变频器的运动控制

变频驱动技术正在以出人意料的方式被用于解决各种运动控制应用的挑战，并帮助企业提高生产效率和成本效益。

变频驱动技术已经被用于控制许多机械任务以及自动化的机器人，涵盖了从制造、加工工厂到仓库及其他物流设施等应用领域。

无论在物料搬运、机械加工，还是泵及风机的应用场合，变频器都是一种经济实惠的选择，可以帮助企业优化性能、减少能耗并永久降低机器和机器人的生命周期成本。变频器可用于基本的电压模式范围内，以及运行在三相供电情况下的230V、480V或者600V电机。变频器的选择要依据电机类型、电压、额定电流、接入电源、以及输入/输出（I/O）的要求而定。其大小取决于一系列与应用相关的因素，包括电机的满负荷额定功率和满负荷状态下的最大电压。

在最基本的变频器应用中，通过调节接入电动机的电源的频率和电压，使操作人员可以将电机的速度和负载要求匹配起来。对于特定的应用，可以使电机运行在最高效的速度上，并且减少能源消耗。

变频器为有创造力的OEM行业和最终用户带来了大量可实现的潜在效率。更新的使用变频驱动技术的方式有助于解决特定的运动控制应用的挑战，并使其更加经济、利润更高。

变频器的运动控制

运动控制具有明显的时代特点，它是多种高新技术的综合，用来将工业自动化、办公自动化和家庭自动化推向更高阶段。目前的运动控制主要由变频器、电动机、控制器三部分组成。

1．变频器部分

变频器的核心是电力电子器件及控制方式。

1）电力电子器件 电力电子器件就是在电路中起通断作用并实现各种变流的器件，变频器就是这种变流的装置，因此它是随着逆变器件的发展而发展，逆变器件的好坏就要看它的通断能力，承受通断的电流和额定电压；在通断过程中损耗的大小如饱和压降和开关损耗就决定了变频器的效率和体积大小；开关损耗与开关频率有关；开关频率与噪声有关，而且与输出电压、电流波形有关。就是说电力电子器件要朝着电压高、电流大、开关频率高、导通压降小的方向发展。晶闸管是半控器件，属于第一代产品，但调制频率低、控制复杂、效率低、容量大、电压高、历史悠久，不管是用作整流还是用作逆变，都是比较成熟的。

全控器件GTO晶闸管和BJT，不管是组装直流斩波器还是组装变频器，GTO晶闸管在电力机车上的应用具有垄断性。这也是我国“八五”期间组织攻关的重大科研课题。但是将GTO晶闸管变频器用于其他地方，争议较大，原因是GTO晶闸管的关断电流增益太小，过电流保护比较困难，调制频率低。用BJT组装的直流斩波器和PWM变频器十分流行，但输出电压不超过460V，容量不超过400kW。BJT是电流驱动，功耗大，调制频率也不高，噪声还大，不如MOSFET的电压驱动简单、可靠。但后者容量更小，输出电压也更低，在市场上有竞争力的产品并不多。

在运动控制中，新一代的电力电子器件是IGBT和MCT：前者是MOS驱动BJT，优点是容量和电压都超过了BJT，有取而代之的趋势；后者MOS驱动晶闸管，理论上具有两者的优点。这两种新型器件都有成熟的产品，IGBT已发展到第四代，而且目前国外正在将微电子的生产工艺向电力电子转移，于是产生了专用集成电路（ SPIC）。把IGBT的驱动电路和保护电路复合在一起的智能器件叫IPM，还有把开关电源复合在一起的IPM，这样使变频器更加可靠，已经成为调速的主导产品，将取代直流调速，21世纪将是交流调速时代。

2）控制方式 变频器用不同的控制方式，得到的调速性能、特性及用途是不同的。控制方式大体分为开环和闭环控制。开环控制有U/f（电压与频率）成正比例的控制方式；闭环有转差频率控制和各种矢量控制。从发展历史来看，也是从开环到闭环，如今的矢量控制可以实现与直流电动机电枢电流控制相媲美。现在还可直接取交流电动机参数进行直接转矩控制，这样控制就方便准确、精度高。

2．电动机部分

运动控制中主要是电动机，但又不完全是人们熟知的电动机，这里有很多新概念，值得人去重视。

电力电子器件从交流电变为直流电容易，从直流电变为交流电困难。电力电子器件串联、并联也有一定的困难，因此希望电动机的电压和相数都要和器件密切配合，综合设计，统一考虑，不要困于原来的传统和标准。

近几年来，同步电动机在运动控制中升为一颗新星，21届IEEE国际电力电子会议曾讨论过“永磁或磁阻电动机是否将取代异步电动机在变速传动中应用”的问题，永磁同步电动机采用自控后，虽然增加了转子位置反馈环节，但去掉了起动绕组，摆脱了起动和牵人造成的设计和运行上的困难。永磁同步电动机可以是自然解耦的，电磁时间常数也较小，控制性能已经优于直流电动机，在伺服系统中取得了盟主地位。另外我国是稀土大国，应该在永磁同步电动机的研制上取得领先地位。