變頻器的控制方式(下)

4　有速度傳感器矢量控制方式
4．1　基本概念
　　有速度傳感器的矢量控制方式，主要用于高精度的速度控制、轉(zhuǎn)矩控制、簡單伺服控制等對控制性能要求嚴(yán)格的使用場合。在該方式下采用的速度傳感器一般是旋轉(zhuǎn)編碼器，并安裝在被控電動機的軸端，而不是象閉環(huán)v/f控制安裝編碼器或接近開關(guān)那樣隨意。在很多時候，為了描述上的方便，也把有速度傳感器的矢量控制方式稱為閉環(huán)矢量控制或有pg反饋矢量控制，本文為了不與運行方式中的pid閉環(huán)控制相混淆，以及與無速度傳感器矢量控制相對應(yīng)，基本采用“有速度傳感器矢量控制方式”這種稱呼。
　　有速度傳感器矢量控制方式的變頻調(diào)速是一種理想的控制方式，它有許多優(yōu)點:
(1)可以從零轉(zhuǎn)速起進行速度控制，即使低速亦能運行，因此調(diào)速范圍很寬廣，可達1000:1;
(2)可以對轉(zhuǎn)矩實行精確控制;
(3)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度甚快;
(4)電動機的加速度特性很好等優(yōu)點。
4．2　編碼器pg接線與參數(shù)
　　矢量變頻器與編碼器pg之間的連接方式，必須與編碼器pg的型號相對應(yīng)。一般而言，編碼器pg型號分差動輸出、集電極開路輸出和推挽輸出三種，其信號的傳遞方式必須考慮到變頻器pg卡的接口，因此選擇合適的pg卡型號或者設(shè)置合理的跳線至關(guān)重要。前者的典型代表是安川vs g7變頻器，后者的典型代表為艾默生td3000變頻器。
　　以安川vs g7變頻器為例，其用于帶速度傳感器矢量控制方式安裝的pg卡類型主要有兩種:
(1) pg－b2卡，含a/b相脈沖輸入，對應(yīng)補碼輸出，如圖1所示。

圖1　pg－b2卡與編碼器接線圖

(2) pg－x2卡，含a/b/z相脈沖輸入，對應(yīng)線驅(qū)動，如圖2所示。

圖2　pg－x2卡與編碼器接線圖

　　艾默生td3000變頻器的pg卡是統(tǒng)一配置的，比較高輸入頻率為120khz，它與不同的編碼器pg接線時，只需注意接線方式和跳線cn4。當(dāng)跳線cn4位于di側(cè)時，可以選擇編碼器信號由a+、a－、b＋、b－差動輸出(如圖3所示)或者a＋、b＋推挽輸出(如圖5所示);當(dāng)跳線cn4位于oci側(cè)時，可以選擇編碼器信號由a－、b－開路集電極輸出(如圖4所示)。

圖3　差動輸出編碼器接線圖

圖4　集電極開路輸出編碼器(加上虛線為電壓型輸出編碼器)接線圖

　　在變頻器的參數(shù)組中對于編碼器pg都有比較嚴(yán)格的定義，這些定義包括:
(1)編碼器pg每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)。此參數(shù)可以查看編碼器本身的技術(shù)指標(biāo)，單位為p/r。
(2)編碼器pg方向選擇。如果變頻器pg卡與編碼器pg接線次序代表的方向，和變頻器與電動機連接次序代表的方向匹配，設(shè)定值應(yīng)為正向，否則為反向。必須注意當(dāng)方向選擇錯誤時，變頻器將無法加速到你所需要的頻率，并報過流故障或編碼器反向故障。更改此參數(shù)可方便地調(diào)整接線方向的對應(yīng)關(guān)系，而無須重新接線。

