1 引言 目前我國變頻器生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的變頻器大都是采用普通的V/f控制方式，只有為數(shù)不多的幾家對外宣稱采用了基于無速度的矢量控制技術(shù)。在國外品牌中基本上已經(jīng)到了開環(huán)、閉環(huán)、無速度控制三位一體的控制思想，尤其值得關(guān)注的是ABB公司的DTC控制方法在產(chǎn)品中已經(jīng)有成功的應(yīng)用。國內(nèi)學(xué)術(shù)界的變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究方面已經(jīng)做了很多相應(yīng)的工作，取的了一定的成果，但是相對于國外來說工程化的實(shí)踐和積累還有一定的差距。如果將理論化的知識轉(zhuǎn)化到我國現(xiàn)有工業(yè)化產(chǎn)品實(shí)踐，提高我國變頻調(diào)速產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，是一個(gè)比較迫切的值得研究的問題。本文試圖從控制策略和調(diào)制技術(shù)兩個(gè)方面對目前的V/f控制和實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行比較說明，供大家交流和探討。 通常V/f變頻器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是控制、調(diào)制、主回路三個(gè)部分組成，其中控制部分和脈寬調(diào)制部分全部由軟件算法實(shí)現(xiàn)。這種控制方法是針對交流電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型得出的，不依賴電機(jī)參數(shù)及其變化，因而控制簡單，容易實(shí)現(xiàn)。但是調(diào)速范圍比較窄，僅適應(yīng)于風(fēng)機(jī)、水泵等對調(diào)速性能要求不高的負(fù)載。為了提高系統(tǒng)低速時(shí)候的帶載能力和系統(tǒng)的動態(tài)性能，滿足實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場的需要，必須對現(xiàn)有的控制方法和脈寬調(diào)制策略進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)和提高。下面針對其中幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)分別進(jìn)行討論。 2 控制策略中的若干技術(shù) 2.1 補(bǔ)償技術(shù) 補(bǔ)償技術(shù)在開環(huán)控制中是不可少的。它包括力矩補(bǔ)償、滑差補(bǔ)償和死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償。在低頻時(shí)定子電阻的壓降相對于變頻器輸出來說已經(jīng)不能忽略，必須進(jìn)行補(bǔ)償，否則輸出電壓不夠，電機(jī)在低頻時(shí)不動或者轉(zhuǎn)速明顯下降?；钛a(bǔ)償主要是針對電機(jī)在負(fù)載較大時(shí)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)速會低于設(shè)定的轉(zhuǎn)速而設(shè)計(jì)。這兩種補(bǔ)償方法在實(shí)際中可以采用簡單的固定值進(jìn)行補(bǔ)償，改進(jìn)的方法利用三相電機(jī)電流進(jìn)行計(jì)算補(bǔ)償，不過只是根據(jù)電流幅值的補(bǔ)償，實(shí)際上該方法是標(biāo)量補(bǔ)償；更為精確的補(bǔ)償方法是將三相電機(jī)交流電流進(jìn)行矢量分解，同時(shí)將電機(jī)的損耗參與計(jì)算，這樣的補(bǔ)償效果更好。但是這種方法計(jì)算比較復(fù)雜，同時(shí)對電機(jī)的部分參數(shù)有一定的依賴性，在實(shí)現(xiàn)過程中存在一些困難。 