变频器自动化控制分类及展望浅析

变频器自动化控制分类及展望浅析

姚林国

（马尔科液压升降平台（宁波）有限公司浙江宁波315200）

摘要：变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向，而作为变频调速系统的核心—变频器的性能也越来越成为调速性能优劣的决定因素，除了变频器本身制造工艺的“先天”条件外，对变频器采用什么样的控制方式也是非常重要的。本文从工业实际出发，综述了近年来各种变频器控制方式的特点，并展望了今后的发展方向。

关键词：变频器；控制；自动化

在工业化的自动化控制技术中，设备的变频器控制技术、嵌入式的设备微控技术、触摸屏幕的控制技术是自动化技术控制中较为重要的技术方面，合理的分析相关的工业技术应用原理和相关结构，从中分析相关自动化技术的工作重点设计步骤，认识相关技术的工作作用，从而有效的总结工业自动化控制技术在实际的工业生产中的作用，完善我国整体工业生产中生产产量与生产质量的有效控制，从而逐步的降低生产成本能耗，保证工业化自动技术监控的合理应用，完善未来整体工业化国际的发展。

1变频器控制方式的分类

1.1非智能控制方式

（1）V/F=C正弦脉宽调制（SPWM）控制方式

V/F控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。采用V/F控制方式的变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。

（2）矢量控制（磁场定向法）

矢量控制（又称VC控制）变频调速系统的方法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic、通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于直流电动机与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。

（3）直接转矩控制

直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器（Band-Band控制），把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的误差范围内，误差的大小由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。

（4）矩阵式交-交方式VVVF变频、矢量控制

变频、直接转矩控制变频都是交-直-交变频控制方式中的一种，其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流回路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交-交变频应运而生。由于矩阵式交-交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦波且能四象限运行，系统的功率密度大。

（5）最优控制

最优控制是基于最优控制理论，根据最优控制的理论对某一个控制要求进行个别参数的最优化。在实际的应用中，控制系统根据要求的不同而有所不同，例如在高压变频器的控制中，就成功的采用了时间分段控制和相位平移控制两种策略，以实现一定条件下的电压最优波形。

1.2智能控制方式

（1）神经网络控制

神经网络控制方式通常应用在比较复杂的变频调速控制系统中，由于对于系统的模型了解甚少，因此神经网络既要完成系统辨识的功能，又要进行控制。而且神经网络控制方式可以同时控制多个变频器，因此神经网络控制应用于多个变频器级联控制系统时比较适合。但是神经网络的层数太多或者算法过于复杂都会在具体应用中带来不少实际困难。

（2）模糊控制

将模糊控制算法应用于变频调速控制系统中，通过控制变频器的电压和频率，使电动机的升速时间得到控制，以避免升速过快对电动机使用寿命的影响；以及升速过慢影响系统的工作效率。模糊控制的关键在于论域、隶属度以及模糊级别的划分，这种控制方式尤其适用于多输入单输出的控制系统。

（3）专家系统

专家系统是利用所谓“专家”的经验进行控制的一种控制方式，因此，专家系统中一般要建立一个专家库，存放一定的专家信息，另外还要有推理机制，以便于根据已知信息寻求理想的控制结果。专家库与推理机制的设计是尤为重要的，关系着专家系统控制的优劣。应用专家系统既可以控制变频器的电压，又可以控制其电流。

（4）学习控制

学习控制主要是用于重复性的输入，规则的PWM信号（例如中心调制PWM）恰好满足这个条件，因此学习控制也可用于变频器的控制中。学习控制不需要了解太多的系统信息，但是需要1～2个学习周期，因此快速性相对较差。

2变频器控制的展望

随着电力电子技术、微电子技术、计算机网络等高新技术的发展，变频器的控制方式今后将向以下几个方面发展。

2.1数字控制变频器的实现

现在，变频器的控制方式用数字处理器可以实现比较复杂的运算，变频器数字化将是一个重要的发展方向，目前进行变频器数字化主要采用单片机MCS51或80C196MC等，辅助以SLE4520或EPLD液晶显示器等来实现更加完善的控制性能。

2.2多种控制方式的结合

单一的控制方式有着各自的优缺点，并没有“万能”的控制方式，在有些控制场合，需要将一些控制方式结合起来，例如将学习控制与神经网络控制相结合，自适应控制与模糊控制相结合，直接转矩控制与神经网络控制相结合，或者称之为“混合控制”，这样取长补短，控制效果将会更好。

2.3远程控制的实现

计算机网络的发展，使“天涯若咫尺”，依靠计算机网络对变频器进行远程控制也是一个发展方向。通过RS485接口及一些网络协议对变频器进行远程控制，这样在有些不适合于人类进行现场操作的场合，也可以很容易的实现控制目标。

2.4绿色变频器

随着可持续发展战略的提出，对于环境的保护越来越受到人们的重视。变频器产生的高次谐波对电网会带来污染，降低变频器工作时的噪声以及增强其工作的可靠性、安全性等等这些问题，都试图通过采取合适的控制方式来解决，设计出绿色变频器。

3.结束语

变频器的控制方式是一个值得研究的问题，依靠致力于这项工作的有识之士的共同努力，使国产变频器早日走向世界市场并且成为一流的产品。变频器的控制方式代表着变频器的性能和水平，在工程应用中根据不同的负载及不同控制要求，合理选择变频器及控制方式，以达到资源的最佳配置，具有重要的意义。

参考文献：

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[2]许大中.交流电机调速理论[M].杭州：浙江大学出版社，1991.

[3]傅娟.交流调速技术[M].北京：电子工业出版社，2002.