圖5　推挽輸出編碼器接線圖

圖6　編碼器pg的方向選擇

　　圖6中所示為安川vs g7變頻器的編碼器pg方向選擇示意。編碼器pg從輸入軸看時順時針方向cw旋轉(zhuǎn)時，為a相超前，另外，正轉(zhuǎn)指令輸出時，電動機從輸出側(cè)看時逆時針ccw旋轉(zhuǎn)。然而，一般的編碼器pg在電動機正轉(zhuǎn)時，安裝在負(fù)載側(cè)時為a相超前，安裝在與負(fù)載側(cè)相反時b相超前。
(3) 編碼器pg斷線動作。如果編碼器pg斷線(即pgo)，變頻器將無法得到速度反饋值，將立即報警并輸出電壓被關(guān)閉，電動機自由滑行停車，在停車過程中，故障將無法復(fù)位，直到停機為止。
(4) 編碼器pg斷線檢測時間。一般為10s以下，以確認(rèn)在此時間內(nèi)編碼器pg的斷線故障是否持續(xù)存在。
(5) 零速檢測值。本參數(shù)是為了檢測編碼器pg斷線而定義的功能，當(dāng)設(shè)定頻率大于零速檢測值，而反饋速度小于零速檢測值，并且持續(xù)時間在編碼器pg斷線檢測時間參數(shù)以上，則變頻器確認(rèn)為編碼器pg斷線故障(pgo)成立。
(6) 編碼器pg與電動機之間的齒輪齒數(shù)。本參數(shù)是為了適應(yīng)編碼器安裝在齒輪電動機上的情況，可設(shè)定齒輪齒數(shù)。由電動機轉(zhuǎn)速公式可以得出:
電動機速度(r/min)=(從編碼器pg輸入的脈沖數(shù)×60)×(負(fù)載側(cè)齒輪齒數(shù) / 電動機側(cè)齒輪齒數(shù))/編碼器pg的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)
(7) 檢出電動機的過速度。電動機超過規(guī)定以上的轉(zhuǎn)速時，檢出故障。通常設(shè)定100％～120％的比較大頻率為檢出過速度的基準(zhǔn)值，如果在預(yù)定的時間內(nèi)頻率持續(xù)超出該值，則定義為電動機過速度故障(os)。如發(fā)生該故障，變頻器自由停車。
(8) 檢出電動機和速度指令的速度差。我們定義電動機的實際速度和設(shè)定速度的差值為速度偏差，如果在一定的時間內(nèi)其速度偏差值持續(xù)超出某一范圍值(如10％時)，則檢出速度偏差過大(dev)。如發(fā)生該故障，變頻器可以按照預(yù)先設(shè)定的故障停機方式停機。
4．3　帶速度傳感器矢量控制與閉環(huán)v/f控制的區(qū)別
　　帶速度傳感器矢量控制與閉環(huán)v/f控制在安裝編碼器pg上有共同點，而且都有類似的pid環(huán)以及相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，好像給人一種雷同的感覺。但兩者存在著很大的區(qū)別，主要一點在于前者是矢量控制，而后者屬于傳統(tǒng)的v/f控制。

圖7　帶速度傳感器矢量控制原理框圖

圖8　閉環(huán)v/f控制原理框圖

　　我們對比一下帶速度傳感器矢量控制與閉環(huán)v/f控制的原理框圖，如圖7、圖8中所示。矢量控制時的速度控制asr是把速度指令和速度反饋信號進行差值比較，然后進行pi控制后，經(jīng)過一定的濾波時間，再經(jīng)過轉(zhuǎn)矩限定，輸出轉(zhuǎn)矩電流，進入轉(zhuǎn)矩環(huán)控制;而閉環(huán)v/f控制是將速度指令和速度反饋信號的偏差調(diào)為零，pid的結(jié)果只是去直接控制變頻器的頻率輸出。
　　除了控制原理上的區(qū)分外，帶速度傳感器矢量控制與閉環(huán)v/f控制還有以下幾點不同:
(1) 控制精度不同。帶速度傳感器矢量控制的速度控制精度能達到0.05％，而閉環(huán)v/f控制則只有0.5％(相當(dāng)于無傳感器矢量控制的水平)。
(2) 啟動轉(zhuǎn)矩不同。帶速度傳感器矢量控制的啟動轉(zhuǎn)矩可達到200％/0hz，而閉環(huán)v/f控制則只有180％/0.5hz。
(3) 安裝方式不一樣。帶速度傳感器矢量控制的編碼器安裝要求非常嚴(yán)格，必須與電動機或者齒輪電動機的軸一致;而閉環(huán)v/f控制則可以安裝在傳動點的任意一個位置。
(4) 編碼器選型不一樣。帶速度傳感器矢量的編碼器要求比較嚴(yán)格，通常都要求二相輸入;而閉環(huán)v/f控制則可以只要求一相輸入，甚至可以用高性能接近開關(guān)替代。
(5)編碼器斷線停機方式不一樣。帶速度傳感器矢量控制的編碼器斷線故障檢出后，將不得不自由停車;而閉環(huán)v/f控制還可以在頻率指令下繼續(xù)開環(huán)v/f控制運行。

5　轉(zhuǎn)矩控制方式
5.1　基本概念
　　采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動機相媲美，而且可以控制異步電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。
5.2　轉(zhuǎn)矩控制功能結(jié)構(gòu)

