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、轉矩控制、簡單伺服控制等對控制性能要求嚴格的使用場合。在該方式下采用的速度傳感器一般是旋轉編碼器，并安裝在被控電動機的軸端，而不是象閉環v/f控制安裝編碼器或接近開關那樣隨意。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閉環控制相混淆，以及與無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，它有許多優點:
(1)可以從零轉速起進行速度控制，即使低速亦能運行，因此調速范圍很寬廣，可達1000:1;
(2)可以對轉矩實行精確控制;
(3)系統的動態響應速度甚快;
(4)電動機的加速度特性很好等優點。
4．2　編碼器pg接線與參數
　　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卡型號或者設置合理的跳線至關重要。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，對應線驅動，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。當跳線cn4位于di側時，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);當跳線cn4位于oci側時，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

　　在變頻器的參數組中對于編碼器pg都有比較嚴格的定義，這些定義包括:
(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指標，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，設定值應為正向，否則為反向。必須注意當方向選擇錯誤時，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。更改此參數可方便地調整接線方向的對應關系，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旋轉時，為a相超前，另外，正轉指令輸出時，電動機從輸出側看時逆時針ccw旋轉。然而，一般的編碼器pg在電動機正轉時，安裝在負載側時為a相超前，安裝在與負載側相反時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閉，電動機自由滑行停車，在停車過程中，故障將無法復位，直到停機為止。
(4) 編碼器pg斷線檢測時間。一般為10s以下，以確認在此時間內編碼器pg的斷線故障是否持續存在。
(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，并且持續時間在編碼器pg斷線檢測時間參數以上，則變頻器確認為編碼器pg斷線故障(pgo)成立。
(6) 編碼器pg與電動機之間的齒輪齒數。本參數是為了適應編碼器安裝在齒輪電動機上的情況，可設定齒輪齒數。由電動機轉速公式可以得出:
電動機速度(r/min)=(從編碼器pg輸入的脈沖數×60)×(負載側齒輪齒數 / 電動機側齒輪齒數)/編碼器pg的每轉脈沖數
(7) 檢出電動機的過速度。電動機超過規定以上的轉速時，檢出故障。通常設定100％～120％的比較大頻率為檢出過速度的基準值，如果在預定的時間內頻率持續超出該值，則定義為電動機過速度故障(os)。如發生該故障，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定速度的差值為速度偏差，如果在一定的時間內其速度偏差值持續超出某一范圍值(如10％時)，則檢出速度偏差過大(dev)。如發生該故障，變頻器可以按照預先設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v/f控制的區別
　　帶速度傳感器矢量控制與閉環v/f控制在安裝編碼器pg上有共同點，而且都有類似的pid環以及相應的參數設置，好像給人一種雷同的感覺。但兩者存在著很大的區別，主要一點在于前者是矢量控制，而后者屬于傳統的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，經過一定的濾波時間，再經過轉矩限定，輸出轉矩電流，進入轉矩環控制;而閉環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v/f控制則只有0.5％(相當于無傳感器矢量控制的水平)。
(2) 啟動轉矩不同。帶速度傳感器矢量控制的啟動轉矩可達到200％/0hz，而閉環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，必須與電動機或者齒輪電動機的軸一致;而閉環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格，通常都要求二相輸入;而閉環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v/f控制還可以在頻率指令下繼續開環v/f控制運行。

5　轉矩控制方式
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生的轉矩。
5.2　轉矩控制功能結構

圖9　轉矩控制功能框圖

　　轉矩控制根據不同的數學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，也無法控制速度。
　　轉矩控制時，變頻器的輸出頻率自動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間影響，如需要加快跟蹤的速度，需要將加速和減速時間設得短一些。
　　轉矩分正向轉矩和反向轉矩，其設定可以通過模擬量端子的電平來決定，該轉矩方向與運行指令的方向(即正轉和反轉)無關。當模擬量信號為0～10v時，為正轉矩，即電動機正轉方向的轉矩指令(從電動機的輸出軸看是逆時針轉);當模擬量信號為－10v～0時，為負轉矩，即電動機反轉方向的轉矩指令(從電動機的輸出軸看是順時針轉)。
5.3　轉矩控制和速度控制的切換
　　由于轉矩控制時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或停止的過渡過程中。當拖動系統已經起動后，仍應切換成轉速控制方式，以便控制轉速。
切換的時序圖如圖10所示。

圖10　轉矩控制和轉速控制的時序圖

(1) t1時段:變頻器發出運行指令時，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，可以預置轉矩上限。
(2) t2時段: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，必須預置轉速上限。
(3) t3時段: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，變頻器將自動轉為轉速控制模式，并按預置的減速時間減速并停止。
5.4　轉矩控制與限轉矩功能
　　在轉矩控制中，經常會與速度控制下的限轉矩功能搞混淆。所謂轉矩限定，就是用來限制速度調節器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分別限制電動和制動狀態時輸出轉矩的大小。

圖11　轉矩限制功能圖

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

6　dtc方式
6.1　基本概念
　　直接轉矩控制也稱之為“直接自控制”，這種“直接自控制”的思想是以轉矩為中心來進行磁鏈、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矩，并根據與給定值比較所得差值，實現磁鏈和轉矩的直接控制。
　　直接轉矩控制技術，是利用空間矢量、定子磁場定向的分析方法，直接在定子坐標系下分析異步電動機的數學模型，計算與控制異步電動機的磁鏈和轉矩，采用離散的兩點式調節器(band