无传感器交流驱动器填补了价格/性能利基

关键词

电机，驱动器和运动控制

• 交流变速驱动器

• 交流感应电机

• 自适应控制

来自他们的名字的争议权，'无传感器'交流驱动器实际上使用电流和电压传感器来实现电机控制。即使超出术语，也不明显无传感器交流驱动器可以或不能做什么，以及它们适合大局。

无传感器交流驱动器填充高性能闭环控制和交流感应电机的更简单的开环（或V / Hz）控制之间的中间地点。定价与交付性能相称。大多数无传感器交流驱动器基于各种磁通载体方法之一，因此松散地称为无传感器矢量（SV）控制（参见基础侧边栏）。

罗克韦尔自动化的力技术使用一个简化的终端电压模型作为电机参考。该模型基于对电机运行过程中温度变化不敏感的参数。

为什么无传感器控制？

简而言之，无传感器控制实现了接近闭环的性能，没有电机反馈装置，并降低了生命周期成本。几乎所有的驱动器制造商都提供SV控制模型。

对于施耐德电气/Square D Co. (Raleigh, N.C.)来说，SV驱动器的吸引力在于“以最小的额外成本”获得更高的性能。施耐德电气(Schneider Electric)传动系统市场经理苏珊•鲍勒(Susan Bowler)列举了低速运转、扭矩、响应能力和定位能力等优点。她说，由于无传感器交流驱动器的性能正在接近伺服驱动器，它们在需要更精确负载定位的领域得到了更广泛的应用。

施耐德电气第三代Altivar SV驱动具有自动调谐功能，用户无需输入电机数据。通过自动调谐，从驱动器发送的直流脉冲询问电机的特性。选择系统中最接近的电机模型进行控制，并提供电流和电压反馈。Bowler女士解释说，因此，随着电机特性的变化，该驱动器将继续优化电机性能。知道电机的类型后，控制算法计算出适用于电机的最优电压，以建立一个命令速度参考的最大转矩产生。马达模型还考虑到了热效应。

Baldor Electric Co. (Fort Smith, Ark.)认为SV控制相对于V/Hz控制有几个好处。其中，提高了低速运转，改变负载时调速性能更好，高摩擦或惯性负载时启动扭矩更大。这些特性使SV技术成为通用、恒定扭矩应用的“控制选择”。Baldor产品经理Roddy Yates说:“对于可变扭矩应用来说，V/Hz逆变器仍然占据开环市场的最大份额。

巴尔多将其SV产品称为“无编码器矢量控制”。耶茨解释说，这些定子磁通型驱动器仅使用电机电流反馈，通过PWM波形估计电机电压他补充说，控制算法还可以估计电机滑转、转子转速和其他运行参数。

与V/Hz驱动器相比，SV驱动器提供了真正的改进，但这仍然不能使其具备闭环性能。Yates先生通过在Baldor进行的测试，对各种SV驱动器的性能提出了一些见解。（参见www.globalelove.com上的在线附加文章。）

罗克韦尔自动化(Rockwell Automation, Mequon, wisconsin .)的工程顾问Russ Kerkman指出，SV驱动性能与测量的电机参数数量成正比。更简单的驱动只依赖于相电流测量，而电子“观察者”可以估计电压。出于安全原因，母线电压也被感知。

低速

无传感器控制的一个重要问题是低速限制，低于低速限制扭矩控制就变得不切实际。Kerkman博士引用了典型的有效速度范围为60:1 (1 Hz min);更高性能的SV驱动器提供120:1的范围，从基本速度(或大约14-15 rpm为60赫兹电机)。接近零速度的控制是有可能的，但并不常见。他说，大多数应用程序都不需要它。

如果远低于0.5 Hz，就会变得复杂和昂贵。使用更多的传感器，仔细匹配电机的驱动器，调谐任务，更长的调试时间都涉及。高端SV驱动器在电流传感的基础上增加了电压传感，以帮助低速运行。Kerkman博士认为，增加电压传感器的成本可以占到一个标准控制板成本的40-50%。

从西门子能源与自动化（Alpharetta，Ga.）的角度来看，大多数交流传动销售“默认”为SV控制。西门子E&A解决方案业务部门交流驱动器产品经理Dave Kirkpatrick解释说，通量矢量控制（FVC）驱动器对少数需要更严格的速度控制和零速扭矩控制的苛刻应用具有吸引力。FVC驱动器（编码器、电缆等）的复杂性和成本也导致销量较低。他说，开环（V/Hz）驱动器占了更多的单位销售额，但低于SV。

低速能力限制还取决于诸如惯性和负载变化等因素。操作在1hz是“相当舒适的”扭矩控制;Kirkpatrick先生解释说，大约0.5 Hz是可能的，这取决于应用，但低于0.5 Hz就很难控制SV。

根据Dr.-Ing。Dieter Eckardt，系统技术经理，标准驱动器研发，在西门子自动化和驱动器（德国Erlangen），低速控制的选择是1）使用非常完整的电机模型来帮助观察事件并降低临界速度范围, 2) switch to open-loop control for this portion of the control, or 3) extend parameter identification using ‘test signals’ that measure the field or rotating frequency via current signatures. This method is still in the research phase.