圖9　轉(zhuǎn)矩控制功能框圖

　　轉(zhuǎn)矩控制根據(jù)不同的數(shù)學(xué)算法其功能結(jié)構(gòu)也不同，圖9是一種典型的采用矢量方式實現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩控制功能框圖。先是根據(jù)轉(zhuǎn)矩設(shè)定值計算出轉(zhuǎn)差頻率，并與變頻器獲得的反饋速度(一般用編碼器pg)或是直接推算的電動機速度相加，在速度限制下輸出同步頻率。很顯然，在轉(zhuǎn)矩控制方式下，速度調(diào)節(jié)器asr并不起直接作用，也無法控制速度。
　　轉(zhuǎn)矩控制時，變頻器的輸出頻率自動跟蹤負(fù)載速度的變化，但輸出頻率的變化受設(shè)定的加速和減速時間影響，如需要加快跟蹤的速度，需要將加速和減速時間設(shè)得短一些。
　　轉(zhuǎn)矩分正向轉(zhuǎn)矩和反向轉(zhuǎn)矩，其設(shè)定可以通過模擬量端子的電平來決定，該轉(zhuǎn)矩方向與運行指令的方向(即正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn))無關(guān)。當(dāng)模擬量信號為0～10v時，為正轉(zhuǎn)矩，即電動機正轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)矩指令(從電動機的輸出軸看是逆時針轉(zhuǎn));當(dāng)模擬量信號為－10v～0時，為負(fù)轉(zhuǎn)矩，即電動機反轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)矩指令(從電動機的輸出軸看是順時針轉(zhuǎn))。
5.3　轉(zhuǎn)矩控制和速度控制的切換
　　由于轉(zhuǎn)矩控制時不能控制轉(zhuǎn)速的大小，所以，在某些轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩控制主要用于起動或停止的過渡過程中。當(dāng)拖動系統(tǒng)已經(jīng)起動后，仍應(yīng)切換成轉(zhuǎn)速控制方式，以便控制轉(zhuǎn)速。
切換的時序圖如圖10所示。

圖10　轉(zhuǎn)矩控制和轉(zhuǎn)速控制的時序圖

(1) t1時段:變頻器發(fā)出運行指令時，如未得到切換信號，則為轉(zhuǎn)速控制模式。變頻器按轉(zhuǎn)速指令決定其輸出頻率的大小。同時，可以預(yù)置轉(zhuǎn)矩上限。
(2) t2時段:變頻器得到切換至轉(zhuǎn)矩控制的信號(通常從外接輸入電路輸入)，轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)矩控制模式。變頻器按轉(zhuǎn)矩指令決定其電磁轉(zhuǎn)矩的大小。同時，必須預(yù)置轉(zhuǎn)速上限。
(3) t3時段:變頻器得到切換至轉(zhuǎn)速控制的信號, 回到轉(zhuǎn)速控制模式。
(4) t4時段:變頻器再次得到切換至轉(zhuǎn)矩控制的信號, 回到轉(zhuǎn)矩控制模式。
(5) t5時段:變頻器的運行指令結(jié)束，將在轉(zhuǎn)速控制模式下按預(yù)置的減速時間減速并停止。
　　如果變頻器的運行指令在轉(zhuǎn)矩控制下結(jié)束，變頻器將自動轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)速控制模式，并按預(yù)置的減速時間減速并停止。
5.4　轉(zhuǎn)矩控制與限轉(zhuǎn)矩功能
　　在轉(zhuǎn)矩控制中，經(jīng)常會與速度控制下的限轉(zhuǎn)矩功能搞混淆。所謂轉(zhuǎn)矩限定，就是用來限制速度調(diào)節(jié)器asr輸出的轉(zhuǎn)矩電流。
　　定義轉(zhuǎn)矩限定值0.0～200％為變頻器額定電流的百分?jǐn)?shù);如果轉(zhuǎn)矩限定＝100％，即設(shè)定的轉(zhuǎn)矩電流極限值為變頻器的額定電流。圖11所示為轉(zhuǎn)矩限值功能示意圖，f1、f2分別限制電動和制動狀態(tài)時輸出轉(zhuǎn)矩的大小。

圖11　轉(zhuǎn)矩限制功能圖

　　再生制動狀態(tài)運行時，應(yīng)根據(jù)需要的制動轉(zhuǎn)矩適當(dāng)調(diào)整再生制動限定值f2，在要求大制動轉(zhuǎn)矩的場合，應(yīng)外接制動電阻或制動單元，否則可能會產(chǎn)生過壓故障。
　　對于轉(zhuǎn)矩限制值，一般可以通過兩種方式進行設(shè)定。一種是通過參數(shù)設(shè)定，變頻器都提供了相應(yīng)的參數(shù)，如安川vs g7的l7－01到l7－04可以分別設(shè)定四個象限的轉(zhuǎn)矩限定值。另外一種就是通過模擬量輸入設(shè)定，用輸入量的0～10v或4～20ma信號對應(yīng)0－200％的轉(zhuǎn)矩限值。

6　dtc方式
6.1　基本概念
　　直接轉(zhuǎn)矩控制也稱之為“直接自控制”，這種“直接自控制”的思想是以轉(zhuǎn)矩為中心來進行磁鏈、轉(zhuǎn)矩的綜合控制。和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制不采用解耦的方式，從而在算法上不存在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡單地通過檢測電動機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。
　　直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，是利用空間矢量、定子磁場定向的分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下分析異步電動機的數(shù)學(xué)模型，計算與控制異步電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用離散的兩點式調(diào)節(jié)器(band