HARSVERT-VA系列無速度傳感器矢量控制高壓變頻調速系
2006年7月，在經歷了長時間廠內試運行后，利德華福第一臺HARSVERT-VA系列產品——DSP無速度傳感器矢量控制高壓變頻器在河南某電廠順利投入生產運行，這標志著利德華福的產品技術邁上了一個新的臺階，將國內同類產品的調速性能提高到與國外先進技術同步的水平。
HARSVERT-VA系列高壓變頻調速產品，采用高速數字信號處理器（DSP）芯片作為主控制芯片，結合先進的異步電機無速度傳感器矢量控制技術，以啟動轉矩大，動態響應快為主要特征，將大大拓寬高壓變頻器的應用領域，為用戶提供更高性能的交流傳動。
HARSVERT-VA系列無速度傳感器矢量控制高壓變頻調速系統產品具有以下主要功能：
（1） V/f比恒定控制；
（2） 無速度傳感器矢量控制；
（3） 速度閉環矢量控制；
（4） 高壓掉電恢復自動重啟；
（5） 任意轉速下旋轉啟動；
（6） 單模塊故障旁路功能；
（7） 異步電機參數自動檢測；
（8） 各種故障分類處理，盡可能保證設備連續運行；
然而，何謂DSP，何謂矢量控制，應用矢量控制會有哪些優點，矢量控制的基本原理是什么，如何使用HARSVERT-VA系列產品？從本期開始，將逐步分篇介紹DSP、矢量控制相關知識，以及HARSVERT-VA系列高壓變頻調速產品的應用知識。
第一篇 DSP與矢量控制技術的發展背景
HARSVERT-VA系列高性能高壓變頻調速產品，在以DSP為核心搭建的高性能控制器硬件平臺上，結合先進的實用化的矢量控制技術，將異步電機的控制性能提高到一個新的高度。
其中，DSP是英文Digital Signal Processor的詞頭字母縮寫，其含義為數字信號處理器，是一種對數字信號進行分析處理的專用芯片。矢量控制，在國外多稱為磁場定向控制（Field Orientation Control），其核心思想是以電機磁場為坐標軸基準方向，通過坐標變換的方法，實現對電機轉矩和磁通的解耦控制。
矢量控制與以DSP為代表的高性能處理器的結合是必然趨勢。
在上個世紀絕大部分時間里，直流電機由于其轉速的調節性能和轉矩的控制性能比較理想，在高性能變速電氣傳動領域中占統治地位。但是，直流電機結構中存在著換向器、電刷等結構，因而不能在大容量、高轉速、高可靠性、易于維護及節能等方面滿足更高的要求。
而異步電機因其結構簡單、堅固耐用、運行可靠、制造成本低、易于維護、可工作于惡劣環境等優點，在工業領域得到了廣泛的應用。但是，由于異步電機是一個高階、非線性、強耦合的多變量復雜系統，早期的研究不能很好解決它的控制和調速問題。
早期的交流電機控制多是建立在電機穩態模型的基礎上，其系統控制規律是從電機的穩態等效電路和穩態轉矩公式出發推導出的平均值控制，完全不考慮過渡過程，因而在系統設計時，不得不做出較強的假設，忽略較多因素，這就使得設計結果與實際相差較大，系統在穩定性、啟動及動態響應等方面的性能不能令人滿意。
其中比較有代表性的是V/f比恒定的變頻調壓技術。由于缺乏對轉矩的有效控制，系統帶載能力差，動態響應慢。尤其在低速時由于定子電阻壓降和逆變器互鎖效應影響加劇，使得控制性能更差，并可能產生振蕩和不穩定現象。但由于該方法實現簡單，因而被廣泛地應用于風機、水泵等調速性能要求不高的場合。目前，國內高壓變頻器生產廠商仍普遍采用這一方案。
交流電機控制真正劃時代的進步是在20世紀70年代初。1971年，美國P. C. Custman和A. A. Clark申請了專利“感應電機定子電壓的坐標變換控制”，同年，德國西門子公司的F. Blaschke等提出了“感應電機磁場定向的控制原理”，奠定了矢量控制的理論基礎。這種原理的基本出發點是：考慮到異步電機是一個多變量、強耦合、非線性的時變參數系統，很難直接通過外加信號準確控制電磁轉矩，但若以轉子磁通這一旋轉的空間矢量為參考坐標，利用從靜止坐標軸系到旋轉坐標軸系之間的變換，則可以把定子電流中的勵磁電流分量與轉矩電流分量分解成兩個垂直的直流變量，并分別進行控制。這樣，通過坐標變換重建的電動機模型就可等效為一臺直流電動機，從而可象直流電動機那樣進行快速的轉矩和磁通控制。
