产业界变频驱动技术的发展动向

0 引言

感应电机变频驱动的应用已经非常广泛，变频器市场近两年取得了超乎寻常的增长速度，而市场远未达到饱和。随着终端用户及OEM(原始设备制造商)厂商对其产品质量及制造成本的日益关注，生产自动化过程对变频驱动的要求也愈来愈高，促使新一代的变频驱动产品在设计上不断完善。

越来越多的国外企业推出了具有高性能矢量控制或直接转矩控制的通用变频器，其中以日本三菱公司的新一代通用变频器FR-A700 系列为代表，它宣称是“动态性能的一次革命”。而国内变频器目前状况是档次相对较低，市场占有率也较低，急需技术上的进步。要实现产业迅速发展的目标，研发人员首先必须对国外领导厂商的产品有一个较为全面的了解。

本文通过对FR-A700的技术指标、性能进行分析，指出相对于传统的通用变频器，三菱高端变频器在技术上的创新点，进一步观察未来变频驱动技术的发展动向，以供国内相关领域人员参考。

本文分三部分展开讨论，首先分析了FR-A700 改进的电机参数预辨识功能，然后分析了其真正的无速度传感器矢量控制技术，最后对它的速度控制部分进行了分析，阐述它是如何实现“动态性能革命”的。

1 纯静止状态下实现电机参数的预辨识

变频器的矢量控制性能在很大程度上依赖于所获得的感应电机参数，如电机的互感、定子电阻、转子电阻、定子漏感以及转子漏感的准确程度，因此需要在感应电机启动前辨识出变频器矢量控制所需的全部参数(离线辨识)。一般基于感应电机的稳态等效电路(如图1 所示)完成。

变频器的传统离线辨识方法是基于空载旋转测试或堵转测试进行的，而FR-A700 在电机纯静止时即可得到控制所需的所有参数，无需电机旋转，这是一个很大的进步。FR-A700能够做到这一点，是与三菱设计人员对动态激励(如脉冲信号)下感应电机的过渡过程的把握是分不开的。

FR-A700 的参数离线辨识功能应用更为便捷，摆脱了对应用场合的限制。

2 真正的无速度传感器矢量控制技术

由于无速度传感器矢量控制(Sensorless Vector Control——— SVC)能够提供高性价比的解决方案，已经成为通用变频器的发展方向。但大部分厂家提供的SVC控制只是针对变压变频(VVVF)控制的一种改进，比如采用磁通补偿、转差补偿的方案，但由于整个设计基于感应电机的稳态模型进行，动态特性很差。而客户期望SVC 与磁场定向控制(Field Oriented Control———FOC)差距逐步减小，能够满足高性能应用场合的要求，这对产业界是个机遇，同时也充满挑战。

近年来，已有少数高端变频器提供具备低速动态转矩控制能力的无速度传感器矢量控制，其中的代表就是FR-A700，三菱号称该产品实现了真正的无速度传感器矢量控制技术。该产品在无速度传感器条件下规格为：速度范围达1颐200(对应0.3 Hz ~60 Hz)，速度响应速率达120 rad/s(约合19 Hz)[1]。

FR-A700之所以具备低速动态转矩的控制能力，和它控制算法的改进是分不开的。

图2 所示是FR-A700 的无速度传感器矢量控制结构框图。图2 中的磁通观测器(Magnetic Flux Observer)、速度估算(Speed Estimation)是控制算法的核心部分，估算的速度用于速度控制，磁通观测器的输出用于磁通控制，同时提供磁场定向所需的信息。磁通观测和速度估算是基于实时电压、电流信息和电机参数信息完成的，不需要速度传感器，利用的是感应电机动态模型，磁通控制、速度控制、电流控制部分与带编码器时的磁场定向控制结构类似，这使得FR-A700的无速度传感器矢量控制相比传统的SVC 前进了一大步。

此外，FR-A700 还可实施在线的电阻参数自动调整，使得运行不受温度变化影响，保证始终能够高精度地获得转子速度和磁通，对温度变化的鲁棒性也是此款产品的特色之一。

可见，无速度传感器矢量控制，在提升磁通、转速估算性能的同时，并提高对温度变化的鲁棒性，这些是未来通用变频器的发展趋势之一。以FRA700为代表的高端无速度传感器矢量控制变频器的推出势必引导更多的厂商在技术上创新，进而开发出更多类似的高端产品。

3 接近伺服的速度控制性能

目前所有的变频器生产商基本上都提供矢量控制方式，并出现大量不同层次的控制结构及算法，适应不同的市场定位与需求。一般使用编码器反馈速度时，采用矢量控制方式可以达到最佳的性能。

FR-A700如果使用编码器反馈速度，速度控制性能可达到1:1 500，精度依0.01%，速度响应速率为300 rad/s(在模型自适应控制方式下，约合47.7 Hz)[1]，这在业界是领先的。[!--empirenews.page--]

速度响应速率高意味着即使当负载电机轴端遇到突然变化的负载，电机速度也不会受到太大影响。如图3 所示。

FR-A700的速度控制部分很有特色，称之为模型自适应控制，如图4 所示。

由图4 可见，通过选择参数Pr.877 可以选择速度控制的方式，当Pr.877 选择为0 时，为经典的PI 控制;当Pr.877 选择为1 时，为速度前馈控制(PI 调节+ 转矩前馈);当Pr.877 选择为2 时，为模型适应速度控制。

模型适应速度控制是FR-A700的亮点，该模式集PI 调节、转矩前馈和转速命令滤波为一体，可以同时控制转速动态响应过程、超调等指标。采用该模式控制速度，一般用户只需设置参数Pr.818 即可，该参数可以通过应用场合选择，如图5所示。高精度的工作机械需要把响应性设得高些，而在搬运等对动态性能要求不高的场合，可以把响应性设低。这样的界面大大方便了用户的现场调试，相对传统变频器开放的PI 参数，更容易选择，使得产品易用性大大提高。

与模型适应速度控制相配合的是FR-A700的惯量在线辨识功能，速度控制需要较准确的系统惯量参数。图6 表示在惯量辨识前后的速度跟随性能对比，在辨识以后，电机速度的跟随特性有了明显的改善。

可见，已经有越来越多的伺服控制技术集成到变频器中了，如上述的惯量在线辨识功能，这样变频器的控制性能也和伺服性能接近了。变频控制和伺服运动控制有逐渐融合的趋势。

4 结语

本文通过对业界领先的三菱变频器FR-A700的技术特点进行详细分析，指出了未来变频驱动技术的发展动向：

1)为了摆脱应用场合限制，提供电机纯静止下的参数离散辨识;

2)发展高动态性能、对温度鲁棒的真正的无速度传感器矢量控制技术;

3)集成伺服特有的技术，使得变频器的控制性能和伺服性能逐渐接近。