1. 無速度傳感器矢量控制到底是個(gè)什么東西1.1 從“瞎子爬山”說起很多人第一次聽到“無速度傳感器矢量控制”這個(gè)詞腦子里冒出來的第一反應(yīng)就是——不用編碼器還能做矢量控制這不是瞎搞嗎我剛開始接觸這個(gè)技術(shù)的時(shí)候也是這么想的。畢竟矢量控制的核心就是把交流電機(jī)當(dāng)成直流電機(jī)來管要分別控制勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流而轉(zhuǎn)矩電流的分配又嚴(yán)重依賴轉(zhuǎn)子磁鏈的位置和速度信息。沒有速度傳感器這些信息從哪來后來搞明白了其實(shí)原理并不復(fù)雜。無速度傳感器矢量控制業(yè)內(nèi)常簡稱“無PG矢量”PG就是Pulse Generator脈沖編碼器的意思本質(zhì)上就是讓變頻器自己通過電機(jī)端電壓和電流的采樣用一套算法去“猜”轉(zhuǎn)子現(xiàn)在轉(zhuǎn)到哪了、轉(zhuǎn)多快。這個(gè)“猜”的過程專業(yè)術(shù)語叫轉(zhuǎn)速估計(jì)或者磁鏈觀測(cè)。你可以把它想象成一個(gè)人蒙著眼睛在熟悉的房間里走路。他雖然看不見但通過腳底的感覺、空氣的流動(dòng)、記憶中的家具位置照樣能摸到開關(guān)。無PG矢量控制就是讓變頻器具備這種“盲走”能力——通過電機(jī)數(shù)學(xué)模型和實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)推算出轉(zhuǎn)子的位置和速度。1.2 為什么工程上這么在意“無PG”道理很簡單編碼器是個(gè)好東西但它也是個(gè)麻煩制造者。成本一臺(tái)像樣的增量式編碼器加上聯(lián)軸器、屏蔽電纜、安裝支架少說幾百塊多則上千。如果是多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)這個(gè)成本乘以電機(jī)數(shù)量賬就不好看了。布線編碼器信號(hào)線需要屏蔽需要遠(yuǎn)離動(dòng)力線走線距離還有限制?，F(xiàn)場(chǎng)施工的時(shí)候電工師傅最煩的就是這種“嬌氣”的線。環(huán)境適應(yīng)性高溫、高濕、粉塵、振動(dòng)——這些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的家常便飯對(duì)編碼器來說都是殺手。我見過太多編碼器因?yàn)檩S端油封漏油、振動(dòng)導(dǎo)致碼盤碎裂的案例。維護(hù)編碼器壞了換一個(gè)不難但排查故障麻煩。有時(shí)候是編碼器本身的問題有時(shí)候是電纜的問題有時(shí)候是變頻器接口板的問題現(xiàn)場(chǎng)沒有經(jīng)驗(yàn)的人很容易誤判。所以當(dāng)變頻器廠商告訴你“不用編碼器也能做到閉環(huán)矢量控制的性能”時(shí)很多做傳動(dòng)的人眼睛是亮的。這意味著系統(tǒng)更簡單、更便宜、更皮實(shí)。1.3 無PG矢量控制能用到什么程度這是本文要回答的核心問題。我先給一個(gè)概括性的結(jié)論在大部分通用工業(yè)傳動(dòng)場(chǎng)景下無PG矢量控制已經(jīng)足夠好用但在低速、高精度、大慣量、快速響應(yīng)的場(chǎng)合它仍然有明確的邊界。具體來說無PG矢量控制目前能做到調(diào)速范圍一般1:100到1:200高端產(chǎn)品能做到1:500甚至更高低速性能最低穩(wěn)定運(yùn)行頻率通常在0.5Hz到1Hz左右取決于品牌和算法速度控制精度穩(wěn)態(tài)精度一般在0.5%到1%左右轉(zhuǎn)矩響應(yīng)比V/F控制快得多但比帶編碼器的閉環(huán)矢量要慢啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到150%到200%額定轉(zhuǎn)矩這些指標(biāo)放在實(shí)際工程里意味著風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、傳送帶、攪拌機(jī)、擠出機(jī)等大多數(shù)負(fù)載無PG矢量控制都能勝任。但如果是電梯、起重、軋機(jī)、高精度卷繞這類場(chǎng)合編碼器還是省不掉。2. 無PG矢量控制的核心原理拆解2.1 矢量控制的基本框架要理解無PG矢量控制得先知道帶編碼器的矢量控制是怎么工作的。交流異步電機(jī)的矢量控制核心思想是把定子電流分解成兩個(gè)分量一個(gè)用來建立磁場(chǎng)勵(lì)磁分量一個(gè)用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩分量。這兩個(gè)分量在空間上正交就像直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組和電樞繞組一樣。