在ABB的直接转矩控制方法中，电机模型中计算的参数会根据电流和电压测量值不断更新。

直接扭矩控制

ABB对无传感器矢量控制的回答是它所谓的直接转矩控制（DTC）。DTC于1995年推出，它包含单独的速度和扭矩控制回路（见图）DTC从一开始就是作为一种无传感器控制体系结构开发的。威斯康星州新柏林ABB Automation New Berlin交流传动研发部经理Kalyan Gokhale说，这是一种“本土”的无传感器转矩控制方法，而不是矢量控制。

DTC消除了典型矢量驱动中的脉宽调制器级，因为控制中不存在明确的电流调节器或逆变器电压指令。Gokhale先生解释说，取而代之的是，使用电机磁通和转矩估计来闭合两个（滞后）回路。此外，没有中间转矩或磁通产生电流回路。

“磁滞控制回路的输出是最优的逆变器状态，可以快速准确地实现所需的磁通和转矩，”他说。控制回路每25次运行一次

只需要电机铭牌数据作为DTC的输入。ABB Premium AC驱动器专门使用DTC技术。www.globalelove.com上的更多SV产品详细信息。

比闭环更难

一些制造商表示，在某些方面，SV控制比闭环控制更难实现。在没有电机轴信息的情况下工作意味着电机模型必须非常精确。

通用电气东芝自动化系统(GE Toshiba Automation Systems, Salem, Va.)战略营销经理罗德尼•a•菲克勒(Rodney A. Fickler)说:“模型的准确性是避免因发动机模型预测错误而修改驱动器点火控制而引起高转矩波动的关键。”通过改进的电机模型，可以根据电机运行条件的变化调整估算值，GE Toshiba报告称，“在特定的滑差或负载条件下”，扭矩波动从最初的7%降至不到2%。

当电机接近零速时，模型的适应能力最为重要，此时模型误差显著增加。一些规格的驱动器可以帮助衡量电机模型的适应精度。Fickler先生建议寻找扭矩调节精度，通常在1-2%范围内，稳态速度精度为额定速度的0.1%。

但是，即使是最新的建模和适应方法也无法匹配闭环性能。Fickler先生（和其他）同意，编码器反馈需要实现全转矩和高精度的转矩调节在或接近零的速度（典型地在5％的基础速度意义）或用以改善速度调节至0.01％的额定速度。

'推断电机状况而不是在它们上行动需要时间，“Fickler先生表示，他们建议在选择SV驱动器时检查响应速度。他注意到“敏感”和无传感器驱动器之间的响应差异高达15：1。“在处理高性能应用程序时，必须考虑这一点，”他补充道。

电机建模和自适应的进步为交流传动带来了成本降低的进一步好处。参见在线额外文章www.globalelove.com了解更多关于SV驱动器的这方面和其他成本方面的信息。

GE Fuji Drives USA (Salem, Va.)的工程经理John a. Cline也同意，从计算意义上讲，SV控制比闭环FVC更复杂，尽管没有闭环FVC那么精确。

此外，数学模型的质量和用于输入的电机参数决定了矢量控制的性能。克莱恩认为SV驱动器的自动调谐功能“对于获得准确的电机参数至关重要”。他指出，电机参数在正常运行期间会发生剧烈变化。

在GE富士公司的AF-300 G11驱动器中，在线调谐是动态力矩矢量控制(DTVC)不可或缺的一部分。但自动调整远远不止于轻松驱动初创公司。DTVC有一个跟踪电机动作的程序，查找由于温度或负载变化而引起的参数变化。克莱恩补充说:“电机参数在运行过程中会不断评估，并用于独特的数学模型中，以调整电压和电流，即使在低速时也能实现最优的电机控制。”

在三菱电气，先进的磁通量矢量控制（AMFVC）代表最新的无传感器技术。It refines a prior method developed in 1993 to exploit ‘increased torque and rotational stability, at low speeds, for ac induction motors without the need of an encoder.’ AMFVC offers ‘improved speed control and torque emulation,’ according to Wayne Kantarek, marketing manager, AC Drives, at Mitsubishi Electric Automation (Vernon Hills, Ill.).

