1 引言 交流傳動在高性能場合的應用始于矢量控制概念的引入，包括直接磁場定向與間接磁場定向控制。盡管這一概念早在60年代就已出現，并由Siemens 的Blaschke博士于1972年正式提出[1]，但是真正應用還是在微電子技術發展的二十年后。矢量控制從基本原理上講能夠獲得優異的動靜態特性，但是對電機參數的敏感性卻成為實際應用中必須解決的問題。驅動器通過啟動前的自整定以及運行過程中的在線整定，適應電機參數變化，保持矢量控制的動靜態性能，這些復雜的自適應控制算法都必須通過強大的信號處理器才能完成。 近年來隨著半導體技術的發展及數字控制的普及，矢量控制的應用已經從高性能領域擴展至通用驅動及專用驅動場合，乃至家用電器。交流驅動器已在工業機器人、自動化出版設備、加工工具、傳輸設備、電梯、壓縮機、軋鋼、風機泵類、電動汽車、起重設備及其它領域中得到廣泛應用。隨著半導體技術的飛速發展，功率器件在不斷優化，開關速度在提高而損耗在下降，功率模塊的功率密度在不斷增加;數字信號處理器的處理能力愈加強大，處理速度不斷提升，交流驅動器完全有能力處理復雜的任務，實現復雜的觀測、控制算法，現代交流傳動的性能也因此達到前所未有的高度。以代表交流驅動控制最高水平的交流伺服為例，其需求隨著新的生產技術與新型加工原料的出現而迅速增長。據相關統計，高性能交流伺服驅動器數量的年增長率超過12%。伺服驅動中應用最多的電機是異步電機及同步電機，額定功率從50W到200kW，位置環、速度環以及轉矩環路的典型帶寬分別為60Hz、200Hz以及1000Hz。 交流電機驅動中的大部分問題應當說在當今的驅動器中已經得到解決，相關的成熟技術提供了被業界廣泛接受的解決方案，并在許多領域中得到成功應用，因此從基本結構上來講，交流驅動器的現有設計方案在未來的幾年中不會有大的變化。現在，交流驅動器開發的一個重點是如何將驅動器與電機有機地結合在一起，開發出更低成本、高可靠性、高性能“驅動模塊”。基于這一思路，為進一步減小成本、提高可靠性，開發人員在如何省去軸側傳感器以及電機相電流傳感器進行了深入的研究，特別是高性能無速度傳感器矢量控制（SVC）的實現吸引了各國研發人員的廣泛關注，并已成為近年來驅動控制研究的熱點。隨著具有強大處理能力的數字信號處理器的推出，實現該控制方式所需要的高魯棒性、自適應的參數估計以及非線性狀態觀測成為可能，新的無速度傳感控制方案不斷推出。Siemens、Yaskawa、Toshiba GE、Rockwell、Mistubishi、Fuji等知名公司紛紛推出自己的SVC控制產品（本文所指SVC均針對異步電機），控制特性也在不斷提高。SVC目前已在印刷、印染、紡機、鋼鐵生產線、起重、電動汽車等領域中廣泛應用，在高性能交流驅動中占有愈來愈重要的地位。 2 無速度傳感器矢量控制的優勢 概括來說，無速度傳感器矢量控制可以獲得接近閉環控制的性能，同時省去了速度傳感器，具有較低的維護成本。與傳統V/Hz控制比較，無速度傳感器矢量控制可以獲得改進的低速運行特性，變負載下的速度調節能力亦得到改善，同時還可獲得高的起動轉矩，這在高摩擦與慣性負載的起動中有明顯的優勢。正是由于這些驅動特性，該控制技術已逐漸成為通用恒轉矩驅動應用的選擇。事實上，基本上所有的AC驅動廠家都提供該控制模式。 Schneider公司的驅動市場經理Susan Bowler認為，該控制模式的吸引人之處在于利用最小的附加費用獲得大大增強的性能，包括低速特性、轉矩響應及定位能力等。由于其性能接近伺服驅動，公司在拓展需要更精確負載定位控制的場合。