要實(shí)現(xiàn)這種分解必須知道轉(zhuǎn)子磁鏈的實(shí)時(shí)位置——也就是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)現(xiàn)在指向哪個(gè)方向。帶編碼器的系統(tǒng)里這個(gè)位置信息直接來自編碼器脈沖計(jì)數(shù)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、可靠。變頻器拿到轉(zhuǎn)速和位置后通過電機(jī)參數(shù)模型計(jì)算出轉(zhuǎn)差頻率再加上實(shí)際轉(zhuǎn)速就得到了同步頻率進(jìn)而確定磁鏈角度。無PG矢量控制沒有編碼器轉(zhuǎn)速信息沒了怎么辦只能靠“觀測(cè)”。這就是各種轉(zhuǎn)速估計(jì)算法的用武之地。2.2 模型參考自適應(yīng)MRAS——最經(jīng)典的方案MRASModel Reference Adaptive System是無PG矢量控制里最常被提到的算法之一。它的思路很巧妙參考模型基于電機(jī)定子電壓方程用實(shí)際測(cè)量的電壓和電流計(jì)算出轉(zhuǎn)子磁鏈。這個(gè)模型不依賴轉(zhuǎn)速信息所以是“可靠”的?？烧{(diào)模型基于電機(jī)轉(zhuǎn)子方程用估計(jì)的轉(zhuǎn)速去計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈。這個(gè)模型依賴轉(zhuǎn)速而轉(zhuǎn)速正是我們要估計(jì)的量。自適應(yīng)律比較兩個(gè)模型輸出的磁鏈用它們的誤差通過一個(gè)PI調(diào)節(jié)器去修正估計(jì)轉(zhuǎn)速直到兩個(gè)模型的磁鏈一致。打個(gè)比方你有兩個(gè)鐘一個(gè)是用太陽位置判斷時(shí)間的日晷參考模型一個(gè)是可以調(diào)快慢的機(jī)械鐘可調(diào)模型。你不斷比較兩個(gè)鐘的讀數(shù)如果機(jī)械鐘走快了就調(diào)慢一點(diǎn)走慢了就調(diào)快一點(diǎn)最終讓機(jī)械鐘和日晷同步。這個(gè)“調(diào)整”的過程就是自適應(yīng)律。MRAS的優(yōu)點(diǎn)是算法相對(duì)簡單、計(jì)算量小、在額定轉(zhuǎn)速附近精度不錯(cuò)。缺點(diǎn)是低速時(shí)定子電阻壓降占比大參考模型的磁鏈計(jì)算誤差會(huì)明顯增大導(dǎo)致轉(zhuǎn)速估計(jì)不準(zhǔn)。所以純MRAS方案在低速段往往需要配合其他手段。2.3 高頻信號(hào)注入——低速段的補(bǔ)充手段為了解決低速問題業(yè)界發(fā)展出了高頻信號(hào)注入法?；舅悸肥窃陔姍C(jī)定子電壓上疊加一個(gè)高頻小信號(hào)然后通過檢測(cè)對(duì)應(yīng)的高頻電流響應(yīng)來判斷轉(zhuǎn)子的凸極位置。這種方法對(duì)永磁同步電機(jī)特別有效因?yàn)橛来烹姍C(jī)轉(zhuǎn)子有天然的凸極效應(yīng)d軸和q軸電感不同。對(duì)于異步電機(jī)雖然凸極效應(yīng)弱一些但通過飽和效應(yīng)也能提取出位置信息。高頻注入的好處是低速甚至零速都能工作不依賴反電動(dòng)勢(shì)。缺點(diǎn)是會(huì)帶來額外的噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)而且對(duì)電流采樣精度要求很高。實(shí)際產(chǎn)品里很多變頻器采用“低速高頻注入高速M(fèi)RAS”的混合方案在切換點(diǎn)做平滑過渡。2.4 全階狀態(tài)觀測(cè)器與擴(kuò)展卡爾曼濾波除了MRAS還有兩類算法在高端變頻器里常見全階狀態(tài)觀測(cè)器把電機(jī)看成一個(gè)狀態(tài)空間系統(tǒng)用龍伯格觀測(cè)器或者降階觀測(cè)器去估計(jì)轉(zhuǎn)速和磁鏈。這類方法理論嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?jì)算量大對(duì)電機(jī)參數(shù)準(zhǔn)確性要求高。擴(kuò)展卡爾曼濾波EKF把轉(zhuǎn)速也當(dāng)成一個(gè)狀態(tài)變量用卡爾曼濾波框架進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)。EKF的抗噪聲能力強(qiáng)但計(jì)算量更大參數(shù)整定也更復(fù)雜。這兩種方案在工業(yè)變頻器里都有應(yīng)用但通常出現(xiàn)在中高端產(chǎn)品線上。對(duì)于大多數(shù)通用場(chǎng)景MRAS加上一些工程修正已經(jīng)夠用了。3. 工程應(yīng)用中的實(shí)際邊界在哪里3.1 低速性能——最大的軟肋無PG矢量控制最讓人糾結(jié)的就是低速性能。