矢量控制實現了交流電機磁通和轉矩的解耦控制，使交流傳動系統的動態特性有了顯著的改善，開創了交流傳動的新紀元。矢量控制大大改善了異步電機的動態控制性能，使之能與直流機的控制效果相媲美。
雖然只有短短三十多年的歷史，但是結合現代控制理論的各種算法，如模糊控制、神經元網絡控制和非線性控制等，矢量控制理論顯示出了強大的生命力。現代控制理論和經典矢量控制算法的進一步結合已成為交流電機控制算法發展的一種趨勢。
再完美的控制理論，都需要基于合適的硬件載體來實現。
交流電氣傳動的蓬勃發展，一方面離不開電力電子器件不斷的發展和進步。交流調速技術的重大變革是以電力電子器件的發展為先導的。從20世紀50年代后期的可控硅（SCR），發展到60年代的門極可關斷晶閘管（GTO）、大功率雙極型晶體管（GTR），以及80年代以后出現的金屬氧化半導體場效應晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、智能功率模塊（IPM）、集成門極換向晶閘管（IGCT）等等。尤其是IGBT的出現，迅速促使成熟可靠的交流調速產品進入各個工業領域。可以說，這些新型電力電子器件的發展給高性能交流調速技術的發展奠定了堅實的物質基礎。
另一方面，交流調速控制技術，尤其是復雜的矢量控制算法的實現，離不開微處理器技術和數字化控制技術取得的巨大進步。從上世紀90年代以來，隨著大規模集成電路技術和微處理器技術的飛速發展，出現了各種高性能微處理器和控制器。特別是高速數字信號處理器（DSP）的出現，使得精度高、穩定可靠、易于調試修改的全數字化的高性能交流傳動系統成為現實。
由此可見，矢量控制核心理論的提出與以DSP為代表的高性能處理器的通用化，再加上電力電子器件取得的進步，并輔以現代控制理論，這四大因素的結合給電氣傳動領域帶來了深刻的變革，極大地改變了電氣傳動的傳統格局。可以這么說，現在的傳動領域，幾乎都是交流傳動的天下。
通過前面的陳述，可以知道具有矢量控制功能的變頻調速產品的顯著特點是，啟動轉矩大，一般可達100%~150%額定轉矩，轉矩動態響應快，帶負載能力強，適應負載波動大的場合。
利德華福致力于提供高性能、強魯棒性、高可靠的高壓變頻調速產品。公司的HARSVERT-VA系列高壓變頻調速產品，包括上述矢量控制在內的詳細性能情況，將在以后的文章里介紹。
HARSVERT-VA系列高壓變頻調速產品，采用高速數字信號處理器（DSP）芯片作為主控制芯片，結合先進的異步電機無速度傳感器矢量控制技術，以啟動轉矩大，動態響應快為主要特征，將大大拓寬高壓變頻器的應用領域，為用戶提供更高性能的交流傳動。
HARSVERT-VA系列無速度傳感器矢量控制高壓變頻調速系統產品具有以下主要功能：
（1） V/f比恒定控制；
（2） 無速度傳感器矢量控制；
（3） 速度閉環矢量控制；
（4） 高壓掉電恢復自動重啟；
（5） 任意轉速下旋轉啟動；
（6） 單模塊故障旁路功能；
（7） 異步電機參數自動檢測；
（8） 各種故障分類處理，盡可能保證設備連續運行；
然而，何謂DSP，何謂矢量控制，應用矢量控制會有哪些優點，矢量控制的基本原理是什么，如何使用HARSVERT-VA系列產品？從本期開始，將逐步分篇介紹DSP、矢量控制相關知識，以及HARSVERT-VA系列高壓變頻調速產品的應用知識。
第一篇 DSP與矢量控制技術的發展背景
HARSVERT-VA系列高性能高壓變頻調速產品，在以DSP為核心搭建的高性能控制器硬件平臺上，結合先進的實用化的矢量控制技術，將異步電機的控制性能提高到一個新的高度。
其中，DSP是英文Digital Signal Processor的詞頭字母縮寫，其含義為數字信號處理器，是一種對數字信號進行分析處理的專用芯片。矢量控制，在國外多稱為磁場定向控制（Field Orientation Control），其核心思想是以電機磁場為坐標軸基準方向，通過坐標變換的方法，實現對電機轉矩和磁通的解耦控制。
矢量控制與以DSP為代表的高性能處理器的結合是必然趨勢。
在上個世紀絕大部分時間里，直流電機由于其轉速的調節性能和轉矩的控制性能比較理想，在高性能變速電氣傳動領域中占統治地位。但是，直流電機結構中存在著換向器、電刷等結構，因而不能在大容量、高轉速、高可靠性、易于維護及節能等方面滿足更高的要求。
