领域中广泛应用，在高性能交流驱动中占有愈来愈重要的地位。 2 无速度传感器矢量控制的优势 概括来说，无速度传感器矢量控制可以获得接近闭环控制的性能，同时省去了速度传感器，具有较低的维护成本。与传统V/Hz控制比较，无速度传感器矢量控制可以获得改进的低速运行特性，变负载下的速度调节能力亦得到改善，同时还可获得高的起动转矩，这在高摩擦与惯性负载的起动中有明显的优势。正是由于这些驱动特性，该控制技术已逐渐成为通用恒转矩驱动应用的选择。事实上，基本上所有的AC驱动厂家都提供该控制模式。 Schneider公司的驱动市场经理Susan Bowler认为，该控制模式的吸引人之处在于利用最小的附加费用获得大大增强的性能，包括低速特性、转矩响应及定位能力等。由于其性能接近伺服驱动，公司在拓展需要更精确负载定位控制的场合。该公司的第三代Altivar无速度传感器驱动产品具有自调谐特性，确保驱动器在电机运行参数随时间发生变化的情况下仍然能够持续优化电机运行特性，控制算法在设定速度上计算优化的电机电压以获得最大的转矩输出。电机的模型已经考虑了热效应的影响。 Siemens交流驱动产品经理Kirkpatrick的观点是，目前大多数的AC驱动产品默认都是SVC控制。闭环磁通矢量控制(FVC)只是在一些需要更严格速度控制及零速转矩控制的场合应用。由于FVC成本较高，码盘、电缆及其安装接线等涉及问题较复杂，其销量不大。 3 无速度传感器矢量控制的现状 无速度传感器控制这种感应电机的高级驱动方式填补了高性能闭环控制与简