我實(shí)測(cè)過幾個(gè)主流品牌的變頻器在0.5Hz以下運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差明顯增大轉(zhuǎn)矩輸出也不夠穩(wěn)定。有些品牌在0.2Hz左右就基本失去矢量控制能力退化成V/F模式了。為什么會(huì)這樣根本原因在于低速時(shí)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)很小定子電阻壓降占端電壓的比例很大。而電阻會(huì)隨溫度變化變頻器內(nèi)部的電阻參數(shù)辨識(shí)再準(zhǔn)也不可能實(shí)時(shí)跟蹤繞組溫度變化。電阻估計(jì)偏了磁鏈觀測(cè)就不準(zhǔn)轉(zhuǎn)速估計(jì)自然跟著偏。另外低速時(shí)電流采樣的信噪比也會(huì)下降。變頻器里的電流傳感器一般量程是按額定電流選的低速小電流時(shí)采樣分辨率不夠也會(huì)影響估計(jì)精度。實(shí)操心得如果你的應(yīng)用確實(shí)需要在1Hz以下長期穩(wěn)定運(yùn)行而且對(duì)轉(zhuǎn)矩精度有要求我的建議是老老實(shí)實(shí)裝編碼器。不要跟物理規(guī)律較勁。3.2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)——夠用但不夠快無PG矢量控制的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間一般在10ms到50ms量級(jí)而帶編碼器的閉環(huán)矢量可以做到5ms以內(nèi)。這個(gè)差距在大多數(shù)負(fù)載下感覺不明顯但在快速加減速、負(fù)載突變、多電機(jī)同步等場(chǎng)合就會(huì)暴露出來。舉個(gè)例子一臺(tái)擠出機(jī)螺桿負(fù)載在啟動(dòng)瞬間會(huì)有很大的慣性轉(zhuǎn)矩。無PG矢量控制雖然能輸出足夠的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩但在負(fù)載突變的瞬間轉(zhuǎn)速會(huì)有明顯的跌落恢復(fù)時(shí)間也比帶編碼器方案長。如果產(chǎn)品對(duì)擠出尺寸精度要求很高這個(gè)轉(zhuǎn)速波動(dòng)就可能影響產(chǎn)品質(zhì)量。再比如多電機(jī)同步傳動(dòng)比如紡織機(jī)械里的多輥同步。無PG矢量控制每臺(tái)變頻器都是獨(dú)立估計(jì)轉(zhuǎn)速電機(jī)之間沒有機(jī)械連接轉(zhuǎn)速估計(jì)的微小差異會(huì)導(dǎo)致同步誤差累積。這種場(chǎng)合要么用帶編碼器的方案要么用共直流母線加同步控制卡。3.3 參數(shù)敏感性——電機(jī)參數(shù)辨識(shí)是前提無PG矢量控制對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴比V/F控制大得多。定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻、漏感、互感——這些參數(shù)哪怕有一個(gè)不準(zhǔn)轉(zhuǎn)速估計(jì)就會(huì)出問題。所以幾乎所有支持無PG矢量的變頻器都要求做電機(jī)參數(shù)自辨識(shí)也叫自整定、自學(xué)習(xí)。這個(gè)過程通常分靜態(tài)辨識(shí)和動(dòng)態(tài)辨識(shí)兩步靜態(tài)辨識(shí)變頻器向電機(jī)注入直流或低頻交流信號(hào)測(cè)量定子電阻和漏感。此時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)或微動(dòng)。動(dòng)態(tài)辨識(shí)變頻器讓電機(jī)空載旋轉(zhuǎn)測(cè)量轉(zhuǎn)子電阻和互感。此時(shí)電機(jī)必須能自由旋轉(zhuǎn)不能帶負(fù)載。注意事項(xiàng)動(dòng)態(tài)辨識(shí)時(shí)一定要確保電機(jī)脫開負(fù)載否則辨識(shí)出的參數(shù)會(huì)嚴(yán)重偏離實(shí)際值。我見過有人帶著減速機(jī)做辨識(shí)結(jié)果轉(zhuǎn)子電阻辨識(shí)偏大好幾倍后來運(yùn)行時(shí)報(bào)過流故障查了半天才發(fā)現(xiàn)是辨識(shí)沒做對(duì)。另外電機(jī)參數(shù)會(huì)隨溫度變化。冷態(tài)和熱態(tài)的定子電阻可能差20%以上。高端變頻器會(huì)有熱模型補(bǔ)償?shù)ㄓ卯a(chǎn)品往往就按冷態(tài)參數(shù)跑。如果你的應(yīng)用環(huán)境溫度變化大或者電機(jī)長期高溫運(yùn)行無PG矢量的性能會(huì)打折扣。3.4 適用負(fù)載類型分析不是所有負(fù)載都適合無PG矢量控制。