該公司的第三代Altivar無速度傳感器驅動產品具有自調諧特性，確保驅動器在電機運行參數隨時間發生變化的情況下仍然能夠持續優化電機運行特性，控制算法在設定速度上計算優化的電機電壓以獲得最大的轉矩輸出。電機的模型已經考慮了熱效應的影響。 Siemens交流驅動產品經理Kirkpatrick的觀點是，目前大多數的AC驅動產品默認都是SVC控制。閉環磁通矢量控制（FVC）只是在一些需要更嚴格速度控制及零速轉矩控制的場合應用。由于FVC成本較高，碼盤、電纜及其安裝接線等涉及問題較復雜，其銷量不大。 3 無速度傳感器矢量控制的現狀 無速度傳感器控制這種感應電機的高級驅動方式填補了高性能閉環控制與簡單開環控制之間的空檔，其價格與所提供的驅動性能相稱。盡管省略了閉環控制中使用的速度傳感器，SVC仍然需要采用電壓、電流傳感器對電機進行控制，在高速運算處理器的平臺上通過使用復雜的電機模型與高強度的數學運算，對傳感器輸入信號進行處理獲得電機控制所需的磁通與轉矩分量，再通過自適應的磁場向量方法實現解耦控制，以獲得良好的動態響應。 應當說，該控制方式目前沒有標準的解決方案，在過去的十幾年里研究人員發表了不少論文[1]-[16]，提出了許多不同的思路，而事實上許多公司在其通用變頻器中亦采用了各自不同的無速度傳感器控制方案，其驅動性能不盡相同，這與方案的內核是基于V/Hz或者磁場定向有關。大多數的無速度傳感器交流驅動都屬于無速度傳感器矢量類型，而直接轉矩控制（DTC）則屬于另外一種。Rockwell的Kerkman認為，高性能的無速度傳感器控制源于閉環磁場定向磁通矢量控制，其控制基于轉子磁通矢量;而相對性能較低的方案則基于定子磁通矢量和一些簡單的控制算法。SV控制技術中滑差頻率的準確估測是困難所在，計算該頻率所需的量對SVC來講都是基本的控制量，因此它涉及到多方面的問題。Siemens標準傳動R&D的Eckardt則認為，在高速電機磁場可以直接根據電機反電勢計算獲得，在低速（特別是零頻附近），定子磁通的計算較為困難;而在零頻，理論上定子磁通是不可觀測的。圖1示出了Rockwell的FORCE系列產品控制框圖。該產品使用了一種簡化的電壓模型，該模型依賴的參數對電機運行溫升變化不敏感。 在Mitsubishi公司，高級磁通矢量控制代表了最新的無速度傳感器控制技術。該技術對公司之前于1993年開發的技術進行了進一步的優化，旨在提高低速無速度傳感器運行時的輸出轉矩與運行穩定性。該公司交流驅動市場部經理 Kantarek認為，SVC控制的優良特性可以應用到絕大多數恒轉矩運行場合，特別是那些需要高起動轉矩及低速平滑運行的場合，而且SVC驅動器目前已經發展到可以替代DC驅動。根據Kantarek的介紹，Mitsubishi 的SVC控制首先采用了電機內部特征模型，之后通過自整定每幾個毫秒采樣一次電機模型，驅動器將輸出電流分解為激磁與轉矩電流。通過相應的電壓補償保證電機定子磁通在一個穩定值上，并進一步計算轉差頻率。 直接轉矩控制（DTC）為另外一種當今引起廣泛關注的無速度傳感器控制解決方案[30], ABB公司于1995年推出了其直接轉矩控制產品ACS600，目前升級至ACS800。其控制框圖如圖2所示，DTC采用了單獨的環路對電機的速度及轉矩進行控制。ABB交流驅動R&D經理Gokhale解釋說，“DTC自開發之初就是一種無傳感器控制的結構，它從本質上說是一種轉矩控制方案，而不是矢量控制。”從圖2可以明顯看出，DTC除去了典型矢量控制中的電流調節器或電壓指令生成環節。