今日頭條
官方微信
官方抖音
資訊頻道
李方園（1973 －）
男，浙江舟山人，畢業(yè)于浙江大學(xué)電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，高級工程師，浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院,長(cháng)期從事于變頻器等現代工控產(chǎn)品的應用與研究工作。
摘要：根據不同的變頻控制理論，可以發(fā)展為幾種不同的變頻器控制方式，即V/f控制方式（包括開(kāi)環(huán)V/f控制和閉環(huán)V/f控制）、無(wú)速度傳感器矢量控制方式（矢量控制VC的一種）、閉環(huán)矢量控制方式（即有速度傳感器矢量控制VC的一種）、轉矩控制方式（矢量控制VC或直接轉矩控制DTC）等。這些控制方式在變頻器通電運行前必須首先設置。本文主要闡述的就是變頻器的這幾種控制方式。
關(guān)鍵詞： 變頻器； 控制方式； 矢量控制； 直接轉矩控制
Abstract: According to the different AC inverter’s control principles, the control method can be divided into four kinds, including V/f control , sensorless VC control , closed-loop VC contrl and torque control. For these control methods , the users should set them after the power on of AC inverte. Then AC inverter can run in condition. This paper will describe the control method’s setting. 艾默生TD3000變頻器的PG卡是統一配置的，最高輸入頻率為120KHz，它與不同的編碼器PG接線(xiàn)時(shí)，只需注意接線(xiàn)方式和跳線(xiàn)CN4。當跳線(xiàn)CN4位于DI側時(shí)，可以選擇編碼器信號由A+、A－、B＋、B－差動(dòng)輸入（圖3）或者A＋、B＋推挽輸入（圖5）；當跳線(xiàn)CN4位于OCI側時(shí)，可以選擇編碼器信號由A－、B－開(kāi)路集電極輸入（圖4）。 在變頻器的參數組中對于編碼器PG都有比較嚴格的定義，這些定義包括： （3）編碼器PG斷線(xiàn)動(dòng)作。如果編碼器PG斷線(xiàn)（即PGO），變頻器將無(wú)法得到速度反饋值，將立即報警并輸出電壓被關(guān)閉，電動(dòng)機自由滑行停車(chē)，在停車(chē)過(guò)程中，故障將無(wú)法復位，直到停機為止。
key words:AC inverter; control method; vector control; DTC control
3 有速度傳感器矢量控制方式
3.1 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、轉矩控制、簡(jiǎn)單伺服控制等對控制性能要求嚴格的使用場(chǎng)合。在該方式下采用的速度傳感器一般是旋轉編碼器，并安裝在被控電動(dòng)機的軸端，而不是象閉環(huán)V/f控制安裝編碼器或接近開(kāi)關(guān)那樣隨意。在很多時(shí)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(chēng)為閉環(huán)矢量控制或有PG反饋矢量控制，本書(shū)為了不與運行方式中的PID閉環(huán)控制相混淆，以及與無(wú)速度傳感器矢量控制相對應，基本采用“有速度傳感器矢量控制方式”這種稱(chēng)呼。
有速度傳感器矢量控制方式的變頻調速是一種理想的控制方式，它有許多優(yōu)點(diǎn)：（1）可以從零轉速起進(jìn)行速度控制，即使低速亦能運行，因此調速范圍很寬廣，可達1000:1；（2）可以對轉矩實(shí)行精確控制；（3）系統的動(dòng)態(tài)響應速度甚快；（4）電動(dòng)機的加速度特性很好等優(yōu)點(diǎn)。
3.2 編碼器PG接線(xiàn)與參數
