矢量控制技术发展方向作者：张森蔚来源：《硅谷》2010年第05期 摘要: 自1968年德国人发明矢量控制理论以来,迄今已有四十余年,产品开发也有20年左右历史,技术日趋成熟。从1992年开始陆续有进口的矢量控制变频器进入国内市场,矢量控制变频器的知识含量高,体现在;一是应用自适应控制、模糊控制、人工神经网络控制等现代控制理论设计新的系统;二是新的功率器件层出不穷;三是最新微电子技术的采用十分普遍。 关键词: 自动化;矢量控制技术
中图分类号:TP2文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0310140-01
目前世界上矢控技术的研究与产品开发方面,德国和日本处于领先地位。我国学者早期发表文章时,常引用德国西门子公司和日本三菱电机公司中野孝良的有关文献。矢量控制技术是德国人发明的,日本引进了德国理论,不过日本在产品开发上确实下了不少功夫。
1 矢量控制技术出现前电气传动控制的状况
矢量控制的发明和发展对电力电子和交流调速都带来巨大的冲击,矢量控制的论文发表已30余年;但真正实用化不过20年左右历史。自1957年美国通用电气(GE)公司发明SCR以来,以SCR整流器为电源的直流传动方式非常普及,可是直流调速存在如下缺点:1电动机容量、最高转速、环境条件受到限制。2换向器、电刷维护不便。人们在期望能弥补上述缺点的新型交流调速方案出现。在1957年前后,由于快速SCR的出现,SCR变频调速的研究进展很快,并进入实用化阶段。例如风机、水泵、传送带、轧钢辊道、纺织机、造纸机等生产设备上均能见到应用的例子。特别是1973年发生石油危机时,社会上对变频调速的风机、水泵节能效果高的事实,评价很高。销售量几乎达到和直流调速一样的水平。但由于SCR易产生误触发而引起换相失败,造成短路,引起停机事故。后来改用电流型逆变器,增加电流反馈闭环,保护短路的功能有所改善。但总的来说,当时交流调速的技术水平不高。处于有限调速范围内,外部几乎无干扰才能稳定运转的状态,它只是一种单纯的调速装置,在比较复杂的如轧钢机可逆传动方面尚不能应用。 最初的变频调速是用开环恒定控制。后来增加了电流环,称它为转差频率控制,改善了性
能并已实用化。但系统只是从稳态公式推导出的平均值控制,完全不考虑过渡过程。这样一来,交流调速系统的稳定性、起动及低速时的转矩动态响应与用瞬时值控制的直流调速相比就略逊一筹。此外,交流调速系统主回路由于采用半导体开关电路,故转矩脉动、高次谐波、无功功率增大也成了问题。在70年代,要说用交流电动机代替直流电动机几乎是没有人会相信的。在此背景下,人们当然会去努力探索更新的交流控制方案。
不管是SCR电压型还是电流型的逆变器,必须用换相电路。用电容和电抗组成的换相电路,存在体积大、重量重、换相时间长的缺点,故希望开发出·不用换相电路的自励式逆变器。
1971年,器件生产厂做出高压GTR,可用于线电压为200V的系统。这样,载波频率为3KHz的PWM逆变器开始登场。可以说,这是矢量控制研究的必经之路。其后,又开发出GTR、IGBT模块。从此,交流传动进入了伺服控制的高精领域。选择器件为突破口,无疑是正确的方向。六七十年代,日本只在SCR电动机(无换向器电动机)方面领先,电力电子技术方面几乎都是引进欧美的技术。而德国在交流调速方面,无论是研究还是开发,一直处于领先地位。当时,他们学术界在交流电动机理论、瞬时值解析、空间矢量等电动机特性与过渡过程响应的研究均很盛行。在这种背景下,发明矢量控制是不奇怪的。
2 发明矢量控制的先驱者们
矢量控制在国际上一般多称为磁场定向控制,亦即把磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向,电动机电流矢量的大小、方向均用瞬时值来表示。这个理论是1968年首先由Darmstader工科大学的Hasse博士发表。1971年西门子公司的Blaschke又将这种一般化的概念形成系统理论,并以磁场定向控制的名称发表。前者是在学会的论文杂志上发表;而后者是公司研究成果,故以专利的形式发表。
新控制方式出台后,在理论的新意和实用前景方面是不容置疑的。但由于硬件复杂和价格高等原因,故实际应用还不多。到70年代中期为止,它只在一些电动力检测设备上作传动用。以后,德国人又积极开展解决硬件和系统简化的研究。例如,1980年Leonhard为首的小组在应用微处理器的矢量控制的研究中取得进展,促进了矢量控制的实用化。
矢量控制的信息最早传到日本是1972年,由《富士时报》发表了Blachke的译文。1975年前后陆续有研究论文发表和专利申请,大学和研究机关着手又稍晚一点。80年代初,日本厂家竞相研究矢量控制技术,大家认为从理论上并不否认其优越性;但要形成产品必须从性能和价格两方面解决一些实际问题,即:
1)进一步消化理论,提高应用水平。2)研究磁通矢量的直接间接检测方法。3)研制能进行复杂运算并能高速处理的控制装置。4)研制能把时域、空间分开,控制时滞小的电力变流装置。
与此同时,大学方面应用现代控制理论把矢量控制的理论深化,开拓了解藕控制、速度观测、参数自设定等,促进了无速度传感器矢量控制的发展。
3 矢量控制技术的早期应用
矢量控制在大中容量交流传动中初次实际应用开始于1979年,用于驱动造纸机。1980年矢量控制在轧镶机主传动上用于异步电动机和同步电动机传动,但只在系统的二部分用微机控制。产品化过程中最大的难题还是控制电路的研制。
矢量控制包括坐标变换和矢量运算以及含非线性的复杂运算。对交流瞬时值进行控制的必要条件是高速运算。其运算处理的规模要比直流调速大若干倍。若用模拟电路来实现,不用说价格就连确保性能和可靠性也做不到。这就是70年代中期为什么不能实用化的原因之一。
70年代是微处理器、LSI等微电子技术急速成长的时代。虽说如此,直到70年代末才把微
处理器用于交流调速的控制,在处理能力上还没有充分把握。若能用微机和数字电路相结合来解决四则运算和非线性运算,则模拟电路的缺陷便可弥补。矢量控制装置的实用性、可靠性便可达到满意的水平。另一课题是研制快速的电力半导体变流装置。当时虽然PWM逆变器已出现,但GTR与GTO尚在开发之初。SCR逆变器又不能适应急剧的加减速和负荷冲击。因此,最早实用化的还只是用相位控制的SCR交——交变频器,其性能可与直流调速比美。
4 矢量控制技术的最新动向
矢量控制技术的最新动向为高压大容量矢量控制装置的研制。现已研制出一种新型多电平逆变器,它又称为NPC逆变器。一般的6单元PWN逆变器输出电压只有正负两种电平,称为双电平逆变器。但利用器件的不同组合,可以做到3电平、5电平等多电平逆变器。目前应用最广泛的是3电平逆变器。其优点是可以提高逆变器容量并降低高次谐波,可适用于轧钢机主传动。应用6KV,4.5KA GTO器件,已可做出总容量10MVA的逆变器,为大容量矢量控制打下基础。
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