代之的是兩個滯環控制環節，每25μs分別對磁通及轉矩進行估計與控制。在該控制結構中, 低速磁通辨識的積分漂移以及定子電阻變化的影響直接限制了驅動器的最低工作范圍。由于系統沒有中間轉矩電流、磁通電流控制環節, DTC缺乏直接電流控制。總體來講, DTC直接控制轉矩, 間接控制電流。 正是由于以上一些特點，一些研究人員將DTC稱為本質上的“高級標量控制”。限于篇幅，本文將不再展開，以下將只針對SVC進行相關闡述。 SVC控制的關鍵在于正確的轉速估計與解耦控制，但這兩者之間又存在相互耦合的關系。轉速估計的精度不僅決定于測量的定子電壓與電流，同時與電機參數密切相關。在數字化電機控制系統中，轉速估計的精度又與采樣頻率以及反饋信號的分辨率有關，而轉速估計的精確程度不僅影響到速度控制的準確度, 也會影響到速度環路補償器的設計。這些問題環環相扣, 稍有失誤甚至會影響到系統的穩定性。 SVC技術要實用化，必須解決幾個基本問題:磁通辨識、速度估計以及參數適應性。過去十幾年里，研究人員開發出了多種磁通辨識與轉速估計方法。應用較為廣泛的磁通辨識模型包括:開環電壓模型[9]、閉環復合模型[3]以及自適應磁通觀測模型[2]。開環電壓模型在低速存在積分漂移，對參數較為敏感，通過引入低通環節或多重級連低通環節解決積分漂移引起的發散問題，但是會引入幅值與相位失真，因此高性能的無速度傳感器控制必須引入適當的補償方法;閉環復合模型通過計算電壓模型與電流模型間的估計誤差完成高低速兩種模型的平滑切換，在實際設計時通常需要選擇合適的增益;自適應磁通觀測模型通過自適應環節消除參數變化對磁通觀測的影響，可應用于直接轉子磁場定向控制。速度估計的方法有的是根據電機端電壓及電流來估計轉速，有的則是利用觀測器來估計轉速。轉速估計的基本思路在于利用定子電壓、電流與頻率來計算轉子的速度，這些方法基本上可分為: （1） 以滑差頻率為基礎的轉速估計方法[17]-[19]; （2） 以磁場定向為基礎的轉速估計方法[20]-[28]; （3） 以自適應控制為基礎的轉速估計方法[29]; （4） 以觀察器為基礎的轉速估計方法[31]-[36]。 其中以磁場定向為基礎的轉速估計法由于其快速性與較高的準確度，已成為行業設計的主流。 無論是磁通辨識還是速度估計，對參數的依賴性都較強，也正是因為如此SVC與采用速度或位置傳感器的閉環磁通矢量控制（FVC）相比，對電機參數的變化更為敏感，在速度調節與轉矩響應等動態指標上要落后于FVC控制。目前業界對SVC參數整定的設計包括初始整定與在線整定兩種。在初始整定中，一些廠家只需輸入電機銘牌參數，另外一些廠家則需要進入單獨的靜止、旋轉參數辨識（離線辨識）。例如，GE Fuji生產的AF-300 G11動態轉矩矢量控制驅動器中提供離線與在線整定兩種方式。該產品有一個子程序跟蹤電機運行狀態，觀測由于溫度或負載變化引起的參數變化。通過在電機運行過程中不斷刷新電機參數，并利用其獨特的數學模型調節電壓及電流，達到優化電機低速運行性能的目的。 在線整定的典型方法包括:EKF、MRAC以及直接求解電機DQ模型方程式等方法。眾所周知，轉子時間常數在磁場定向中扮演重要角色，在無速度傳感器控制中，如何獨立辨識轉子速度與轉子時間常數十分重要。一種辦法是通過注入高次諧波來實現，但需要注意引起的轉速、轉矩波動，這是由于為了進行有效地辨識，諧波幅度相對需要較大;另外有的研究人員提出使用電機轉子槽諧波獨立辨識轉速。有關參數自適應這方面的研究仍在深入，如何提高SVC系統的適應性、魯棒性無疑是一個重要的研究課題。 總的來看，由于不需要速度傳感器，SVC的電機控制模型要十分精確。