0 引言

感應電機變頻驅(qū)動的應用已經(jīng)非常廣泛，變頻器市場近兩年取得了超乎尋常的增長速度，而市場遠未達到飽和。隨著終端用戶及OEM(原始設備制造商)廠商對其產(chǎn)品質(zhì)量及制造成本的日益關注，生產(chǎn)自動化過程對變頻驅(qū)動的要求也愈來愈高，促使新一代的變頻驅(qū)動產(chǎn)品在設計上不斷完善。

越來越多的國外企業(yè)推出了具有高性能矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制的通用變頻器，其中以日本三菱公司的新一代通用變頻器FR-A700 系列為代表，它宣稱是“動態(tài)性能的一次革命”。而國內(nèi)變頻器目前狀況是檔次相對較低，市場占有率也較低，急需技術上的進步。要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的目標，研發(fā)人員首先必須對國外領導廠商的產(chǎn)品有一個較為全面的了解。

本文通過對FR-A700的技術指標、性能進行分析，指出相對于傳統(tǒng)的通用變頻器，三菱高端變頻器在技術上的創(chuàng)新點，進一步觀察未來變頻驅(qū)動技術的發(fā)展動向，以供國內(nèi)相關領域人員參考。

本文分三部分展開討論，首先分析了FR-A700 改進的電機參數(shù)預辨識功能，然后分析了其真正的無速度傳感器矢量控制技術，最后對它的速度控制部分進行了分析，闡述它是如何實現(xiàn)“動態(tài)性能革命”的。

1 純靜止狀態(tài)下實現(xiàn)電機參數(shù)的預辨識

變頻器的矢量控制性能在很大程度上依賴于所獲得的感應電機參數(shù)，如電機的互感、定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻、定子漏感以及轉(zhuǎn)子漏感的準確程度，因此需要在感應電機啟動前辨識出變頻器矢量控制所需的全部參數(shù)(離線辨識)。一般基于感應電機的穩(wěn)態(tài)等效電路(如圖1 所示)完成。

變頻器的傳統(tǒng)離線辨識方法是基于空載旋轉(zhuǎn)測試或堵轉(zhuǎn)測試進行的，而FR-A700 在電機純靜止時即可得到控制所需的所有參數(shù)，無需電機旋轉(zhuǎn)，這是一個很大的進步。FR-A700能夠做到這一點，是與三菱設計人員對動態(tài)激勵(如脈沖信號)下感應電機的過渡過程的把握是分不開的。

FR-A700 的參數(shù)離線辨識功能應用更為便捷，擺脫了對應用場合的限制。

2 真正的無速度傳感器矢量控制技術

由于無速度傳感器矢量控制(Sensorless Vector Control——— SVC)能夠提供高性價比的解決方案，已經(jīng)成為通用變頻器的發(fā)展方向。但大部分廠家提供的SVC控制只是針對變壓變頻(VVVF)控制的一種改進，比如采用磁通補償、轉(zhuǎn)差補償?shù)姆桨?，但由于整個設計基于感應電機的穩(wěn)態(tài)模型進行，動態(tài)特性很差。而客戶期望SVC 與磁場定向控制(Field Oriented Control———FOC)差距逐步減小，能夠滿足高性能應用場合的要求，這對產(chǎn)業(yè)界是個機遇，同時也充滿挑戰(zhàn)。

近年來，已有少數(shù)高端變頻器提供具備低速動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制能力的無速度傳感器矢量控制，其中的代表就是FR-A700，三菱號稱該產(chǎn)品實現(xiàn)了真正的無速度傳感器矢量控制技術。該產(chǎn)品在無速度傳感器條件下規(guī)格為：速度范圍達1頤200(對應0.3 Hz ~60 Hz)，速度響應速率達120 rad/s(約合19 Hz)[1]。