死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)在開環(huán)控制中占有很重要的作用，它能有效的提高輸出電流波形的平滑度和減少諧波，同時(shí)能夠提高輸出電壓的有效值和減少電機(jī)電流的震蕩。特別是在要求靜音的環(huán)境下，人為的提高載波頻率，如果沒有死區(qū)補(bǔ)償，在低頻時(shí)電機(jī)即使空載也可能不能運(yùn)行。目前比較常用的死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)有電流過零點(diǎn)直接補(bǔ)償法，基于定子磁場定向的電流分解方法，死區(qū)電壓脈沖寬度補(bǔ)償方法，無電流傳感器的死區(qū)時(shí)間預(yù)測補(bǔ)償方法等。電流過零點(diǎn)判斷的補(bǔ)償方法簡單易于實(shí)現(xiàn)，但是由于電流波形中噪聲成分大，同時(shí)負(fù)載的波動和外界的任何干擾都會引起過零點(diǎn)的判斷失誤，過零點(diǎn)有一個(gè)死區(qū)平臺影響低頻補(bǔ)償效果，特別是載波頻率比較高時(shí)尤為顯著?；诙ㄗ哟艌龆ㄏ虻姆椒ú恢苯优袛嚯娏鬟^零點(diǎn)，而是將定子電流在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中分解得到電流矢量角和死區(qū)電壓矢量之間的關(guān)系進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，如果該方法和死區(qū)電壓脈沖寬度補(bǔ)償相結(jié)合，效果更為突出。相位角預(yù)測的死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償方法是一種省掉電流傳感器的固定補(bǔ)償方法，該方法首先對電流相位角進(jìn)行預(yù)測，然后對死區(qū)時(shí)間做出相應(yīng)的補(bǔ)償，預(yù)測的角度可以根據(jù)變頻器輸出容量的不同在軟件中設(shè)置，或者由外部修改設(shè)定。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以省掉電流傳感器，降低成本和系統(tǒng)體積，但是補(bǔ)償沒有根據(jù)外部負(fù)載變化而相應(yīng)調(diào)整，因而精度和動態(tài)性能也會相應(yīng)的降低。 2.2 電流震蕩抑制技術(shù) 交流電機(jī)在PWM方式供電的條件下在電機(jī)輕載或者空載的時(shí)候由于某些原因電機(jī)會在一個(gè)比較寬的頻率段系統(tǒng)會出現(xiàn)局部不穩(wěn)定現(xiàn)象，這時(shí)電流幅度值波動很大，輸出頻率也會有一定改變，電流的震蕩有可能會導(dǎo)致系統(tǒng)因?yàn)檫^電流而誤觸發(fā)報(bào)警，使系統(tǒng)不能穩(wěn)定可靠的工作。引起震蕩的原因是多方面的，比較普通的觀點(diǎn)是電機(jī)和變頻器在能量交換過程中引起的，它的出現(xiàn)也和死區(qū)效應(yīng)有很大的關(guān)系。對死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償后可以有效的減少震蕩的幅度，但是還不能從根本上抑制震蕩。一種有效的方法是當(dāng)震蕩發(fā)生時(shí)，相應(yīng)改變實(shí)際輸出的頻率或者電壓，通過電流形成一個(gè)簡單的負(fù)反饋系統(tǒng)，達(dá)到抑制震蕩的目的。但是這種方法也是有一定的局限性。由于不同電機(jī)的震蕩頻率范圍是不一樣的，從5Hz～30Hz左右變化，而采用電流的幅值控制，只是一個(gè)標(biāo)量，這就使得控制的效果不佳，系統(tǒng)的魯棒性降低。如果將定子電流進(jìn)行分解，直接控制影響能量交換的磁通勵(lì)磁電流分量，抑制效果就會有較大的提高。更為精確有效的方法是采用智能控制的方法，但是算法復(fù)雜，在復(fù)雜的V/f控制平臺上實(shí)現(xiàn)比較困難。 