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      近20年來(lái),，雖然以 功率晶體管（GTR）作為逆變器功率器件,，8位微處理器為控制核心,，按壓頻比（U/f）控制 原理實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的變頻器,，在性能和品種上出現(xiàn)了巨大的技術(shù)進(jìn) 步，但下列技術(shù)的進(jìn)步,，使變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)一步得到提升：其一,，所有的電力電子器件GTR 已經(jīng)基本上為絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）所替代，進(jìn)而廣泛采用性能更為完善的智能功率 模塊（IPM）,使得變頻器的容量和電壓等級(jí)不斷地?cái)U(kuò)大和提高;其二,，8位微處理器基本被1 6位微處理器所替代,，進(jìn)而有采用功能更強(qiáng)的32位微處理器或雙CPU，使得變頻器的功能從單 一的變頻調(diào)速功能發(fā)展為含有邏輯和智能控制的綜合功能;其三,，在改善壓頻比控制性能的 同時(shí)，推出能實(shí)現(xiàn)矢量控制和轉(zhuǎn)矩直接控制的變頻器,，使得變頻器不僅能實(shí)現(xiàn)寬調(diào)速,，還可 進(jìn)行伺服控制。 

　　變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展,，大體可以從如下4個(gè)方面進(jìn)行綜述,。

　　1 電力電子器件的更新

　　逆變器從采用晶閘管半控器件到采用GTR全控器件，其輸出波 形從交流方波發(fā)展為脈寬調(diào)制（PWM）波形,，大大減小了諧波分量,，拓寬了異步電動(dòng)機(jī)變頻 調(diào)速范圍，并減小了轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)幅度,。然而,，GTR工作頻率一般在2kHz以下,，載波頻率和zui 小脈寬都受到限制，難以得到較為理想的正弦波脈寬調(diào)制波形,，使異步電動(dòng)機(jī)在變頻調(diào)速時(shí) 產(chǎn)生噪聲,。

　　IGT的工作頻率可在10~20kHz之間，與GTR相比,，不僅工作頻率高出一個(gè)數(shù)量級(jí),，而且 在電壓和電流指標(biāo)均已超出GTR。由于逆變器載波頻率的提高,，以及可以構(gòu)成特定的PWM波形 ,，異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制器的諧波噪聲大為降低。

　　智能功率模塊（IPM）是以IGBT為開(kāi)關(guān)器件,，同時(shí)含有驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路的一種功率集成器件（PIC）,。IPM的保護(hù)功能有過(guò)電流、短路,、欠電壓,、過(guò)電壓和過(guò)熱等，還可以實(shí)現(xiàn)再 生制動(dòng),。由IPM組成的逆變器只需對(duì)橋臂上各個(gè)IGBT提供隔離的PWM信號(hào)即可,。簡(jiǎn)單的外部電 路和控制電路的集成化，使變頻器體積大為減小,。還有,，由于功率開(kāi)關(guān)器件的故障檢測(cè)和保 護(hù)電路接近故障點(diǎn)，故可以抑制故障擴(kuò)大,，保證裝置可靠運(yùn)行,。

　　2 控制策略的發(fā)展

　　第1代變頻器采用的是恒壓頻比控制方式，它根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)等效 電路確定的線性進(jìn)行變頻調(diào)速,。電壓是指基波的有效值,，改變U/f只能調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)磁通和轉(zhuǎn)矩，談不上動(dòng)態(tài)控制,。為提高低頻時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,，通常采用提升電壓以及隨負(fù)載變 化補(bǔ)嘗定子繞組電壓降的辦法，可以拓寬變頻調(diào)速范圍至20∶1左右,。

　　第2代變頻器的主要特征是采用矢量控制方式,，它參照直流電動(dòng)機(jī)的控制方式，將異步 電動(dòng)機(jī)的定子電流空間矢量分解為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量,。首先是要控制勵(lì)磁,，所以又把 矢量控制稱(chēng)為磁場(chǎng)定向控制。至于轉(zhuǎn)矩的控制則是間接的,。矢量控制的主要缺點(diǎn)是需要復(fù)雜 的坐標(biāo)變換運(yùn)算,，以及需檢測(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào),。因此，進(jìn)一步提出無(wú)速度傳感器矢量控制的方法,，它根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行的相電壓和相電流,，以及定轉(zhuǎn)子繞組參數(shù)推算出轉(zhuǎn)速觀測(cè)值，以實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向的矢量控制,。由于轉(zhuǎn)速觀測(cè)值的精度受到所用計(jì)算參數(shù)與電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)之間偏差大小的影響,，所以無(wú)速度傳感器矢量控制的調(diào)速精度和范圍，均低于帶速度編碼器 的矢量控制方案,。一般前者的調(diào)速精度為1%,，輸出額定轉(zhuǎn)矩時(shí)的zui低頻率只能達(dá)到1Hz左右，而后者調(diào)速精度為0.01%,，zui低頻率為0.1Hz,。