我按負(fù)載特性分幾類來說負(fù)載類型典型設(shè)備無PG矢量適用性說明平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載風(fēng)機(jī)、水泵非常適合對(duì)低速性能要求低節(jié)能效果明顯恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載傳送帶、攪拌機(jī)適合中高速段性能足夠啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也夠用大慣量負(fù)載離心機(jī)、破碎機(jī)勉強(qiáng)可用啟動(dòng)時(shí)間長轉(zhuǎn)速估計(jì)容易發(fā)散快速響應(yīng)負(fù)載卷繞、同步傳動(dòng)不推薦動(dòng)態(tài)響應(yīng)跟不上精度不夠位能負(fù)載起重、電梯不建議零速需要滿轉(zhuǎn)矩?zé)oPG方案做不到高精度負(fù)載軋機(jī)、數(shù)控不適用精度和響應(yīng)都達(dá)不到要求這張表是我自己根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的不一定全面但大方向應(yīng)該沒錯(cuò)。你可以對(duì)照自己的應(yīng)用場(chǎng)景看看落在哪個(gè)區(qū)間。4. 實(shí)操無PG矢量控制的調(diào)試與優(yōu)化4.1 調(diào)試前的準(zhǔn)備工作在開始調(diào)試無PG矢量控制之前有幾件事必須確認(rèn)電機(jī)銘牌參數(shù)核對(duì)。額定電壓、額定電流、額定頻率、額定轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)、接法——這些參數(shù)必須和實(shí)際電機(jī)一致。我遇到過有人把380V電機(jī)接在400V電源上銘牌參數(shù)按380V輸入結(jié)果空載電流偏大矢量控制效果很差。后來把電壓改成400V問題就解決了。電機(jī)絕緣檢查。用兆歐表測(cè)一下繞組對(duì)地絕緣確保沒有接地或短路。矢量控制對(duì)電流采樣很敏感絕緣有問題會(huì)導(dǎo)致采樣異常。電纜長度和屏蔽。變頻器到電機(jī)的電纜不宜過長一般建議不超過50米具體看變頻器手冊(cè)。電纜太長會(huì)導(dǎo)致分布電容增大電流采樣受干擾。如果必須長距離要考慮加輸出電抗器。編碼器接口確認(rèn)。雖然是無PG方案但有些變頻器在調(diào)試階段可以臨時(shí)接編碼器來驗(yàn)證轉(zhuǎn)速估計(jì)的準(zhǔn)確性。如果你手頭有編碼器不妨接上對(duì)比一下心里有底。4.2 電機(jī)參數(shù)自辨識(shí)的詳細(xì)步驟以我手頭一臺(tái)匯川變頻器為例說一下參數(shù)辨識(shí)的流程。不同品牌操作界面不同但邏輯是相通的。第一步輸入電機(jī)銘牌參數(shù)進(jìn)入?yún)?shù)菜單找到電機(jī)參數(shù)組依次輸入額定功率額定電壓額定電流額定頻率額定轉(zhuǎn)速功率因數(shù)電機(jī)接法星形/三角形這些參數(shù)必須準(zhǔn)確。特別是額定電流和功率因數(shù)直接影響定子電阻和互感的辨識(shí)結(jié)果。第二步靜態(tài)辨識(shí)將電機(jī)脫開負(fù)載確?？梢宰杂尚D(zhuǎn)。選擇“靜態(tài)辨識(shí)”或“參數(shù)自學(xué)習(xí)1”變頻器會(huì)向電機(jī)注入直流和低頻信號(hào)測(cè)量定子電阻和漏感。這個(gè)過程通常持續(xù)幾十秒到幾分鐘電機(jī)會(huì)有輕微抖動(dòng)或嗡嗡聲屬于正?，F(xiàn)象。靜態(tài)辨識(shí)完成后變頻器會(huì)顯示辨識(shí)出的定子電阻和漏感值。你可以和電機(jī)手冊(cè)上的典型值對(duì)比一下如果偏差超過20%建議檢查接線和參數(shù)輸入。第三步動(dòng)態(tài)辨識(shí)選擇“動(dòng)態(tài)辨識(shí)”或“參數(shù)自學(xué)習(xí)2”變頻器會(huì)讓電機(jī)加速到一定轉(zhuǎn)速再減速測(cè)量轉(zhuǎn)子電阻和互感。這個(gè)過程電機(jī)會(huì)實(shí)際旋轉(zhuǎn)務(wù)必確保安全。動(dòng)態(tài)辨識(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子電阻的測(cè)量很關(guān)鍵。轉(zhuǎn)子電阻直接影響轉(zhuǎn)差頻率的計(jì)算進(jìn)而影響轉(zhuǎn)速估計(jì)精度。如果辨識(shí)不準(zhǔn)低速時(shí)轉(zhuǎn)速估計(jì)會(huì)明顯偏差。實(shí)操心得動(dòng)態(tài)辨識(shí)時(shí)如果電機(jī)帶著慣性負(fù)載比如大風(fēng)扇辨識(shí)結(jié)果會(huì)偏。