Kantarek先生同意SV控制的好处延伸到大多数恒定扭矩应用，特别是需要高启动扭矩和低速平滑的应用。他认为SV驱动的性能已经达到了一个临界点，用户可以将交流控制的优势应用于直流控制。

三菱的SV控制始于电机的内部特性模型。坎塔莱克表示，“电机模型精度越高，变频器控制下的电机性能就越好。”自动调谐允许逆变器每隔几毫秒采样电机参数。然后，逆变器将输出电流分成励磁相和产生转矩相两部分。他解释说，各自的补偿电压被考虑在内，以保持感应电机的初级磁通在一个稳定的值。进一步的数学运算在AMFVC的滑差频率计算部分进行。

限制和可能性

Yaskawa Electrice看着无传感器矢量控制作为AC感应电机控制的有价值的方法，但不能与闭环通量矢量方法一样。Yaskawa Electric America（Waukegan，Ill.）的首席研发工程师Mahesh M. Swamy。描述了从实际情况下控制SV控制的一些限制。转矩控制在零转速下是不可能的，但安川SV驱动装置可提供100%的扭矩，从1%额定转速开始。速度控制取决于计算滑移速度的准确性，而滑移速度又取决于对温度敏感的电机参数。Swamy博士解释说，为了提高结果，驱动器的滑差计算器有一个术语来补偿温度，但它的固定值不会随着电机温度而变化。

进车操作转矩控制模式通常是不可用的，因为SV控制需要速度参考来产生扭矩参考。处理能力是另一个因素，因为SV控制比闭环矢量控制更加计算。“高速处理器的选择对于无传感器矢量控制很重要，”他说。

另一个SV驱动限制是无能为力的多个电动机，具有独立的速度控制。“多个电机应用程序，共享一个变速驱动器仍然只有一个可行的解决方案，V / Hz逆变器”，Baldor的Yates说。

“以更低的成本提高性能”是通用富士公司对SV控制的展望。通过更快的cpu，改进的电机模型将成为可能。不过，克莱恩说，尽管有了这些改进，但大多数交流驱动应用仍会对更简单的V/Hz控制完全满意。

施耐德电气的Bowler女士展望了SV控制的进一步发展，特别是在更高功率水平下的低速性能。其他改进将通过更快的微处理器、dsp和集成外设来实现，这些外设能够更快地响应速度和负载变化。

GE TOSHIBA的Fickler先生认为无传感器和闭环交流驱动器之间的性能差异将在未来几年内削弱。“然而，不确定无传感器交流驱动器将是所有应用的解决方案，”他的结论是。

欲了解更多供应商，请访问www.globalelove.com/buyersguide；有关更多信息，请使用以下圆圈编号，或访问www.globalelove.com/freeinfo：神甫www.abb.com/motors& drives.246

巴尔多电动www.baldor.com.247

通用富士驱动器www.geindustrial.com/

industrialsystems/products/drives.jsp248

GE TOSHIBA自动化www.getoshiba.com249

三菱电机www.meau.com250

罗克韦尔自动化www.rockwellautomation.com251

施耐德电气www.squared.com.252

西门子E＆Awww.sea.siemens.com.253

Yaskawa Electric.www.yaskawa.com254

在线：访问controleng.com了解更多信息：无传感器交流驱动开发

产品和公司

控制技术255

丹佛斯驱动器256

Eurotherm驱动器257

日立258

TB伍兹259

进一步阅读，见CE，1996年9月，第99-106页。

无传感器的控制基础

尽管这个名字很吸引人，但无传感器交流驱动依靠电流和电压传感器电路来弥补闭环控制中电机轴反馈的不足。复杂的电机模型和数学密集型算法通过更快的处理器转换传感器输入，从而得出交流感应电机控制所需的磁通和扭矩组件。

大多数无传感器交流驱动器为无传感器矢量（SV）类型。直接扭矩控制（DTC）是另一种选择（参见DTC图）。

SV驱动器有不同的口味。在高端，是源自闭环（面向磁场）磁通矢量控制的产品，并基于推断的转子通量信息（参见SFOC图）。罗克韦尔自动化工程顾问Russ Kerkman解释说，SV驱动器较少的SV驱动器基于定子磁通推动和更简单的控制算法。

估计滑移频率或转子的旋转频率是SV技术的难题。一个或另一个数量对于控制是必不可少的。它真的是一个两个部分问题，解释了德国西门子自动化＆驾驶的系统技术，标准驱动器研发经理Dieter Eeckardt。“高速，电机场可以直接从后电动势（EMF）计算。然而，在低速下，难以计算零定子频率附近的定子通量。他说，在零频率，定子通量理论上是不可观察的。