從運算量來講，SVC控制比FVC更為復雜，這也使得無速度傳感器控制的難度要明顯高于閉環控制。由于電機參數在運行過程變化很大，因此SVC驅動器的自整定能力對于獲得準確的電機參數尤為重要，這也直接決定了矢量控制的性能。事實上，如何適應電機運行條件的變化，保持模型的精確性是避免高轉矩波動的關鍵;而模型的自適應能力也是電機接近零速運行時最為重要的因素，因為此時的電機參考模型誤差已經大大增加。由于采用了增強型的電機模型, 可適應電機運行條件變化,GE Toshiba報道稱，其產品在一定轉差及負載條件下，原來7%的轉矩脈動現在已削減至不到2%;轉矩調節精度在1～2%范圍內，而速度穩定精則在額定速的0.1%范圍內。 盡管采用了自適應的精確電機模型，目前的最高水平的SVC控制在動靜態特性上與FVC仍然存在一定差距，這在低速運行區域尤為明顯。SVC低速能力的極限同樣與負載慣性及變化情況等因素有關;就轉矩控制而言，在1Hz運行相對容易一些，0.5Hz附近有可能，視具體應用場合，但是遠低于這一速度的轉矩控制對SV來將是較困難的了。如果要想在零速附近（通常指低于基速的5%）獲得滿轉矩與非常精確的轉矩控制，或者是達到額定速度0.01%的穩速精度，碼盤反饋是必須的。在選擇SVC驅動器時必須考察其動態響應，而且SVC與FVC的響應速度最大可以相差15倍，這些必須在高性能應用場合時加以仔細考慮。附表列出了SVC與其它控制方式的性能比較。 產品化的SVC還需要解決許多細節問題, 要想獲得高性能的SVC控制, 并在復雜的工業環境中穩定運行, 這些問題都需要進行細致的研究, 各公司的研發人員在這些地方投入相當的精力。以下僅列出其中一部分典型的問題要點: （1） 低速運行區域 （2） 弱磁運行區域 （3） 再生模式運行 （4） 死區補償 （5） 數字積分方法 （6） PI控制器種類的選擇 （7） 轉速辨識的穩態精度 （8） 動態負載的速度變化 （9） 采樣延遲效應的考慮 （10） 系統關于參數變化的穩定性 （11） 磁飽和 （12） 集膚效應 4 無速度傳感矢量控制的發展方向 概括來講，未來無速度傳感器矢量控制的動靜態特性的進一步提高，需要更為完善的逆變器/電機模型，綜合考慮不同運行條件下的電機磁路飽和、繞組集膚效應、逆變器的非線性以及電機參數變化等因素。在更為精確的自適應電機模型基礎上，低速轉矩脈動將進一步減小，穩速精度將進一步提高，對負載擾動的響應更快，對電機參數變化的穩定性將進一步加強。特別是具有寬泛圍調速（包括零速）和高精度轉速調節、轉矩控制（而不僅是轉矩限定）的SVC控制系統與FVC控制系統的差距將逐步減小，并有望取代部分伺服應用領域。 未來的一些進步還將體現在高速處理器及外設上。DSP+ASIC/FPGA的控制器結構使得系統的信號并行處理能力更為強大，在此基礎上可以支持核心程序以非常快的速度運行，保證SVC系統對速度指令及負載變化有更快的響應，這對高性能的數字控制系統來講是非常重要的。 此外，無速度傳感器控制方式下的多機運行以及在高功率低速運行的應用也將成為未來的發展方向。 5 結束語 無速度傳感器矢量控制（SVC）由于省去速度傳感器，取消了相關的碼盤連線，減小了系統的維護成本，提高了系統可靠性，為逆變器/電機的一體化設計奠定了基礎。先進的SVC控制在高速數字信號處理平臺上，通過建立精確的電機模型和引入高級控制策略大幅度提高驅動器的動靜態性能，并向上發展取代部分閉環矢量控制與伺服控制應用領域。SVC已成為通用變頻器中的事實驅動標準，其應用領域將進一步拓展。