变频器的控制方式(下)

4　有速度传感器矢量控制方式
4．1　基本概念
　　有速度传感器的矢量控制方式，主要用于高精度的速度控制、转矩控制、简单伺服控制等对控制性能要求严格的使用场合。在该方式下采用的速度传感器一般是旋转编码器，并安装在被控电动机的轴端，而不是象闭环v/f控制安装编码器或接近开关那样随意。在很多时候，为了描述上的方便，也把有速度传感器的矢量控制方式称为闭环矢量控制或有pg反馈矢量控制，本文为了不与运行方式中的pid闭环控制相混淆，以及与无速度传感器矢量控制相对应，基本采用“有速度传感器矢量控制方式”这种称呼。
　　有速度传感器矢量控制方式的变频调速是一种理想的控制方式，它有许多优点:
(1)可以从零转速起进行速度控制，即使低速亦能运行，因此调速范围很宽广，可达1000:1;
(2)可以对转矩实行精确控制;
(3)系统的动态响应速度甚快;
(4)电动机的加速度特性很好等优点。
4．2　编码器pg接线与参数
　　矢量变频器与编码器pg之间的连接方式，必须与编码器pg的型号相对应。一般而言，编码器pg型号分差动输出、集电极开路输出和推挽输出三种，其信号的传递方式必须考虑到变频器pg卡的接口，因此选择合适的pg卡型号或者设置合理的跳线至关重要。前者的典型代表是安川vs g7变频器，后者的典型代表为艾默生td3000变频器。
　　以安川vs g7变频器为例，其用于带速度传感器矢量控制方式安装的pg卡类型主要有两种:
(1) pg－b2卡，含a/b相脉冲输入，对应补码输出，如图1所示。

图1　pg－b2卡与编码器接线图

(2) pg－x2卡，含a/b/z相脉冲输入，对应线驱动，如图2所示。

图2　pg－x2卡与编码器接线图

　　艾默生td3000变频器的pg卡是统一配置的，比较高输入频率为120khz，它与不同的编码器pg接线时，只需注意接线方式和跳线cn4。当跳线cn4位于di侧时，可以选择编码器信号由a+、a－、b＋、b－差动输出(如图3所示)或者a＋、b＋推挽输出(如图5所示);当跳线cn4位于oci侧时，可以选择编码器信号由a－、b－开路集电极输出(如图4所示)。

图3　差动输出编码器接线图

图4　集电极开路输出编码器(加上虚线为电压型输出编码器)接线图

　　在变频器的参数组中对于编码器pg都有比较严格的定义，这些定义包括:
(1)编码器pg每转脉冲数。此参数可以查看编码器本身的技术指标，单位为p/r。
(2)编码器pg方向选择。如果变频器pg卡与编码器pg接线次序代表的方向，和变频器与电动机连接次序代表的方向匹配，设定值应为正向，否则为反向。必须注意当方向选择错误时，变频器将无法加速到你所需要的频率，并报过流故障或编码器反向故障。更改此参数可方便地调整接线方向的对应关系，而无须重新接线。

