实例分析：2.9.3矢量控制通用变频器

西门子公司的前期产品SIMOVERT-P 6SE35/36（BJT）、6SC36/37（GTO）和目前的工程型变频器6SE70、6SE71（IGBT）及MicroMaster440（IGBT）的控制思想基本一致。其中前两种通用变频器实现的功能如下（后两种见第5章）：

（1）U/f频率开环控制、无速度传感器矢量控制和有速度传感器矢量控制的硬件电路实现了归一化。采用哪种控制方式，由可选的软件功能确定。

（2）用于单电动机或多电动机调速的频率开环控制，有多种U/f曲线可由软件选择。

用于单电动机传动，且要求高动态性能时，实现矢量控制即磁场定向控制。矢量控制可以无速度传感器（无PG），也可以有速度传感器（有PG）。

（3）通过自动参数设定可实现优化的起动，起动中闭环控制参数和U/f特性均根据负载电动机的额定值来计算。

（4）闭环控制的自优化。它是通过一种自动检测和自动实验程序，实现对所有闭环控制器参数的自动设定。

实现了变结构和自适应控制，充分体现了全数字控制的优势。

2.9.3.1 开环和闭环控制的概念

开环和闭环控制的四种不同的形式已经编入最基本的单元软件中。这些软件可以由操作面板或者串行接口对其进行选择和起动。表2-4列出了各种运行方式的典型应用。

表2-4 控制方式及应用

2.9.3.2 频率开环控制

这种情况下的结构图如图2-57所示。频率由串联在系统中的斜坡发生器给定，电压则由U/f特性函数发生器给定。U/f特性由若干种电压-频率函数关系的组合来决定。这可以看作有若干个电压-频率特性组件和若干个斜坡函数发生器组件（可由软件功能来选择和设定）。

图2-57 频率开环控制的原理框图

2.9.3.3 矢量控制

矢量控制的原理结构图如本章前面的图2-17所示，这种矢量控制可以采用有速度传感器方式（图中右下方），也可以采用无速度传感器方式。速度传感器可以采用脉冲式速度传感器。为方便起见，图2-58、图2-59中保留了原资料中的符号（与其他章节略有差别），i_μ相当于i_m1，而i_w相当于i_t1。

比较图2-17和图2-56可见，控制思想是一致的。图2-17的控制方案仅不含转子磁链的闭环控制环节，定子电流的励磁分量由i_m∗₁直接给定。图2-17中的实在值计算部分除计算i_m1、i_t1外，在无速度传感器方式下还同时计算出转子的实际转速n。

图2-17中逆变器的电压指令U_st，由电压模型完成电流-电压变换功能后得到。

图2-17中逆变器的频率指令f_st由有功电流调节器的输出、转差频率前馈控制的输出f₂（相当于转差角频率ω₂）、速度检测的输出n（相当于转子旋转角频率ω_r）和动态频率前馈控制量df/dt共同决定。稳态下f_st仅由i_t∗₁、f₂、n决定；而动态下，当i_t∗₁与i_t1出现差值或输出频率出现动态变化量df/dt时，对f_st还进行适时的动态调节，以适应对速度和转矩进行动态校正的需要。

图2-59 有速度传感器的矢量控制原理框图

由于软件功能的灵活性，可以实现变结构控制。有速度传感器和无速度传感器两种控制方式的变换，不必改变硬件电路。(www.xing528.com)

这种矢量控制调速装置，可以精确地设定和调节电动机的转矩，亦可实现对转矩的限幅控制，因而性能较高，受电动机参数变化的影响较小。当调速范围不大，在1∶10的速度范围内，常采用无速度传感器方式；当调速范围较大，即在极低的转速下也要求具有高动态性能和高转速精度时，才需要有速度传感器方式。

2.9.3.4 无速度传感器的矢量控制的速度调节

这种控制方式下的原理性框图（由软件功定选定）如图2-58所示。这是对异步电动机进行单电动机传动的典型模式。主要性能如下：

（1）在1∶10的速度范围内，速度精度<0.5%。

（2）在1∶10的速度范围内，转速上升时间≤100ms。

（3）在额定频率的10%的范围内，采用带电流闭环控制的转速开环控制。

工作模式可以用软件功能选择。

如图2-58所示，当工作频率高于10%额定频率时，软件开关S₁、S₂置于图中所示的位置。进入矢量控制状态。转速的实在值可以利用由微型计算机支持的对异步电动机进行模拟的仿真模型来计算。

对于低速范围，频率在0～10%额定频率的范围内，开关S₁、S₂切换到与图示相反的位置。这种情况下，斜坡发生器被切换到直接控制频率的通道。电流的闭环控制或者说电流的施加将同时完成。

两种电流设定值可根据需要设定：①稳态值必须设定得适合于有效负载转矩；②附加设定值只在加、减速过程中有效，可以设定得与加速或制动转矩相适应。

2.9.3.5 有速度传感器的转速或转矩闭环矢量控制

这种控制方式的主要特性是：

（1）在速度设定值的全范围内，转矩上升时间大约为15ms。

（2）速度设定范围＞1∶100。

（3）对闭环控制而言，转速上升时间≤60ms。

这种控制的框图如图2-59所示。

有功电流调节器仅在10%额定频率以上时才运行，而在10%以下则不起作用。

直流速度传感器或者脉冲速度传感器PG（脉冲频率为每转500到2500个脉冲的）均可以采用。

这种控制方式亦可通过软件来选定。

上述的调速性能指标，目前更加提高了。

目前，技术上最先进的变频器，利用计算机的强大功能，可以实现“系统组态”。在硬件不变条件下，可以利用软件功能设置或改变控制电路结构及相关参数，构成不同的控制系统。这类变频器，称为“工程型”变频器。与直流母线方式共用时，对各类生产工艺的适应性极强，可以实现多电动机或多机械的协调控制，完成车间自动化或工厂自动化。这种利用系统组态完成的“工程”控制（又称“公共传动”控制），显然是一种方向。6SE70系列变频器，就是一种典型的“工程型”变频器。第5章将介绍它和类似产品。

与上述“工程型”相比，功能略差一点的，还有一种“多控制方式”变频器。例如，安川VS-616G5、VS-616G7型，具有“有PG、无PG U/f控制”，“有PG、无PG矢量控制”等四五种控制方式，可以由控制面板通过功能码设置上述控制方式，安川最新系列H1000，控制方式达到7种（含同步机控制），详见3.3节。