FR-A700之所以具備低速動態(tài)轉(zhuǎn)矩的控制能力，和它控制算法的改進是分不開的。

圖2 所示是FR-A700 的無速度傳感器矢量控制結構框圖。圖2 中的磁通觀測器(Magnetic Flux Observer)、速度估算(Speed Estimation)是控制算法的核心部分，估算的速度用于速度控制，磁通觀測器的輸出用于磁通控制，同時提供磁場定向所需的信息。磁通觀測和速度估算是基于實時電壓、電流信息和電機參數(shù)信息完成的，不需要速度傳感器，利用的是感應電機動態(tài)模型，磁通控制、速度控制、電流控制部分與帶編碼器時的磁場定向控制結構類似，這使得FR-A700的無速度傳感器矢量控制相比傳統(tǒng)的SVC 前進了一大步。

此外，F(xiàn)R-A700 還可實施在線的電阻參數(shù)自動調(diào)整，使得運行不受溫度變化影響，保證始終能夠高精度地獲得轉(zhuǎn)子速度和磁通，對溫度變化的魯棒性也是此款產(chǎn)品的特色之一。

可見，無速度傳感器矢量控制，在提升磁通、轉(zhuǎn)速估算性能的同時，并提高對溫度變化的魯棒性，這些是未來通用變頻器的發(fā)展趨勢之一。以FRA700為代表的高端無速度傳感器矢量控制變頻器的推出勢必引導更多的廠商在技術上創(chuàng)新，進而開發(fā)出更多類似的高端產(chǎn)品。

3 接近伺服的速度控制性能

目前所有的變頻器生產(chǎn)商基本上都提供矢量控制方式，并出現(xiàn)大量不同層次的控制結構及算法，適應不同的市場定位與需求。一般使用編碼器反饋速度時，采用矢量控制方式可以達到最佳的性能。

FR-A700如果使用編碼器反饋速度，速度控制性能可達到1:1 500，精度依0.01%，速度響應速率為300 rad/s(在模型自適應控制方式下，約合47.7 Hz)[1]，這在業(yè)界是領先的。[!--empirenews.page--]

速度響應速率高意味著即使當負載電機軸端遇到突然變化的負載，電機速度也不會受到太大影響。如圖3 所示。

FR-A700的速度控制部分很有特色，稱之為模型自適應控制，如圖4 所示。

由圖4 可見，通過選擇參數(shù)Pr.877 可以選擇速度控制的方式，當Pr.877 選擇為0 時，為經(jīng)典的PI 控制;當Pr.877 選擇為1 時，為速度前饋控制(PI 調(diào)節(jié)+ 轉(zhuǎn)矩前饋);當Pr.877 選擇為2 時，為模型適應速度控制。

模型適應速度控制是FR-A700的亮點，該模式集PI 調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩前饋和轉(zhuǎn)速命令濾波為一體，可以同時控制轉(zhuǎn)速動態(tài)響應過程、超調(diào)等指標。采用該模式控制速度，一般用戶只需設置參數(shù)Pr.818 即可，該參數(shù)可以通過應用場合選擇，如圖5所示。高精度的工作機械需要把響應性設得高些，而在搬運等對動態(tài)性能要求不高的場合，可以把響應性設低。這樣的界面大大方便了用戶的現(xiàn)場調(diào)試，相對傳統(tǒng)變頻器開放的PI 參數(shù)，更容易選擇，使得產(chǎn)品易用性大大提高。

與模型適應速度控制相配合的是FR-A700的慣量在線辨識功能，速度控制需要較準確的系統(tǒng)慣量參數(shù)。圖6 表示在慣量辨識前后的速度跟隨性能對比，在辨識以后，電機速度的跟隨特性有了明顯的改善。

可見，已經(jīng)有越來越多的伺服控制技術集成到變頻器中了，如上述的慣量在線辨識功能，這樣變頻器的控制性能也和伺服性能接近了。變頻控制和伺服運動控制有逐漸融合的趨勢。

4 結語

本文通過對業(yè)界領先的三菱變頻器FR-A700的技術特點進行詳細分析，指出了未來變頻驅(qū)動技術的發(fā)展動向：

1)為了擺脫應用場合限制，提供電機純靜止下的參數(shù)離散辨識;

2)發(fā)展高動態(tài)性能、對溫度魯棒的真正的無速度傳感器矢量控制技術;

3)集成伺服特有的技術，使得變頻器的控制性能和伺服性能逐漸接近。