而異步電機因其結構簡單、堅固耐用、運行可靠、制造成本低、易于維護、可工作于惡劣環境等優點，在工業領域得到了廣泛的應用。但是，由于異步電機是一個高階、非線性、強耦合的多變量復雜系統，早期的研究不能很好解決它的控制和調速問題。
早期的交流電機控制多是建立在電機穩態模型的基礎上，其系統控制規律是從電機的穩態等效電路和穩態轉矩公式出發推導出的平均值控制，完全不考慮過渡過程，因而在系統設計時，不得不做出較強的假設，忽略較多因素，這就使得設計結果與實際相差較大，系統在穩定性、啟動及動態響應等方面的性能不能令人滿意。
其中比較有代表性的是V/f比恒定的變頻調壓技術。由于缺乏對轉矩的有效控制，系統帶載能力差，動態響應慢。尤其在低速時由于定子電阻壓降和逆變器互鎖效應影響加劇，使得控制性能更差，并可能產生振蕩和不穩定現象。但由于該方法實現簡單，因而被廣泛地應用于風機、水泵等調速性能要求不高的場合。目前，國內高壓變頻器生產廠商仍普遍采用這一方案。
交流電機控制真正劃時代的進步是在20世紀70年代初。1971年，美國P. C. Custman和A. A. Clark申請了專利“感應電機定子電壓的坐標變換控制”，同年，德國西門子公司的F. Blaschke等提出了“感應電機磁場定向的控制原理”，奠定了矢量控制的理論基礎。這種原理的基本出發點是：考慮到異步電機是一個多變量、強耦合、非線性的時變參數系統，很難直接通過外加信號準確控制電磁轉矩，但若以轉子磁通這一旋轉的空間矢量為參考坐標，利用從靜止坐標軸系到旋轉坐標軸系之間的變換，則可以把定子電流中的勵磁電流分量與轉矩電流分量分解成兩個垂直的直流變量，并分別進行控制。這樣，通過坐標變換重建的電動機模型就可等效為一臺直流電動機，從而可象直流電動機那樣進行快速的轉矩和磁通控制。
矢量控制實現了交流電機磁通和轉矩的解耦控制，使交流傳動系統的動態特性有了顯著的改善，開創了交流傳動的新紀元。矢量控制大大改善了異步電機的動態控制性能，使之能與直流機的控制效果相媲美。
雖然只有短短三十多年的歷史，但是結合現代控制理論的各種算法，如模糊控制、神經元網絡控制和非線性控制等，矢量控制理論顯示出了強大的生命力。現代控制理論和經典矢量控制算法的進一步結合已成為交流電機控制算法發展的一種趨勢。
再完美的控制理論，都需要基于合適的硬件載體來實現。
交流電氣傳動的蓬勃發展，一方面離不開電力電子器件不斷的發展和進步。交流調速技術的重大變革是以電力電子器件的發展為先導的。從20世紀50年代后期的可控硅（SCR），發展到60年代的門極可關斷晶閘管（GTO）、大功率雙極型晶體管（GTR），以及80年代以后出現的金屬氧化半導體場效應晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、智能功率模塊（IPM）、集成門極換向晶閘管（IGCT）等等。尤其是IGBT的出現，迅速促使成熟可靠的交流調速產品進入各個工業領域。可以說，這些新型電力電子器件的發展給高性能交流調速技術的發展奠定了堅實的物質基礎。
另一方面，交流調速控制技術，尤其是復雜的矢量控制算法的實現，離不開微處理器技術和數字化控制技術取得的巨大進步。從上世紀90年代以來，隨著大規模集成電路技術和微處理器技術的飛速發展，出現了各種高性能微處理器和控制器。特別是高速數字信號處理器（DSP）的出現，使得精度高、穩定可靠、易于調試修改的全數字化的高性能交流傳動系統成為現實。
由此可見，矢量控制核心理論的提出與以DSP為代表的高性能處理器的通用化，再加上電力電子器件取得的進步，并輔以現代控制理論，這四大因素的結合給電氣傳動領域帶來了深刻的變革，極大地改變了電氣傳動的傳統格局。可以這么說，現在的傳動領域，幾乎都是交流傳動的天下。
通過前面的陳述，可以知道具有矢量控制功能的變頻調速產品的顯著特點是，啟動轉矩大，一般可達100%~150%額定轉矩，轉矩動態響應快，帶負載能力強，適應負載波動大的場合。
利德華福致力于提供高性能、強魯棒性、高可靠的高壓變頻調速產品。公司的HARSVERT-VA系列高壓變頻調速產品，包括上述矢量控制在內的詳細性能情況，將在以后的文章里介紹。
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