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。一般而言，編碼器PG型號分差動(dòng)輸出、集電極開(kāi)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卡型號或者設置合理的跳線(xiàn)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(lèi)型主要有兩種：
（1）PG－B2卡，含A/B相脈沖輸入，對應補碼輸出，如圖1。
（2）PG－X2卡，含A/B/Z相脈沖輸入，對應線(xiàn)驅動(dòng)，如圖2。
圖1 PG－B2卡與編碼器接線(xiàn)圖
圖2 PG－X2卡與編碼器接線(xiàn)圖
圖3 差動(dòng)輸出編碼器接線(xiàn)圖
圖4 集電極開(kāi)路輸出編碼器（加上虛線(xiàn)為電壓型
輸出編碼器）接線(xiàn)圖
圖5 推挽輸出編碼器接線(xiàn)圖
（1）編碼器PG每轉脈沖數。此參數可以查看編碼器本身的技術(shù)指標，單位為PPR。
（2）編碼器PG方向選擇。如果變頻器PG卡與編碼器PG接線(xiàn)次序代表的方向，和變頻器與電動(dòng)機連接次序代表的方向匹配，設定值應為正向，否則為反向。必須注意當方向選擇錯誤時(shí)，變頻器將無(wú)法加速到你所需要的頻率，并報過(guò)流故障或編碼器反向故障。更改此參數可方便地調整接線(xiàn)方向的對應關(guān)系，而無(wú)須重新接線(xiàn)。
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(shí)順時(shí)針?lè )较駽W旋轉時(shí)，為A相超前，另外，正轉指令輸出時(shí)，電動(dòng)機從輸出側看時(shí)逆時(shí)針CCW旋轉。然而，一般的編碼器PG在電動(dòng)機正轉時(shí)，安裝在負載側時(shí)為A相超前，安裝在負載相反時(shí)B相超前。
圖6 編碼器PG的方向選擇
（4）編碼器PG斷線(xiàn)檢測時(shí)間。一般為10秒以下，以確認在此時(shí)間內編碼器PG的斷線(xiàn)故障是否持續存在。
（5）零速檢測值。本參數是為了檢測編碼器PG斷線(xiàn)而定義的功能，當設定頻率大于零速檢測值，而反饋速度小于零速檢測值，并且持續時(shí)間在編碼器PG斷線(xiàn)檢測時(shí)間參數以上，則變頻器確認為編碼器PG斷線(xiàn)故障（PGO）成立。
（6）編碼器PG與電動(dòng)機之間的齒輪齒數。本參數是為了適應編碼器安裝在齒輪電動(dòng)機上的情況，可設定齒輪齒數。電動(dòng)機轉速公式由以下可以得出：
電動(dòng)機速度（RPM）=（從編碼器PG輸入的脈沖數×60）×（負載側齒輪齒數 / 電動(dòng)機側齒輪齒數）/編碼器PG的每轉脈沖數
（7）檢出電動(dòng)機的過(guò)速度。電動(dòng)機超過(guò)規定以上的轉速時(shí)，檢出故障。通常設定100％～120％的最大頻率為檢出過(guò)速度的基準值，如果在預定的時(shí)間內頻率持續超出該值，則定義為電動(dòng)機過(guò)速度故障（OS）。如發(fā)生該故障，變頻器自由停車(chē)。
（8）檢出電動(dòng)機和速度指令的速度差。我們定義電動(dòng)機的實(shí)際速度和設定速度的差值為速度偏差，如果在一定的時(shí)間內其速度偏差值持續超出某一范圍值（如10％時(shí)），則檢出速度偏差過(guò)大（DEV）。如發(fā)生該故障，變頻器可以按照預先設定的故障停機方式停機。
3.3 帶速度傳感器矢量控制與閉環(huán)V/f控制的區別
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(diǎn)，而且都有類(lèi)似的PID環(huán)以及相應的參數設置，好像給人一種雷同的感覺(jué)。但兩者存在著(zhù)很大的區別，主要一點(diǎn)在于前者是矢量控制，而后者屬于傳統的V/f控制。