最好把負(fù)載脫開或者至少確保負(fù)載慣量遠(yuǎn)小于電機(jī)慣量。我試過帶風(fēng)扇做辨識(shí)結(jié)果轉(zhuǎn)子電阻偏小后來運(yùn)行時(shí)低速轉(zhuǎn)矩不足重新脫開負(fù)載辨識(shí)才正常。4.3 速度環(huán)和電流環(huán)的整定參數(shù)辨識(shí)完成后接下來是控制環(huán)的整定。無PG矢量控制一般有電流環(huán)和速度環(huán)兩個(gè)調(diào)節(jié)器。電流環(huán)整定電流環(huán)是內(nèi)環(huán)響應(yīng)要快。大多數(shù)變頻器會(huì)自動(dòng)根據(jù)電機(jī)參數(shù)計(jì)算電流環(huán)PI參數(shù)一般不需要手動(dòng)調(diào)。如果發(fā)現(xiàn)電流波形振蕩或者響應(yīng)太慢可以適當(dāng)調(diào)整電流環(huán)比例增益和積分時(shí)間。比例增益增大響應(yīng)變快但太大容易振蕩積分時(shí)間減小消除靜差變快但太小也會(huì)振蕩。速度環(huán)整定速度環(huán)是外環(huán)直接影響轉(zhuǎn)速控制效果。速度環(huán)的比例增益決定轉(zhuǎn)速偏差的響應(yīng)速度積分時(shí)間決定消除靜差的速度。我的經(jīng)驗(yàn)是先設(shè)一個(gè)較小的比例增益和較大的積分時(shí)間然后逐步增大比例增益直到轉(zhuǎn)速出現(xiàn)輕微振蕩再回調(diào)一點(diǎn)。接著逐步減小積分時(shí)間直到消除靜差同時(shí)不引起振蕩。對(duì)于無PG矢量控制速度環(huán)的帶寬不能設(shè)得太高因?yàn)檗D(zhuǎn)速估計(jì)本身有延遲和噪聲。一般速度環(huán)帶寬設(shè)在10Hz到30Hz左右比較合適。設(shè)太高了轉(zhuǎn)速估計(jì)的噪聲會(huì)被放大導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。4.4 低速性能的優(yōu)化技巧如果你發(fā)現(xiàn)低速時(shí)轉(zhuǎn)速估計(jì)不準(zhǔn)或者轉(zhuǎn)矩不足可以嘗試以下幾個(gè)方法降低載波頻率。載波頻率高電流采樣次數(shù)多但開關(guān)損耗大。低速時(shí)適當(dāng)降低載波頻率可以增大電流采樣窗口提高采樣精度。不過載波頻率太低會(huì)導(dǎo)致噪聲增大需要權(quán)衡。開啟死區(qū)補(bǔ)償。逆變器開關(guān)死區(qū)會(huì)導(dǎo)致輸出電壓畸變低速時(shí)這個(gè)畸變占的比例很大。開啟死區(qū)補(bǔ)償可以改善低速性能。大多數(shù)變頻器都有這個(gè)功能默認(rèn)可能是關(guān)閉的建議打開。調(diào)整轉(zhuǎn)速估計(jì)器參數(shù)。有些變頻器允許調(diào)整MRAS自適應(yīng)律的PI參數(shù)。增大比例增益可以加快轉(zhuǎn)速估計(jì)的收斂速度但太大容易振蕩增大積分增益可以減小穩(wěn)態(tài)誤差但響應(yīng)會(huì)變慢。這個(gè)需要根據(jù)具體負(fù)載試。使用低頻轉(zhuǎn)矩提升。有些變頻器在無PG矢量模式下提供“低頻轉(zhuǎn)矩提升”功能本質(zhì)上是在低速時(shí)額外增加一些電壓補(bǔ)償定子電阻壓降。這個(gè)功能對(duì)啟動(dòng)重載有幫助但設(shè)太大容易導(dǎo)致過流。5. 常見問題與排查實(shí)錄5.1 啟動(dòng)時(shí)報(bào)過流或失速這是無PG矢量控制最常見的故障之一?？赡艿脑蚝团挪榉椒ìF(xiàn)象可能原因排查方法啟動(dòng)瞬間過流電機(jī)參數(shù)辨識(shí)不準(zhǔn)重新做靜態(tài)和動(dòng)態(tài)辨識(shí)啟動(dòng)時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)或抖動(dòng)相序接反調(diào)換任意兩相接線啟動(dòng)時(shí)報(bào)失速啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升或改用帶編碼器方案加速過程中過流加速時(shí)間太短延長加速時(shí)間負(fù)載突變時(shí)過流速度環(huán)響應(yīng)太慢適當(dāng)增大速度環(huán)比例增益我遇到過一個(gè)案例一臺(tái)攪拌機(jī)無PG矢量控制啟動(dòng)時(shí)頻繁過流。查了參數(shù)辨識(shí)、接線、加速時(shí)間都沒問題。后來發(fā)現(xiàn)是攪拌槳葉被物料卡住負(fù)載轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)超電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。