　　與矢量控制并行發(fā)展的還有直接轉(zhuǎn)矩控制方式，它以異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩作為被控量,，強(qiáng) 調(diào)轉(zhuǎn)矩的直接控制效果,，并不刻意追求輸出電流為正弦波形。異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制是 直接在定子坐標(biāo)上計(jì)算磁鏈的幅值和轉(zhuǎn)矩的大小,，對(duì)其進(jìn)行直接跟蹤調(diào)節(jié),，以獲得迅速的動(dòng) 態(tài)響應(yīng)，其響應(yīng)速度可小到1~2ms,。從轉(zhuǎn)矩調(diào)控要求看,，磁鏈有點(diǎn)誤差，并不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)矩控制 性能產(chǎn)生重大影響,。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化不敏感,。

　　近幾年來(lái)，不依賴(lài)電動(dòng)機(jī)模型的模糊自尋優(yōu)控制,、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能化控制方法開(kāi)始 引入到交流調(diào)速系統(tǒng)中,，成為交流調(diào)速控制理論、控制技術(shù)新的研究發(fā)展方向,。

　　3 數(shù)字微處理器的應(yīng)用

　　數(shù)字化使得控制器對(duì)信息的處理能力大幅度提高 ,，許多難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜控制，采用微機(jī)控制器后便都解決了,。高性能的矢量控制系統(tǒng),，如果 沒(méi)有微機(jī)的支持是不可能真正實(shí)現(xiàn)的,。此外,，微機(jī)控制技術(shù)給交流調(diào)速系統(tǒng)增加了多方面的 功能，特別是故障診斷技術(shù)得到了*的實(shí)現(xiàn),。

　　微機(jī)控制技術(shù)及大規(guī)模集成電路的應(yīng)用提高了交流調(diào)速系統(tǒng)的可靠性,，操作,、設(shè)置的多 樣性和靈活性，降低了變頻調(diào)速裝置的成本和體積,。

　　以微處理器為核心的數(shù)字控制已成為現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的主要特征之一,，用于交流調(diào)速 系統(tǒng)的微處理器發(fā)展情況簡(jiǎn)介如下：

　　3.1 單片機(jī)

　　開(kāi)始采用微機(jī)控制時(shí)，總要選用CPU,、ROM,、RAM、定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器,、I/O,、 A/D、D/A等芯片,，組成zui小微機(jī)系統(tǒng),。為了適應(yīng)這種需要，一些公司開(kāi)始在一塊芯片上直接 集成這些部件,，稱(chēng)為單片機(jī),。就其組成而言，可以說(shuō),，一片單片機(jī)芯就是一臺(tái)計(jì)算機(jī),，大大 縮小了控制器的體積，降低了成本,，增強(qiáng)了功能,。隨著單片機(jī)性能不斷提高，單片機(jī)具有了 豐富的硬件資源和軟件資源,。然而單片機(jī)對(duì)大量數(shù)據(jù)處理或浮點(diǎn)運(yùn)算能力有限,，因此有待于 進(jìn)一步提高運(yùn)算速度。

　　3.2 數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）

　　為了提高運(yùn)算速度,，20世紀(jì)80年代初期出現(xiàn)了數(shù)字信號(hào) 處理器,，其中采取了一系列措施，包括集成硬件乘法器,、提高時(shí)鐘頻率,、支持浮點(diǎn)運(yùn)算等，以提高運(yùn)算速度,。近幾年來(lái),，將DSP做成磁心，把PWM生成,、A/D變換器等集成于一個(gè)芯片上 ,，成為一種32位的速度高、功率強(qiáng)大的單片機(jī)，其應(yīng)用日益廣泛,。

　　3.3 精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)