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(shí)的速度控制ASR是把速度指令和速度反饋信號進(jìn)行差值比較，然后進(jìn)行PI控制后，經(jīng)過(guò)一定的濾波時(shí)間，再經(jīng)過(guò)轉矩限定，輸出轉矩電流，進(jìn)入轉矩環(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為零，PID的結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(diǎn)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％（相當于無(wú)傳感器矢量控制的水平）。（2）啟動(dòng)轉矩不同。帶速度傳感器矢量控制的啟動(dòng)轉矩可達到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格，必須與電動(dòng)機或者齒輪電動(dòng)機的軸一致；而閉環(huán)V/f控制則可以安裝再傳動(dòng)點(diǎn)的任意一個(gè)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(kāi)關(guān)替代。（5）編碼器斷線(xiàn)停機方式不一樣。帶速度傳感器矢量控制的編碼器斷線(xiàn)故障檢出后，將不得不自由停車(chē)；而閉環(huán)V/f控制還可以在頻率指令下繼續開(kāi)環(huán)V/f控制運行。
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
4 轉矩控制方式
4.1 基本概念
采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調速范圍上與直流電動(dòng)機相匹配，而且可以控制異步電動(dòng)機產(chǎn)生的轉矩。
4.2 轉矩控制功能結構
轉矩控制根據不同的數學(xué)算法其功能結構也不同，圖9是一種典型的采用矢量方式實(shí)現的轉矩控制功能框圖。先是根據轉矩設定值計算出轉差頻率，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(dòng)機速度相加，在速度限制下輸出同步頻率。很顯然，在轉矩控制方式下，速度調節器ASR并不起直接作用，也無(wú)法控制速度。
轉矩控制時(shí)，變頻器的輸出頻率自動(dòng)跟蹤負載速度的變化，但輸出頻率的變化受設定的加速和減速時(shí)間影響，如需要加快跟蹤的速度，需要將加速和減速時(shí)間設得短一些。
轉矩分正向轉矩和反向轉矩，其設定可以通過(guò)模擬量端子的電平來(lái)決定，該轉矩方向與運行指令的方向（即正轉和反轉）無(wú)關(guān)。當模擬量信號為0~10V時(shí)，為正轉矩，即電動(dòng)機正轉方向的轉矩指令（從電動(dòng)機的輸出軸看是逆時(shí)針轉）；當模擬量信號為－10V~0時(shí)，為負轉矩，即電動(dòng)機反轉方向的轉矩指令（從電動(dòng)機的輸出軸看是順時(shí)針轉）。
圖9 轉矩控制功能框圖
4.3 轉矩控制和速度控制的切換
由于轉矩控制時(shí)不能控制轉速的大小，所以，在某些轉速控制系統中，轉矩控制主要用于起動(dòng)或停止的過(guò)渡過(guò)程中。當拖動(dòng)系統已經(jīng)起動(dòng)后，仍應切換成轉速控制方式，以便控制轉速。
切換的時(shí)序圖如圖10所示。
(1) t1時(shí)段：變頻器發(fā)出運行指令時(shí)，如未得到切換信號，則為轉速控制模式。變頻器按轉速指令決定其輸出頻率的大小。同時(shí)，可以預置轉矩上限;
圖10 轉矩控制和轉速控制的時(shí)序圖
(2) t2時(shí)段：變頻器得到切換至轉矩控制的信號(通常從外接輸入電路輸入)，轉為轉矩控制模式。變頻器按轉矩指令決定其電磁轉矩的大小。同時(shí)，必須預置轉速上限；
(3) t3時(shí)段：變頻器得到切換至轉速控制的信號, 回到轉速控制模式；
(4) t4時(shí)段：變頻器再次得到切換至轉矩控制的信號, 回到轉矩控制模式；
(5) t5時(shí)段：變頻器的運行指令結束，將在轉速控制模式下按預置的減速時(shí)間減速并停止。
如果變頻器的運行指令在轉矩控制下結束，變頻器將自動(dòng)轉為轉速控制模式，并按預置的減速時(shí)間減速并停止。
4.4 轉矩控制與限轉矩功能
在轉矩控制中，經(jīng)常會(huì )與速度控制下的限轉矩功能搞混淆。所謂轉矩限定，就是用來(lái)限值速度調節器ASR輸出的轉矩電流。
定義轉矩限定值0.0～200％為變頻器額定電流的百分數；如果轉矩限定＝100％，即設定的轉矩電流極限值為變頻器的額定電流。圖11所示為轉矩限值功能示意圖，F1、F2分別限值電動(dòng)和制動(dòng)狀態(tài)時(shí)輸出轉矩的大小。