這種場(chǎng)合無PG矢量控制確實(shí)無能為力只能換大電機(jī)或者改用帶編碼器的方案。5.2 低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大低速轉(zhuǎn)速波動(dòng)是無PG矢量控制的典型問題。排查思路首先確認(rèn)是不是機(jī)械問題。負(fù)載本身有沒有周期性變化聯(lián)軸器有沒有松動(dòng)軸承有沒有磨損這些機(jī)械問題會(huì)被誤認(rèn)為是電氣問題。檢查電機(jī)參數(shù)是否準(zhǔn)確。特別是定子電阻低速時(shí)影響最大。如果變頻器有在線電阻估計(jì)功能建議開啟。檢查電流采樣是否正常。用鉗形表測(cè)一下實(shí)際電流和變頻器顯示值對(duì)比。如果偏差大可能是電流傳感器問題。嘗試調(diào)整轉(zhuǎn)速估計(jì)器參數(shù)。如果變頻器允許適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速估計(jì)的帶寬犧牲一點(diǎn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)換取穩(wěn)定性。考慮負(fù)載特性。如果負(fù)載本身在低速時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大比如柱塞泵、壓縮機(jī)無PG矢量控制很難做到平穩(wěn)。這種場(chǎng)合要么避開低速運(yùn)行區(qū)要么用帶編碼器方案。5.3 轉(zhuǎn)速估計(jì)偏差大有時(shí)候變頻器顯示的轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速對(duì)不上偏差可能達(dá)到幾十轉(zhuǎn)甚至上百轉(zhuǎn)。這個(gè)問題在低速時(shí)尤其明顯。用編碼器對(duì)比驗(yàn)證。如果條件允許臨時(shí)接一個(gè)編碼器對(duì)比變頻器顯示的轉(zhuǎn)速和編碼器實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速。這樣可以判斷是估計(jì)偏差還是顯示問題。檢查電機(jī)極對(duì)數(shù)設(shè)置。極對(duì)數(shù)設(shè)錯(cuò)了轉(zhuǎn)速顯示會(huì)成比例偏差。這個(gè)錯(cuò)誤很常見特別是維修后換了不同極數(shù)的電機(jī)。檢查額定轉(zhuǎn)速和額定頻率。這兩個(gè)參數(shù)決定了同步轉(zhuǎn)速如果設(shè)錯(cuò)轉(zhuǎn)速估計(jì)會(huì)整體偏移。檢查負(fù)載是否匹配。如果電機(jī)長期過載或欠載轉(zhuǎn)速估計(jì)也會(huì)偏。過載時(shí)轉(zhuǎn)差增大估計(jì)器如果沒補(bǔ)償好就會(huì)偏。5.4 切換時(shí)電流沖擊有些變頻器支持無PG矢量和V/F模式自動(dòng)切換。在切換點(diǎn)附近如果切換邏輯沒做好會(huì)出現(xiàn)電流沖擊。設(shè)置合適的切換頻率。一般建議在1Hz到3Hz之間切換。太低無PG矢量已經(jīng)不穩(wěn)定了太高V/F模式在高速段效率低。開啟切換平滑功能。很多變頻器有切換時(shí)的電流限幅和相位平滑功能建議開啟。如果切換沖擊嚴(yán)重考慮固定一種模式。如果應(yīng)用場(chǎng)景不需要寬調(diào)速范圍干脆一直用無PG矢量或者一直用V/F避免切換帶來的麻煩。6. 無PG矢量與帶編碼器方案的選型對(duì)比6.1 成本對(duì)比項(xiàng)目無PG矢量帶編碼器閉環(huán)矢量變頻器價(jià)格較低較高需要編碼器接口板編碼器價(jià)格無幾百到幾千元電纜成本普通動(dòng)力電纜屏蔽電纜成本更高安裝成本低需要安裝編碼器、聯(lián)軸器、支架維護(hù)成本低編碼器是易損件維護(hù)成本高調(diào)試成本需要參數(shù)辨識(shí)需要編碼器接線和參數(shù)設(shè)置從純成本角度看無PG矢量方案有明顯優(yōu)勢(shì)。特別是多電機(jī)系統(tǒng)省下的編碼器和電纜成本很可觀。6.2 性能對(duì)比指標(biāo)無PG矢量帶編碼器閉環(huán)矢量調(diào)速范圍1:100~1:2001:1000以上最低穩(wěn)定頻率0.5~1Hz0Hz零速滿轉(zhuǎn)矩速度控制精度0.5%~1%0.01%~0.1%轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間10~50ms5ms以內(nèi)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩150%~200%200%以上參數(shù)敏感性高中環(huán)境適應(yīng)性好差編碼器怕惡劣環(huán)境這張表可以幫你快速判斷該選哪種方案。