PLC編程方式之變頻器控制算法的爭(zhēng)論

縱觀國(guó)內(nèi)低壓變頻器市場(chǎng)，行業(yè)第一梯隊(duì)由 ABB 與 Siemens 及匯川三家組成，它們的年銷售額均在二十億 RMB 左右，合計(jì)市場(chǎng)份額 30% 以上， 尤其是國(guó)產(chǎn)品牌匯川近幾年持續(xù)專注于專機(jī)市場(chǎng)的開發(fā)與拓展，增長(zhǎng)勢(shì)頭迅猛，成為緊追 ABB、Siemens 的變頻器廠商，并且很有可能會(huì)在兩三年后成為國(guó)內(nèi)低壓變頻器的第一品牌;***品牌臺(tái)達(dá)及進(jìn)口品牌 Schneider、Yaskawa、Danfoss(Vacon)同屬第二梯隊(duì)，年銷售額在十億 RMB 左右;而其它年銷售額在數(shù)億 RMB 的品牌則屬于第三梯隊(duì)。

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變頻器品牌沉沉浮浮，你方唱罷我登場(chǎng)，但是其背后的控制理論卻一直未有太多的變化，除了電流和磁場(chǎng)不參與控制、類似開環(huán)的 v/f 控制方式以外，目前主要有兩種控制算法：

矢量控制：

Vector Control = VC

直接轉(zhuǎn)矩控制：

Direct Torque Control = DTC

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所謂矢量控制，就是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量 (勵(lì)磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以控制，同時(shí)控制兩個(gè)分量的幅值和相位，即控制定子電流矢量，因此這種控制方式被稱為矢量控制。

PicSource：Convergence Training

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而反觀交流電動(dòng)機(jī)，定子部分同時(shí)承擔(dān)了直流電機(jī)電樞回路及勵(lì)磁回路的功能。由于輸入的電源特性，導(dǎo)致交流電機(jī)的磁場(chǎng)為交變的耦合磁場(chǎng)，其控制是不能用簡(jiǎn)單的電壓/電流來進(jìn)行調(diào)節(jié)的。

這個(gè)狀況在交流電機(jī)矢量控制理論出現(xiàn)后發(fā)生了改變。

PicSource：Blaschke's 1971 US patent application

上世紀(jì) 70 年代 Siemens 工程師 F.Blaschke 首先提出了異步電機(jī)矢量控制理論，用來解決交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制問題。上圖所展示的即為其當(dāng)時(shí)申請(qǐng)專利時(shí)所繪制的系統(tǒng)框圖真跡。矢量控制的基本原理是通過測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。

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具體來說，就是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量(勵(lì)磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以控制，并同時(shí)控制兩個(gè)分量的幅值和相位，即控制定子電流矢量。因此，我們將這樣的電機(jī)控制方式稱為“矢量控制”。而在矢量控制方式中，又有基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式...等。這樣，借助矢量控制技術(shù)，我們就可以將一臺(tái)三相異步電機(jī)等效為直流電機(jī)來控制，從而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動(dòng)態(tài)性能。

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使用矢量控制方式的通用變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)，不僅能夠讓其在調(diào)速范圍上與直流電動(dòng)機(jī)相匹配，而且還可以對(duì)其輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行靈活控制。

由于矢量控制方式所依據(jù)的是被控異步電動(dòng)機(jī)的物理特性，因此大部分通用變頻器在使用時(shí)往往都要求準(zhǔn)確地輸入異步電動(dòng)機(jī)的規(guī)格參數(shù)，有時(shí)還需要匹配相應(yīng)的速度傳感器和編碼器。

PicSource：siemens.com/press | sinamics

目前新的通用型矢量控制變頻器都已經(jīng)具備了異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)辨識(shí)、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，能夠自動(dòng)辨識(shí)異步電動(dòng)機(jī)的特性指標(biāo)，并相應(yīng)的調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而對(duì)普通的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制。這在很大程度上幫助用戶簡(jiǎn)化了產(chǎn)品的配置和調(diào)試工作。

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1985 年，德國(guó)學(xué)者 Depenbrock 教授提出直接轉(zhuǎn)矩控制。其思路是把電機(jī)和逆變器看成一個(gè)整體，采用空間電壓矢量分析方法在定子坐標(biāo)系進(jìn)行磁通、轉(zhuǎn)矩計(jì)算，通過跟蹤型 PWM 逆變器的開關(guān)狀態(tài)直接控制轉(zhuǎn)矩，無需對(duì)定子電流進(jìn)行解耦，免去矢量變換的復(fù)雜計(jì)算，極大的簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)。

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直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，是利用空間矢量、定子磁場(chǎng)定向的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下分析異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算與控制異步電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器(Band - Band 控制)，對(duì)轉(zhuǎn)矩的檢測(cè)值與給定值進(jìn)行比較，將轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定的容差范圍內(nèi)，容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來控制，并產(chǎn)生 PWM 脈寬調(diào)制信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，以獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。它的控制效果不取決于異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是否能夠簡(jiǎn)化，而是取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際狀況;它不需要將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)作比較、等效、轉(zhuǎn)化，即不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法。

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由于省掉了矢量變換方式的坐標(biāo)變換與計(jì)算、無需為了解耦去簡(jiǎn)化異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型、沒有了通常的 PWM 脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，因此，直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、控制信號(hào)處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無超調(diào)，是一種具有高靜、動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。

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廣義上說，直接轉(zhuǎn)矩控制也屬于矢量控制的一種，而我們上面所說的矢量控制，實(shí)際上是矢量控制中的定向磁場(chǎng)控制，即 Field Oriented Control = FOC。然而，盡管都可以被稱為“矢量控制”，但這兩種算法在控制原理上的差異還是非常大的，幾乎可以算得上是井水不犯河水。另外，從習(xí)慣上看，我們?nèi)粘Ｌ岬绞噶靠刂茣r(shí)，更多的也是在指 FOC，而非直接轉(zhuǎn)矩控制 DTC，也是為了能夠有效的將這二者區(qū)分開來。

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通過對(duì)矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制兩種算法的武俠演繹，可以看到，雖然二者的思路不同，但是最終的目的卻是一致的，就是準(zhǔn)確的對(duì)電機(jī)的速度/轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。同時(shí)，由于二者內(nèi)在的控制核心不一致，造成了最終在控制表現(xiàn)上的差異：

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