第一階段:
1.八十年代初日本學者提出了基本磁通軌跡的電壓空間矢量(或稱磁通軌跡法)。該方法以三相波形的整體生成效果為前提,以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的,一次生成二相調制波形。這種方法被稱為電壓空間矢量控制。典型機種如1989年前后進入中國市場的FUJI(富士)FRN5OOOG5/P5、SANKEN(三墾)MF系列等。
2.引人頻率補償控制,以消除速度控制的穩態誤差
3.基于電機的穩態模型,用直流電流信號重建相電流,如西門子MicroMaster系列,由此估算出磁鏈幅值,并通過反饋控制來消除低速時定子電阻對性能影響。
4.將輸出電壓、電流進行閉環控制,以提高動態負載下的電壓控制精度和穩定度,同時也一定程度上求得電流波形的改善。這種控制方法的另一個好處是對再生引起的過電壓、過電流抑制較為明顯,從而可以實現快速的加減速。
之后,1991年由富士電機推出大家熟知的FVR與FRNG7/P7系列的設計中,不同程度融入了2.3.4.項技術,因此很具有代表性。三菱日立,東芝也都有類似的產品。然而,在上述四種方法中,由于未引入轉矩的調節,系統性能沒有得到根本性的改善.
第二階段:
矢量控制。也稱磁場定向控制。它是七十年代初由西德F.Blasschke等人首先提出,以直流電動機和交流電動機比較的方法分析闡述了這一原理,由此開創了交流電動機等效直流電動機控制的先河。它使人們看到交流電動機盡管控制復雜,但同樣可以實現轉矩、磁場獨立控制的內在本質。
矢量控制的基本點是控制轉子磁鏈,以轉子磁通定向,然后分解定子電流,使之成為轉矩和磁場兩個分量,經過坐標變換實現正交或解耦控制。但是,由于轉子磁鏈難以準確觀測,以及矢量變換的復雜性,使得實際控制效果往往難以達到理論分析的效果,這是矢量控制技術在實踐上的不足。此外.它必須直接或間接地得到轉子磁鏈在空間上的位置才能實現定子電流解耦控制,在這種矢量控制系統中需要配留轉子位置或速度傳感器,這顯然給許多應用場合帶來不便。僅管如此,矢量控制技術仍然在努力融入通用型變頻器中,1992年開始,德國西門子開發了6SE70通用型系列,通過FC、VC、SC板可以分別實現頻率控制、矢量控制、伺服控制。1994年將該系列擴展至315KW以上。目前,6SE70系列除了200KW以下價格較高,在200KW以上有很高的性價比。
第三階段:
1985年德國魯爾大學Depenbrock教授首先提出直接轉矩控制理論(DirectTorqueControl簡稱DTC)。直接轉矩控制與矢量控制不同,它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩,而是把轉矩直接作為被控量來控制。
轉矩控制的優越性在于:轉矩控制是控制定子磁鏈,在本質上并不需要轉速信息;控制上對除定子電阻外的所有電機參數變化魯棒性良好;所引入的定子磁鍵觀測器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地實現無速度傳感器化。這種控制方法被應用于通用變頻器的設計之中,是很自然的事,這種控制被稱為無速度傳感器直接轉矩控制。然而,這種控制依賴于精確的電機數學模型和對電機參數的自動識別(Identification向你ID),通過ID運行自動確立電機實際的定子阻抗互感、飽和因素、電動機慣量等重要參數,然后根據精確的電動機模型估算出電動機的實際轉矩、定子碰鏈和轉子速度,并由磁鏈和轉矩的Band-Band控制產生PWM信號對逆變器的開關狀態進行控制。這種系統可以實現很快的轉矩響應速度和很高的速度、轉矩控制精度。
1995年ABB公司首先推出的ACS600直接轉矩控制系列,已達到<2ms的轉矩響應速度在帶PG時的靜態速度精度達土O.01%,在不帶PG的情況下即使受到輸入電壓的變化或負載突變的影響,向樣可以達到正負0.1%的速度控制精度。其他公司也以直接轉矩控制為努力目標,如安川VS-676H5高性能無速度傳感器矢量控制系列,雖與直接轉矩控制還有差別,但它也已做到了100ms的轉矩響應和正負0.2%(無PG),正負0.01%(帶PG)的速度控制精度,轉矩控制精度在正負3%左右。其他公司如日本富士電機推出的FRN5000G9/P9以及最新的FRN5000Gll/P11系列出采取了類似無速度傳感器控制的設計,性能有了進一步提高,然而變頻器的價格并不比以前的機型昂貴多少。
控制技術的發展完全得益于微處理機技術的發展,自從1991年INTEL公司推出8X196MC系列以來,專門用于電動機控制的芯片在品種、速度、功能、性價比等方面都有很大的發展。如日本三菱電機開發用于電動機控制的M37705、M7906單片機和美國德州儀器的TMS320C240DSP等都是頗具代表性的產品。