2.3 簡單磁通矢量控制方法 普通的V/f控制是建立在穩(wěn)態(tài)電機(jī)模型上的，忽略了定子電阻壓降，因而對電機(jī)動態(tài)過程中的狀態(tài)不能控制，由于是開環(huán)控制，對負(fù)載的波動或者電機(jī)參數(shù)變化不敏感，動態(tài)性能不高。簡單磁通矢量控制方法是在普通V/f控制的基礎(chǔ)上對電機(jī)電流進(jìn)行了控制，具體表現(xiàn)在通過把變頻器輸出的電流進(jìn)行矢量分解計(jì)算得到力矩電流分量和勵(lì)磁電流分量，然后調(diào)節(jié)電壓使電機(jī)電流和負(fù)載力矩相匹配，從而改善低速力矩特性。該方法在6Hz時(shí)可以提供200%的額定力矩。矢量計(jì)算所用到的一些電機(jī)參數(shù)預(yù)先存放在控制器的RAM中，針對某一型號電機(jī)這些參數(shù)基本上是常數(shù)。 2.4 基于無速度傳感器的矢量控制技術(shù) 對于高性能的交流調(diào)速控制系統(tǒng)，速度閉環(huán)是必不可少的，轉(zhuǎn)速閉環(huán)需要實(shí)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，目前速度反饋量的檢測多是采用光電脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器或測速發(fā)電機(jī)。速度傳感器價(jià)格比較昂貴，明顯增加了系統(tǒng)的硬件成本；對環(huán)境的適應(yīng)能力不強(qiáng)，不利于使用在高溫或者振動的場合；信號傳輸距離受到限制不能在長距離的線路中可靠的工作。因此研究無速度傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)，對提高系統(tǒng)的可靠性、環(huán)境的適應(yīng)性、進(jìn)一步擴(kuò)大交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用范圍具有重要意義，已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界近年來的研究熱點(diǎn)。 無速度傳感器控制的最終目的是同時(shí)對電動機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子磁鏈以及電動機(jī)參數(shù)進(jìn)行精確的估記。對電機(jī)轉(zhuǎn)速和磁鏈的估算方法有好多種，基于理想模型的觀測和估計(jì)方法有：開環(huán)磁鏈估算和帶補(bǔ)償?shù)拇沛湽浪?；模型參考自適應(yīng)法（MRAS）；閉環(huán)觀測器法。基于非理想特性的方法有：利用齒諧波信號的轉(zhuǎn)速辨識方法；旋轉(zhuǎn)高頻注入轉(zhuǎn)子凸極檢測法；漏感脈動檢測法；dq阻抗差異定向法；飽和凸極檢測方法；對電機(jī)參數(shù)的檢測有離線式檢測和在線式檢測兩種方法。 無速度傳感器矢量控制技術(shù)在實(shí)現(xiàn)中有幾個(gè)特別值得關(guān)注的方面它們對系統(tǒng)控制性能和控制精度有著十分重要的影響。這幾個(gè)方面是： （1） 電流及電壓信號的檢測和信號處理技術(shù) 其中信號的處理技術(shù)主要是對檢測到的電流電壓信號如何進(jìn)行有效精度的濾波，既能重現(xiàn)有效信號同時(shí)不產(chǎn)生幅值衰減和相位滯后。比較實(shí)用的方法有簡化的擴(kuò)展卡爾曼濾波器，形態(tài)濾波器等。 （2） 定子電阻的在線調(diào)整問題 定子電阻阻值在電機(jī)運(yùn)行時(shí)隨著溫度升高有很大的變化，最大變化可以達(dá)到額定值的150%，如何在運(yùn)行中在線檢測定子電阻，同時(shí)調(diào)整相應(yīng)的控制量，對系統(tǒng)性能的影響是很重要的。 （3） 死區(qū)效應(yīng)的補(bǔ)償技術(shù) （4） 建立精確的動態(tài)電機(jī)模型問題 在線或者離線測得的電機(jī)參數(shù)只是在某一時(shí)刻得到的，如果參數(shù)在運(yùn)行中 發(fā)生變化，電機(jī)的模型也應(yīng)該相應(yīng)的改變，以達(dá)到最佳的控制效果。