再生制動(dòng)狀態(tài)運行時(shí)，應根據需要的制動(dòng)轉矩適當調整再生制動(dòng)限定值F2，在要求大制動(dòng)轉矩的場(chǎng)合，應外接制動(dòng)電阻或制動(dòng)單元，否則可能會(huì )產(chǎn)生過(guò)壓故障。 其中動(dòng)態(tài)速度誤差依賴(lài)于速度控制器的參數整定，圖12為動(dòng)態(tài)速度響應曲線(xiàn)。
圖11 轉矩限制功能圖
對于轉矩限值，一般可以通過(guò)兩種方式進(jìn)行設定。一種是通過(guò)參數設定，變頻器都提供了相應的參數，如安川VS G7的L7－01到L7－04可以分別設定四個(gè)象限的轉矩限定值。另外一種就是通過(guò)模擬量輸入設定，用輸入量的0～10V或4～20mA信號對應0－200％的轉矩限值。
5 DTC方式
5.1 基本概念
直接轉矩控制也稱(chēng)之為“直接自控制”，這種“直接自控制”的思想是以轉矩為中心來(lái)進(jìn)行磁鏈、轉矩的綜合控制。和矢量控制不同，直接轉矩控制不采用解耦的方式，從而在算法上不存在旋轉坐標變換，簡(jiǎn)單地通過(guò)檢測電動(dòng)機定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計算電動(dòng)機的磁鏈和轉矩，并根據與給定值比較所得差值，實(shí)現磁鏈和轉矩的直接控制。
直接轉矩控制技術(shù)，是利用空間矢量、定子磁場(chǎng)定向的分析方法，直接在定子坐標系下分析異步電動(dòng)機的數學(xué)模型，計算與控制異步電動(dòng)機的磁鏈和轉矩，采用離散的兩點(diǎn)式調節器（Band—Band控制），把轉矩檢測值與轉矩給定值作比較，使轉矩波動(dòng)限制在一定的容差范圍內，容差的大小由頻率調節器來(lái)控制，并產(chǎn)生PWM脈寬調制信號，直接對逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，以獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉矩輸出。它的控制效果不取決于異步電動(dòng)機的數學(xué)模型是否能夠簡(jiǎn)化，而是取決于轉矩的實(shí)際狀況，它不需要將交流電動(dòng)機與直流電動(dòng)機作比較、等效、轉化，即不需要模仿直流電動(dòng)機的控制，由于它省掉了矢量變換方式的坐標變換與計算和為解耦而簡(jiǎn)化異步電動(dòng)機數學(xué)模型，沒(méi)有通常的PWM脈寬調制信號發(fā)生器，所以它的控制結構簡(jiǎn)單、控制信號處理的物理概念明確、系統的轉矩響應迅速且無(wú)超調，是一種具有高靜、動(dòng)態(tài)性能的交流調速控制方式。
與矢量控制方式比較，直接轉矩控制磁場(chǎng)定向所用的是定子磁鏈，它采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。只要知道定子電阻就可以把它觀(guān)測出來(lái)。而矢量控制磁場(chǎng)定向所用的是轉子磁鏈，觀(guān)測轉子磁鏈需要知道電動(dòng)機轉子電阻和電感。因此直接轉矩控制大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數變化影響的問(wèn)題。直接轉矩控制強調的是轉矩的直接控制與效果。與矢量控制方法不同，它不是通過(guò)控制電流、磁鏈等量來(lái)間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量，對轉矩的直接控制或直接控制轉矩，既直接又簡(jiǎn)化。
直接轉矩控制對交流傳動(dòng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)優(yōu)秀的電動(dòng)機控制方法，它可以對所有交流電動(dòng)機的核心變量進(jìn)行直接控制。它開(kāi)發(fā)出交流傳動(dòng)前所未有的能力并給所有的應用提供了益處。在DTC中，定子磁通和轉矩被作為主要的控制變量。高速數字信號處理器與先進(jìn)的電動(dòng)機軟件模型相結合使電動(dòng)機的狀態(tài)每秒鐘被更新40,000次。由于電動(dòng)機狀態(tài)以及實(shí)際值和給定值的比較值被不斷地更新，逆變器的每一次開(kāi)關(guān)狀態(tài)都是單獨確定的。這意味著(zhù)傳動(dòng)可以產(chǎn)生最佳的開(kāi)關(guān)組合并對負載擾動(dòng)和瞬時(shí)掉電等動(dòng)態(tài)變化做出快速響應。在DTC中不需要對電壓，頻率分別控制的PWM調制器。