如果你的應(yīng)用指標(biāo)落在無PG矢量的能力范圍內(nèi)那就大膽用如果接近邊界或者超出就別省編碼器的錢了。6.3 混合方案——取長補(bǔ)短有些場(chǎng)合可以采用混合方案正常運(yùn)行時(shí)用無PG矢量需要高精度時(shí)切換到帶編碼器模式?；蛘叩退儆镁幋a器高速用無PG矢量。這種方案在一些高端變頻器里已經(jīng)內(nèi)置了。比如電梯變頻器低速爬行段用編碼器保證平層精度高速段用無PG矢量節(jié)省編碼器磨損。不過這種方案調(diào)試復(fù)雜需要仔細(xì)設(shè)計(jì)切換邏輯。7. 幾個(gè)真實(shí)工程案例的復(fù)盤7.1 案例一水泥廠風(fēng)機(jī)改造某水泥廠一臺(tái)75kW窯尾風(fēng)機(jī)原來用液力耦合器調(diào)速能耗高。改造方案是加裝變頻器采用無PG矢量控制。風(fēng)機(jī)是典型的平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載低速時(shí)轉(zhuǎn)矩需求小無PG矢量控制完全夠用。改造后按風(fēng)量需求調(diào)速節(jié)電率約30%。運(yùn)行兩年多沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)速估計(jì)問題。這個(gè)案例說明對(duì)于風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載無PG矢量控制是性價(jià)比最高的方案。7.2 案例二化工廠攪拌機(jī)一臺(tái)45kW反應(yīng)釜攪拌機(jī)物料粘度變化大有時(shí)需要低速攪拌。最初用無PG矢量控制中高速?zèng)]問題但低速時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大影響反應(yīng)效果。后來改用帶編碼器的閉環(huán)矢量方案低速穩(wěn)定性明顯改善。雖然增加了編碼器和電纜成本但產(chǎn)品質(zhì)量提升帶來的收益更大。這個(gè)案例說明負(fù)載特性變化大、低速性能要求高的場(chǎng)合編碼器還是省不掉。7.3 案例三污水處理廠提升泵三臺(tái)30kW提升泵兩用一備。采用無PG矢量控制運(yùn)行良好。泵類負(fù)載對(duì)轉(zhuǎn)速精度要求不高無PG矢量完全勝任。唯一遇到的問題是其中一臺(tái)泵在檢修后重新啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速估計(jì)偏差大。后來發(fā)現(xiàn)是檢修時(shí)電機(jī)接線相序變了調(diào)換相序后正常。這個(gè)案例說明無PG矢量控制對(duì)相序敏感維修后要注意檢查。7.4 案例四紡織機(jī)械多電機(jī)同步一臺(tái)紡織機(jī)械8臺(tái)1.5kW電機(jī)同步傳動(dòng)。最初嘗試無PG矢量控制但各電機(jī)轉(zhuǎn)速估計(jì)有微小差異導(dǎo)致布面張力不均。后來改用共直流母線方案加裝同步控制卡各電機(jī)轉(zhuǎn)速由同一給定信號(hào)控制問題解決。這個(gè)案例說明多電機(jī)同步場(chǎng)合無PG矢量控制的獨(dú)立估計(jì)模式不適用。8. 選型與調(diào)試的幾條硬核經(jīng)驗(yàn)8.1 什么情況下必須用編碼器根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)以下場(chǎng)合不要猶豫直接上編碼器需要零速滿轉(zhuǎn)矩起重、電梯、卷揚(yáng)需要高精度速度控制軋機(jī)、數(shù)控、印刷需要快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)伺服替代、飛剪、追剪多電機(jī)嚴(yán)格同步紡織、造紙、拉絲低速長期運(yùn)行且轉(zhuǎn)矩要求高擠出機(jī)、注塑機(jī)負(fù)載慣量遠(yuǎn)大于電機(jī)慣量破碎機(jī)、離心機(jī)這些場(chǎng)合如果硬用無PG矢量調(diào)試會(huì)非常痛苦而且效果不一定好。8.2 什么情況下無PG矢量是首選風(fēng)機(jī)、水泵類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載傳送帶、攪拌機(jī)等恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載調(diào)速范圍要求不寬1:50以內(nèi)低速運(yùn)行時(shí)間短環(huán)境惡劣編碼器容易損壞成本敏感預(yù)算有限多電機(jī)但不需要嚴(yán)格同步這些場(chǎng)合用無PG矢量省心省錢。