目前實(shí)用研究中使用的較多的是模型參考自適應(yīng)的方法。 （5） 逆變器模型的重構(gòu)問題 這個(gè)技術(shù)主要是針對在極限情況下0Hz運(yùn)行時(shí)提出的。這種情況下功率器件的飽和壓降和集電極電流的時(shí)間關(guān)系都要加以考慮。 3 PWM調(diào)制策略的若干技術(shù) 早期的PWM調(diào)制方法基本上是通過硬件電路模擬產(chǎn)生，主要以正弦波脈寬調(diào)制為主，后來發(fā)展到模擬和數(shù)字電路混合控制，當(dāng)前的調(diào)制技術(shù)基本上是通過軟件算法直接實(shí)現(xiàn)的，軟件實(shí)現(xiàn)有著非常明顯的優(yōu)勢：程序編寫靈活，修改方便，在相同的硬件條件下可以實(shí)現(xiàn)多種調(diào)制策略，同時(shí)維護(hù)方便，抗擾性強(qiáng)。從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦；從效率最優(yōu)，轉(zhuǎn)距脈動最少，再到消除噪音等，PWM控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng)新和不斷完善的過程。PWM控制技術(shù)從控制思想上分，可以分四類，即等寬PWM法、正弦波PWM法（SPWM）、磁鏈追蹤型PWM法和電流跟蹤型PWM法。近幾年新近提出的不連續(xù)的SVPWM方法和隨機(jī)PWM方法在這里作為重點(diǎn)加以介紹。 3.1 SPWM法 SPWM法從電動機(jī)供電電源的角度出發(fā)，著眼于如何產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)頻調(diào)壓的三相對稱正弦波電源。具體方法是以一個(gè)正弦波作為基準(zhǔn)波（稱為調(diào)制波），用一列等幅的三角波（稱載波）與基準(zhǔn)正弦波相交，由它們的交點(diǎn)確定逆變器的開關(guān)模式。為了提高逆變器的輸出電壓幅值，針對SPWM法，人們提出了準(zhǔn)優(yōu)化PWM法，即三次諧波疊加法。在正弦波中注入一定比例的三次諧波后，調(diào)制波的幅值大大降低，在調(diào)制波沒有過調(diào)制的情況下，可使基波幅值超過三角波幅值，實(shí)現(xiàn)調(diào)制系數(shù)大于1的調(diào)制。在這種調(diào)制方式下，最大調(diào)制比可提高到1.15左右，相應(yīng)直流母線電壓的利用率最大可提高15%。 3.2 SVPWM法 磁鏈追蹤型PWM法又稱為電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM），與SPWM 法不同，它是從電動機(jī)的角度出發(fā)的，著眼點(diǎn)在于如何使電動機(jī)獲得圓磁場。它以三相對稱正弦波電壓供電時(shí)交流電動機(jī)的理想磁鏈因?yàn)榛鶞?zhǔn)，用逆變器不同開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁鏈?zhǔn)噶縼碜粉櫥鶞?zhǔn)磁鏈圓，由追蹤的結(jié)果決定出逆變器的開關(guān)模式，形成PWM波。逆變器的開關(guān)模式有8個(gè)空間電壓矢量，其中V0、V7為零電壓矢量。SVPWM不僅使得電機(jī)轉(zhuǎn)距脈動降低，電流波形畸變減少，而且與SPWM技術(shù)相比直流母線電壓利用率有很大提高，在這種調(diào)制模式下直流母線電壓的利用率最大可提高15%，并易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)。 3.3 不連續(xù)的SVPWM策略（DHPWM） 不連續(xù)的SVPWM方法是近幾年提出的一種新穎的電壓空間矢量脈寬調(diào)制策略，國外文獻(xiàn)稱為不連續(xù)的SVPWM策略（DHPWM），國內(nèi)有些文章稱為混合型調(diào)制策略（HPWM）或低開關(guān)損耗模式調(diào)制。