變頻器中常用的控制方式

變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的重要發(fā)展方向，而作為變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心—變頻器的性能也越來越成為調(diào)速性能優(yōu)劣的決定因素，除了變頻器本身制造工藝的“先天”條件外，對變頻器采用什么樣的控制方式也是非常重要的。本文從工業(yè)實際出發(fā)，綜述了近年來各種變頻器控制方式的特點，并展望了今后的發(fā)展方向。

變頻器是把工頻電源（50Hz或60Hz）變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設(shè)備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉(zhuǎn)矩計算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。

變頻器是工業(yè)現(xiàn)場常用的執(zhí)行器件，其調(diào)速性能好，控制方式簡單方便。故在自動化系統(tǒng)中，被運用得非常得廣泛。

一般地，在實際的使用過程中，上圖中的部分單元可能會被選擇性使用。如，現(xiàn)場為小功率常見，則多見不選配制動電阻；現(xiàn)場電機到變頻器距離較近，則變頻器的輸出電抗器可以不作選配……當然，這些都是依照實際情況，選擇性使用。若非必要，則可以選擇不予使用。選擇了雖然無所弊端，但電氣系統(tǒng)構(gòu)建的成本必然增加；系統(tǒng)的復雜程度亦會增加。

某一變頻器控制端子布置圖

變頻器控制IO

上為變頻器典型控制接線圖，從接口可以看到。其具備開關(guān)量控制輸入/輸出、模擬量控制輸入等。多樣化的接口，在系統(tǒng)構(gòu)建時，提供了多種選擇方式。

開關(guān)量輸入

在僅進行變頻器的啟動，停止，反轉(zhuǎn)，多段速這類的控制時，選用開關(guān)量輸入即可完成電機的控制。

模擬量輸入

在需要對電機進行調(diào)速的應(yīng)用場景，可以對變頻器輸入一路調(diào)速模擬量信號。以實現(xiàn)電機速度的控制。

數(shù)字量+模擬量輸入

在如恒壓供水的應(yīng)用場景，可以將外部管路水壓傳感器的壓力信號接到變頻器的模擬量輸入端口。使用變頻器內(nèi)部的PID控制功能，構(gòu)成一個控制閉環(huán)，完成恒壓供水的控制目標。形成一個恒壓控制單元。數(shù)字量信號實現(xiàn)變頻器的啟停。

通信總線

若系統(tǒng)具備控制總線，則通過總線，可以實現(xiàn)更加靈活的控制。減少這個系統(tǒng)構(gòu)建的電纜數(shù)量。通過總線，變頻器的控制模式、運行狀態(tài)等，均可簡單實現(xiàn)。

在交流變頻器中使用的非智能控制方式有V/f協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。?????

（1）?V/f控制??

V/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性，基于在改變電源頻率進行調(diào)速的同時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。V/f控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達到較高的控制性能，而且，在低頻時，必須進行轉(zhuǎn)矩補償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。?

（2）?轉(zhuǎn)差頻率控制??

轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式，它是在V/f控制的基礎(chǔ)上，按照知道異?

步電動機的實際轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電源頻率，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動機具有對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時還加有電流反饋，對頻率和電流進行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負載變動有良好的響應(yīng)特性。?

（3）?矢量控制??????

矢量控制是通過矢量坐標電路控制電動機定子電流的大小和相位，以達到對電動機在d、q、0坐標軸系中的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進行控制，進而達到控制電動機轉(zhuǎn)矩的目的。通過控制各矢量的作用順序和時間以及零矢量的作用時間，又可以形成各種PWM波，達到各種不同的控制目的。例如形成開關(guān)次數(shù)最少的PWM波以減少開關(guān)損耗。目前在變頻器中實際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無速度傳感器的矢量控制方式兩種。?

基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式與轉(zhuǎn)差頻率控制方式兩者的定常特性一致，但是基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制還要經(jīng)過坐標變換對電動機定子電流的相位進行控制，使之滿足一定的條件，以消除轉(zhuǎn)矩電流過渡過程中的波動。因此，基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式比轉(zhuǎn)差頻率控制方式在輸出特性方面能得到很大的改善。但是，這種控制方式屬于閉環(huán)控制方式，需要在電動機上安裝速度傳感器，因此，應(yīng)用范圍受到限制。?

無速度傳感器矢量控制是通過坐標變換處理分別對勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，然后通過控制電動機定子繞組上的電壓、電流辨識轉(zhuǎn)速以達到控制勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的目的。這種控制方式調(diào)速范圍寬，啟動轉(zhuǎn)矩大，工作可靠，操作方便，但計算比較復雜，一般需要專門的處理器來進行計算，因此，實時性不是太理想，控制精度受到計算精度的影響。?????

（4）?直接轉(zhuǎn)矩控制?

直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標的概念，在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過檢測定子電阻來達到觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復雜的變換計算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，也能輸出100%的額定轉(zhuǎn)矩，對于多拖動具有負荷平衡功能。?

（5）?最優(yōu)控制??

最優(yōu)控制在實際中的應(yīng)用根據(jù)要求的不同而有所不同，可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論對某一個控制要求進行個別參數(shù)的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應(yīng)用中，就成功的采用了時間分段控制和相位平移控制兩種策略，以實現(xiàn)一定條件下的電壓最優(yōu)波形。?

（6）?其他非智能控制方式?

在實際應(yīng)用中，還有一些非智能控制方式在變頻器的控制中得以實現(xiàn)，例如自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、差頻控制、環(huán)流控制、頻率控制等。

智能控制方式主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、專家系統(tǒng)、學習控制等。在變頻器的控制中采用智能控制方式在具體應(yīng)用中有一些成功的范例。?????

（1）?神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制????

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式應(yīng)用在變頻器的控制中，一般是進行比較復雜的系統(tǒng)控制，這時對于系統(tǒng)的模型了解甚少，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)既要完成系統(tǒng)辨識的功能，又要進行控制。而且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式可以同時控制多個變頻器，因此在多個變頻器級聯(lián)時進行控制比較適合。但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)太多或者算法過于復雜都會在具體應(yīng)用中帶來不少實際困難。

（2）?模糊控制?

模糊控制算法用于控制變頻器的電壓和頻率，使電動機的升速時間得到控制，以避免升速過快對電機使用壽命的影響以及升速過慢影響工作效率。模糊控制的關(guān)鍵在于論域、隸屬度以及模糊級別的劃分，這種控制方式尤其適用于多輸入單輸出的控制系統(tǒng)。?????

（3）?專家系統(tǒng)??

專家系統(tǒng)是利用所謂“專家”的經(jīng)驗進行控制的一種控制方式，因此，專家系統(tǒng)中一般要建立一個專家?guī)欤娣乓欢ǖ膶＜倚畔?，另外還要有推理機制，以便于根據(jù)已知信息尋求理想的控制結(jié)果。專家?guī)炫c推理機制的設(shè)計是尤為重要的，關(guān)系著專家系統(tǒng)控制的優(yōu)劣。應(yīng)用專家系統(tǒng)既可以控制變頻器的電壓，又可以控制其電流。?

（4）?學習控制????

學習控制主要是用于重復性的輸入，而規(guī)則的PWM信號（例如中心調(diào)制PWM）恰好滿足這個條件，因此學習控制也可用于變頻器的控制中。學習控制不需要了解太多的系統(tǒng)信息，但是需要1~2個學習周期，因此快速性相對較差，而且，學習控制的算法中有時需要實現(xiàn)超前環(huán)節(jié)，這用模擬器件是無法實現(xiàn)的，同時，學習控制還涉及到一個穩(wěn)定性的問題，在應(yīng)用時要特別注意。