　　RISC在1986年前后問(wèn)世,，它是將控制器、PWM,、A/D等組成一 體做成芯片,，是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)上的一次突破，使微處理器在性能上獲得了質(zhì)的飛躍,。微處 理器的進(jìn)步往往只靠改進(jìn)VLSI（超大規(guī)模集成）硬件的工藝,，來(lái)提高時(shí)鐘頻率和微處理器速 度。RISC則把著眼點(diǎn)放在經(jīng)常使用的基本指令的執(zhí)行效率上,，依靠硬件與軟件的優(yōu)化組合來(lái) 提高速度,。在RISC中，揚(yáng)棄了運(yùn)算復(fù)雜而用處不大的指令,，省出這些指令所占用的硬件資源 ,，以提高簡(jiǎn)單指令的運(yùn)行速度。自RISC誕生以來(lái),，經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展,，其工作速度已從2~3M IPS提高到1000MIPS。

　　3.4 集成電路

　　ASIC也稱(chēng)為適合特定用途的IC,，是芯片的標(biāo)準(zhǔn)單元,、門(mén)陣列合在一起的內(nèi)部門(mén)陣列和作為程序使用的可編程邏輯陣列的結(jié)構(gòu)。能完成特定功能的初 級(jí)集成電路早已商品化,，例如交流變壓變頻用的SPWM波形發(fā)生器有HEF4752,、SLE4520。 集成電路的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一個(gè)發(fā)生器,，往往能夠包括一種特定的控制系統(tǒng),，例如德 國(guó)IAM1994年推出的VECON,它是一個(gè)交流伺服系統(tǒng)的單片矢量控制器，能完成矢量運(yùn)算的DSP 協(xié)處理器,、PWM定時(shí)器,，以及其他外圍和接口電路，都集成在一個(gè)芯片之內(nèi),，使可靠性大大提高,。

　　4 功能綜合化

　　新一代的變頻器由于具有功能很強(qiáng)的微處理器支持，除能完成電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的基本 功能外,，還具有內(nèi)置的可編程,、參數(shù)辨識(shí)及通訊等功能。例如：

　　4.1 自動(dòng)加減速

　　變頻器可實(shí)現(xiàn)模糊*加減速,，它根據(jù)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載狀態(tài)而自動(dòng)設(shè)定加減速的zui短時(shí)間;或者在設(shè)定的zui短加減速時(shí)間內(nèi),，將加速電流限制,，將減速的直流 過(guò)電壓控制在允許值以?xún)?nèi)。

　　4.2 程序運(yùn)行

　　變頻器可以根據(jù)預(yù)設(shè)的速度值和運(yùn)行時(shí)間執(zhí)行多段程序運(yùn)行,。例如，各段運(yùn)行時(shí)間,、加減速時(shí)間以及正反向均可事先設(shè)定,。

　　4.3 節(jié)電運(yùn)行

　　變頻器能自動(dòng)選定輸出電壓，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于zui小電流狀態(tài),，從而使電動(dòng)機(jī)損耗zui低,，其效率在原有節(jié)能基礎(chǔ)上再提高3%。

　　4.4 電動(dòng)機(jī)參數(shù)辨識(shí)

　　無(wú)速度傳感器矢量控制變頻器需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)參數(shù)推算轉(zhuǎn)速 觀測(cè)值,。一般制造廠商將變頻器供電的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)事先設(shè)定好,，也可以由用戶(hù)將所有電 動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行新的設(shè)定。新型變頻器也可以做到*次試運(yùn)行時(shí)按規(guī)定程序自動(dòng)辨識(shí)電動(dòng) 機(jī)參數(shù)并打印出來(lái),。這樣就拓寬了變頻器的應(yīng)用范圍,，而且使用很方便。

　　4.5 通訊和反饋功能

　　新型變頻器一般都帶有RS232/422/485通訊接口,，可以實(shí)現(xiàn) 上位工控機(jī)對(duì)變頻器的1對(duì)1或1對(duì)多的通訊功能,，可將上位機(jī)的運(yùn)行指令下達(dá)，或?qū)⒆冾l器 的運(yùn)行狀態(tài)上傳,。在需要高精度控制時(shí),，可選用編碼器，將轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)反饋到變頻器,，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng),。變頻器的通訊功能，對(duì)于不同的廠家有不同形式,。完善的軟件功能和規(guī)范的通 訊協(xié)議,，使它可實(shí)現(xiàn)靈活的系統(tǒng)組態(tài)，組成現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng),，變頻器在其中作為通訊的從站和傳動(dòng)執(zhí)行裝置,。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展過(guò)程表明，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及社會(huì)發(fā)展的需要推動(dòng)了交 流調(diào)速的飛速發(fā)展?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展和應(yīng)用,、電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用、微機(jī)控制技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展和應(yīng)用,，為交流調(diào)速的飛速發(fā)展創(chuàng)造了技術(shù)和物質(zhì)條件,。