對于連續(xù)PWM調(diào)制方法，三相調(diào)制波都位于其對應(yīng)載波的峰值之間，因此，所有的連續(xù)PWM調(diào)制方法，其逆變器的開關(guān)損耗都是相同的，且與負(fù)載電流的相角無關(guān)。降低開關(guān)損耗最簡單的方法就是使開關(guān)器件不動作，或者在一個(gè)周期中盡量少動作。傳統(tǒng)的SVPWM方法中零矢量（V0和V7）的位置在脈寬生成中是對稱存在的，零矢量的導(dǎo)通時(shí)間相等。而且位置是固定的，不能改變。如果保持有效導(dǎo)通矢量的時(shí)間不變，這樣合成的空間電壓矢量有效值不會受到影響，同時(shí)改變零矢量V0和V7在脈沖分配中的位置，使開關(guān)動作的次數(shù)減少，這就是不連續(xù)的SVPWM方法。零矢量的分配和位置不同就會有不同的調(diào)制效果。如果在三個(gè)相鄰矢量所夾扇區(qū)固定選用一個(gè)適當(dāng)?shù)牧闶噶?，可使每一組在一個(gè)周期內(nèi)有120º的扇區(qū)內(nèi)不開關(guān)。每相不開關(guān)范圍是連續(xù)的120º的區(qū)域，因而導(dǎo)致上下橋臂的開關(guān)損耗不一致，波形畸變比SVPWM要大很多。如果在相鄰的60º區(qū)間選用不同的零矢量，這樣有三種零矢量的分配方案。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該盡量使每相開關(guān)器件在負(fù)載電流較小的區(qū)間內(nèi)開關(guān)。安排大的負(fù)載電流在不開關(guān)的扇區(qū)內(nèi)，這種不僅可以減少開關(guān)次數(shù)，同時(shí)還可以有效降低開關(guān)器件的最大開關(guān)電流，從而使開關(guān)損耗最小。該方法可以將開關(guān)次數(shù)減少到原來SVPWM的1/3，極大的降低了開關(guān)損耗，同時(shí)由于插入零矢量的位置改變了逆變器的續(xù)流過程，對抑制電流波形的振蕩和失真也有一定的效果。在工程中對該方法調(diào)制時(shí)的死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)的實(shí)現(xiàn)存在一定的困難。一種行之有效的方法是在每個(gè)扇區(qū)內(nèi)對有效導(dǎo)通主矢量的補(bǔ)償。 3.4 隨機(jī)脈寬調(diào)制技術(shù)（RPWM） 在變頻器供電的交流傳動系統(tǒng)中，噪聲問題長期以來一直受到人們的關(guān)注，在某些低噪聲的場所變頻器和電動機(jī)發(fā)出的噪聲令人難以忍受。變頻器噪聲主要由逆變器所采用的脈寬調(diào)制方法所致。在一般的PWM方法中，逆變器的功率開關(guān)是以“確定的”方式通斷的，這種控制方式雖然可以很好地抑制電壓波形中的低次諧波，但卻將產(chǎn)生某種幅值很大的高次諧波，這些諧波主要集中在一倍和兩倍的載波頻率附近，它們將產(chǎn)生明顯的噪聲和振動。近年來出現(xiàn)的隨機(jī)脈寬調(diào)制（RPWM）為解決逆變器的噪聲問題提供了一種全新的思路。隨機(jī)PWM的基本思想是用一種隨機(jī)的開關(guān)策略代替常規(guī)PWM中固定的開關(guān)模式，以使逆變器輸出電壓的諧波頻譜均勻地分布在一個(gè)較寬的頻率范圍內(nèi)，達(dá)到抑制噪聲和機(jī)械振動的目的。目前有三種可行的RPWM方案： （1） 隨機(jī)化開關(guān)頻率 即在傳統(tǒng)的SPWM中，使三角載波的斜率隨機(jī)變化，那么每周的開關(guān)次數(shù)可隨機(jī)變化，從而達(dá)到開關(guān)頻率隨機(jī)的目的。 （2） 隨機(jī)化脈沖位置 在這種方案中，隨機(jī)量是開關(guān)信號脈沖在每個(gè)通斷周期內(nèi)的位置。最簡單的是只有兩位隨機(jī)選擇，一種在開始，一種在結(jié)束。 （3） 隨機(jī)開關(guān) 隨機(jī)波與正弦參考信號相比，比較的結(jié)果形成了數(shù)字RPWM信號。在現(xiàn)在有的空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)上可以采用隨機(jī)化脈沖位置的方法實(shí)現(xiàn)隨機(jī)PWM。在上面優(yōu)化的SVPWM中分析了零矢量位置的不同，會降低系統(tǒng)的開關(guān)損耗，如果采用隨機(jī)的方法將這些優(yōu)化的SVPWM隨機(jī)調(diào)制，在每一個(gè)載波周期出現(xiàn)各種零矢量插入的位置不同，就會隨機(jī)改變脈沖位置，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)PWM調(diào)制的目的。目前比較簡單和實(shí)用的方法只有2個(gè)零矢量固定的方式隨機(jī)切換，由一個(gè)隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的兩種狀態(tài)0和1，如果為0，將零矢量V0作用在開關(guān)周期的兩頭；如果為1，將零矢量V7作用在開關(guān)周期的中間。該方法實(shí)質(zhì)上是兩種低開關(guān)損耗調(diào)制的隨機(jī)切換。 隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生的狀態(tài)隨機(jī)性越好，切換的調(diào)制狀態(tài)越多，系統(tǒng)的諧波能量就能更好的連續(xù)的分布，隨機(jī)PWM的效果就會越好。但是同時(shí)算法實(shí)現(xiàn)的難度和對控制器的實(shí)時(shí)性要求也會提高。采用RPWM方法，可以有效的降低逆變器系統(tǒng)的噪聲，同時(shí)將某些集中的離散的高頻成分轉(zhuǎn)化為連續(xù)的平均分布的頻率成分，降低了向外傳播的電磁干擾。 3.5 過調(diào)制技術(shù) 過調(diào)制技術(shù)主要是在空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）基礎(chǔ)上來實(shí)現(xiàn)的一種技術(shù)。對高性能交流傳動系統(tǒng)來說，如何充分利用直流電壓，以獲得最大輸出電磁轉(zhuǎn)距是一個(gè)很重要的因素。尤其是在弱磁階段時(shí)，為了獲得足夠的電壓，有必要控制逆變器工作在過程調(diào)制范圍。傳統(tǒng)的SPWM控制時(shí)逆變器輸出電壓只能達(dá)到方波工況的78.54%，而空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）能夠?qū)⑤敵鲭妷禾岣叩椒讲ür時(shí)的90.69%，為了獲得更大的輸出電壓，逆變器必須工作在過調(diào)制區(qū)，直至達(dá)到方波工況。目前學(xué)術(shù)界提出的空間電壓矢量過調(diào)制方法有許多種，其算法的復(fù)雜程度和效果都各不相同。但是輸出電壓矢量調(diào)制方法實(shí)質(zhì)上一般只有兩種過調(diào)制方法：雙模式控制，將過調(diào)制區(qū)間分為兩個(gè)部分分別調(diào)制；單模式控制，即是將過調(diào)制區(qū)間作為一個(gè)整體控制。實(shí)質(zhì)上單模式只是雙模式的一種工程簡化，因而實(shí)現(xiàn)簡單，但是產(chǎn)生的基波電壓相比雙調(diào)制要低一些，諧波含量高。如果控制器的運(yùn)算速度和存儲空間足夠，可以采用雙模式控制，提高系統(tǒng)的輸出特性。角度和調(diào)制比的關(guān)系可以離線獲得存儲在RAM中，或者在線采用擬合曲線進(jìn)行計(jì)算得到。 4 結(jié)束語 本文討論了控制策略和調(diào)制策略在改善變頻器性能方面的若干技術(shù)和方法。這些方法可以在一個(gè)通用的硬件平臺上全部由軟件實(shí)現(xiàn)，有利于模塊化和集成化。文中針對其中的一些技術(shù)問題進(jìn)行了介紹和討論，提出了一些相應(yīng)的解決思路和方法，供大家探討