5.2 DTC直接轉矩控制的速度控制性能
ABB的ACS800能夠對速度進(jìn)行精確的控制，根據不同的速度精度可以選擇無(wú)脈沖編碼器和有脈沖編碼器兩種，表1給出了在使用DTC直接轉矩控制時(shí)的典型速度性能指標。
表1 直接轉矩控制速度性能指標:
TN：電動(dòng)機額定轉矩 nN：電動(dòng)機額定速度 nact：實(shí)際速度 nref：設定速度 a) DTC直接轉矩控制時(shí)的速度控制器 b)DTC直接轉矩控制時(shí)的轉矩響應曲線(xiàn)
圖12 DTC直接轉矩控制時(shí)的速度響應曲線(xiàn)
在參數組23中可以對速度控制器進(jìn)行PID變量設定，速度控制器的原理見(jiàn)圖13a，該控制器包含了比例、微分、積分和微分加速度補償，其經(jīng)過(guò)PID作用后的輸出作為轉矩控制器的給定信號。
圖13 DTC直接轉矩控制
TN：電動(dòng)機額定轉矩 Tref：設定轉矩 Tact：實(shí)際轉矩
速度控制器的參數內容包括以下幾方面：
（1）增益參數：定義速度控制器的比例增益，如增益過(guò)大可能引起速度波動(dòng)。
（2）積分時(shí)間參數：定義速度控制器的積分時(shí)間，即在偏差階躍信號下，控制器輸出信號的變化率。積分時(shí)間越短，連續偏差值的校正就越快，但是如果太短就會(huì )造成控制不穩定。
（3）微分時(shí)間參數：定義速度控制器的微分時(shí)間，即在偏差值發(fā)生改變的情況下增加控制器的輸出。微分時(shí)間越長(cháng)，在偏差改變的過(guò)程中，控制器的輸出速度就越快。微分作用使控制對擾動(dòng)的敏感度增加。
（4）加速補償的微分時(shí)間：在加速過(guò)程中為了補償慣性，將給定變化量的微分加到速度控制器的輸出中。
（5）滑差增益：定義了電動(dòng)機滑差補償控制的滑差增益，100％表示完全滑差補償、0％表示零滑差補償。
速度控制器的參數值能在電動(dòng)機辨識（與矢量控制的電動(dòng)機辨識相同）整定期間進(jìn)行自動(dòng)調節，當然也可以手動(dòng)整定控制器的相關(guān)參數，或是讓變頻器單獨執行一次速度控制器自動(dòng)整定運行。要注意的是，最終速度控制器的控制效果取決于各個(gè)參數的綜合作用，因此電動(dòng)機帶載運行進(jìn)行自整定才是最合適的，同時(shí)可以在電動(dòng)機額定轉速的三分之一作用進(jìn)行恒速度運行。
5.3 DTC直接轉矩控制的轉矩控制性能
直接轉矩控制技術(shù)對于轉矩的控制非常出色，即使不使用任何來(lái)自電動(dòng)機軸上的速度反饋，變頻器也能進(jìn)行精確的轉矩控制。當然，由于在無(wú)脈沖編碼器情況下的直接轉矩控制，在零頻附近運行時(shí)，線(xiàn)性誤差和可重復性誤差可能會(huì )較大，對于需用在此頻段內的負載，建議采用有脈沖編碼器的直接轉矩控制。表2顯示了在A(yíng)BB變頻器ACS800在使用直接轉矩控制時(shí)的典型轉矩控制性能指標。
表2 直接轉矩控制轉矩性能指標: 如圖13b為直接轉矩控制方式下的轉矩響應曲線(xiàn)。
對于參數的設置，首先必須在參數99.02選擇應用程序宏設定為T(mén)－CTRL轉矩控制宏和參數99.04定義為DTC直接轉矩控制，然后在參數組24中可以對轉矩控制進(jìn)行設定，參數內容包括：
（1）轉矩給定的斜坡上升時(shí)間：就是從零增加到額定電動(dòng)機轉矩的時(shí)間；
（2）轉矩給定的斜坡下降時(shí)間：就是從額定電動(dòng)機轉矩下降到零的時(shí)間。
轉矩控制宏一般應用于需要控制電動(dòng)機轉矩的場(chǎng)合，如嚙合輥控制、張力控制等。其默認的接線(xiàn)方式是：轉矩給定值由模擬量輸入口以電流信號提供，0mA對應0％、20mA對應100％的電動(dòng)機額定轉矩。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號