8.3 調(diào)試時(shí)的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)不管什么品牌這幾個(gè)參數(shù)對(duì)無PG矢量控制效果影響最大電機(jī)額定電流必須準(zhǔn)確影響定子電阻辨識(shí)電機(jī)額定功率因數(shù)影響互感辨識(shí)載波頻率影響電流采樣精度和噪聲速度環(huán)比例增益影響動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性速度環(huán)積分時(shí)間影響穩(wěn)態(tài)精度低速轉(zhuǎn)矩提升影響低速帶載能力轉(zhuǎn)速估計(jì)器帶寬影響估計(jì)精度和抗擾能力這些參數(shù)沒有萬能值需要根據(jù)具體電機(jī)和負(fù)載試。我的建議是先按變頻器默認(rèn)值跑觀察運(yùn)行效果再針對(duì)性調(diào)整。8.4 一個(gè)容易被忽略的細(xì)節(jié)電機(jī)電纜電機(jī)電纜的長度和質(zhì)量對(duì)無PG矢量控制影響很大。電纜太長分布電容大電流采樣受干擾電纜太細(xì)壓降大電壓采樣不準(zhǔn)。我的經(jīng)驗(yàn)是盡量用短電纜盡量用屏蔽電纜盡量把屏蔽層兩端接地。如果電纜必須很長考慮加輸出電抗器或者dv/dt濾波器。還有一點(diǎn)多臺(tái)變頻器共用一根電纜溝時(shí)變頻器輸出電纜之間要隔開一定距離避免相互干擾。這個(gè)在施工規(guī)范里有要求但現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常被忽略。9. 無PG矢量控制的未來走向從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看無PG矢量控制還在進(jìn)步。幾個(gè)方向值得關(guān)注算法融合MRAS加高頻注入加全階觀測(cè)器的混合方案越來越成熟低速性能在改善。一些高端變頻器已經(jīng)能做到0.1Hz穩(wěn)定運(yùn)行。參數(shù)自適應(yīng)的改進(jìn)在線電阻估計(jì)、溫度補(bǔ)償、參數(shù)自校正等功能在普及減少了對(duì)初始辨識(shí)精度的依賴。計(jì)算能力的提升新一代變頻器處理器性能更強(qiáng)可以運(yùn)行更復(fù)雜的觀測(cè)器算法估計(jì)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)都在提高。與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合變頻器可以記錄運(yùn)行數(shù)據(jù)通過云端分析優(yōu)化參數(shù)甚至預(yù)測(cè)維護(hù)需求。這為無PG矢量控制的遠(yuǎn)程調(diào)試和優(yōu)化提供了新可能。不過物理規(guī)律還是繞不過去的。零速滿轉(zhuǎn)矩、極高精度、極快響應(yīng)這些需求編碼器方案在可預(yù)見的未來仍然是首選。無PG矢量控制的目標(biāo)不是取代編碼器而是在夠用的場(chǎng)合提供更簡單、更經(jīng)濟(jì)的方案。10. 我個(gè)人在實(shí)際操作中的幾點(diǎn)體會(huì)干了這么多年傳動(dòng)我對(duì)無PG矢量控制的態(tài)度是能用但要知道它的邊界在哪里。剛?cè)胄械臅r(shí)候聽說不用編碼器也能做矢量控制覺得特別神奇恨不得所有場(chǎng)合都用。后來踩了幾次坑才明白任何技術(shù)都有適用范圍。無PG矢量控制在風(fēng)機(jī)水泵上表現(xiàn)優(yōu)秀在攪拌傳送上中規(guī)中矩在起重卷繞上力不從心。關(guān)鍵是根據(jù)負(fù)載特性選對(duì)方案而不是迷信某一種技術(shù)。調(diào)試無PG矢量控制最深的體會(huì)是電機(jī)參數(shù)辨識(shí)是根基。根基不牢后面怎么調(diào)都是白搭。我現(xiàn)在的習(xí)慣是每次調(diào)試新系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)至少做兩遍靜態(tài)一遍動(dòng)態(tài)一遍對(duì)比結(jié)果確認(rèn)無誤再往下走。還有一點(diǎn)不要怕用默認(rèn)值。很多變頻器廠商的默認(rèn)參數(shù)是經(jīng)過大量測(cè)試的對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)和典型負(fù)載默認(rèn)值往往比你自己瞎調(diào)要好。先跑默認(rèn)值觀察效果再針對(duì)性調(diào)整比一上來就大改參數(shù)要穩(wěn)妥得多。最后記錄調(diào)試過程。每次調(diào)試把電機(jī)參數(shù)、辨識(shí)結(jié)果、關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行效果都記下來。下次遇到類似系統(tǒng)可以直接參考省時(shí)省力。我這些年積累的調(diào)試筆記比任何手冊(cè)都管用。