图5　推挽输出编码器接线图

图6　编码器pg的方向选择

　　图6中所示为安川vs g7变频器的编码器pg方向选择示意。编码器pg从输入轴看时顺时针方向cw旋转时，为a相超前，另外，正转指令输出时，电动机从输出侧看时逆时针ccw旋转。然而，一般的编码器pg在电动机正转时，安装在负载侧时为a相超前，安装在与负载侧相反时b相超前。
(3) 编码器pg断线动作。如果编码器pg断线(即pgo)，变频器将无法得到速度反馈值，将立即报警并输出电压被关闭，电动机自由滑行停车，在停车过程中，故障将无法复位，直到停机为止。
(4) 编码器pg断线检测时间。一般为10s以下，以确认在此时间内编码器pg的断线故障是否持续存在。
(5) 零速检测值。本参数是为了检测编码器pg断线而定义的功能，当设定频率大于零速检测值，而反馈速度小于零速检测值，并且持续时间在编码器pg断线检测时间参数以上，则变频器确认为编码器pg断线故障(pgo)成立。
(6) 编码器pg与电动机之间的齿轮齿数。本参数是为了适应编码器安装在齿轮电动机上的情况，可设定齿轮齿数。由电动机转速公式可以得出:
电动机速度(r/min)=(从编码器pg输入的脉冲数×60)×(负载侧齿轮齿数 / 电动机侧齿轮齿数)/编码器pg的每转脉冲数
(7) 检出电动机的过速度。电动机超过规定以上的转速时，检出故障。通常设定100％～120％的比较大频率为检出过速度的基准值，如果在预定的时间内频率持续超出该值，则定义为电动机过速度故障(os)。如发生该故障，变频器自由停车。
(8) 检出电动机和速度指令的速度差。我们定义电动机的实际速度和设定速度的差值为速度偏差，如果在一定的时间内其速度偏差值持续超出某一范围值(如10％时)，则检出速度偏差过大(dev)。如发生该故障，变频器可以按照预先设定的故障停机方式停机。
4．3　带速度传感器矢量控制与闭环v/f控制的区别
　　带速度传感器矢量控制与闭环v/f控制在安装编码器pg上有共同点，而且都有类似的pid环以及相应的参数设置，好像给人一种雷同的感觉。但两者存在着很大的区别，主要一点在于前者是矢量控制，而后者属于传统的v/f控制。

图7　带速度传感器矢量控制原理框图

图8　闭环v/f控制原理框图

　　我们对比一下带速度传感器矢量控制与闭环v/f控制的原理框图，如图7、图8中所示。矢量控制时的速度控制asr是把速度指令和速度反馈信号进行差值比较，然后进行pi控制后，经过一定的滤波时间，再经过转矩限定，输出转矩电流，进入转矩环控制;而闭环v/f控制是将速度指令和速度反馈信号的偏差调为零，pid的结果只是去直接控制变频器的频率输出。
　　除了控制原理上的区分外，带速度传感器矢量控制与闭环v/f控制还有以下几点不同:
(1) 控制精度不同。带速度传感器矢量控制的速度控制精度能达到0.05％，而闭环v/f控制则只有0.5％(相当于无传感器矢量控制的水平)。
(2) 启动转矩不同。带速度传感器矢量控制的启动转矩可达到200％/0hz，而闭环v/f控制则只有180％/0.5hz。
(3) 安装方式不一样。带速度传感器矢量控制的编码器安装要求非常严格，必须与电动机或者齿轮电动机的轴一致;而闭环v/f控制则可以安装在传动点的任意一个位置。
(4) 编码器选型不一样。带速度传感器矢量的编码器要求比较严格，通常都要求二相输入;而闭环v/f控制则可以只要求一相输入，甚至可以用高性能接近开关替代。
(5)编码器断线停机方式不一样。带速度传感器矢量控制的编码器断线故障检出后，将不得不自由停车;而闭环v/f控制还可以在频率指令下继续开环v/f控制运行。

5　转矩控制方式
5.1　基本概念
　　采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相媲美，而且可以控制异步电动机产生的转矩。
5.2　转矩控制功能结构

图9　转矩控制功能框图

　　转矩控制根据不同的数学算法其功能结构也不同，图9是一种典型的采用矢量方式实现的转矩控制功能框图。先是根据转矩设定值计算出转差频率，并与变频器获得的反馈速度(一般用编码器pg)或是直接推算的电动机速度相加，在速度限制下输出同步频率。很显然，在转矩控制方式下，速度调节器asr并不起直接作用，也无法控制速度。
　　转矩控制时，变频器的输出频率自动跟踪负载速度的变化，但输出频率的变化受设定的加速和减速时间影响，如需要加快跟踪的速度，需要将加速和减速时间设得短一些。
　　转矩分正向转矩和反向转矩，其设定可以通过模拟量端子的电平来决定，该转矩方向与运行指令的方向(即正转和反转)无关。当模拟量信号为0～10v时，为正转矩，即电动机正转方向的转矩指令(从电动机的输出轴看是逆时针转);当模拟量信号为－10v～0时，为负转矩，即电动机反转方向的转矩指令(从电动机的输出轴看是顺时针转)。
5.3　转矩控制和速度控制的切换
　　由于转矩控制时不能控制转速的大小，所以，在某些转速控制系统中，转矩控制主要用于起动或停止的过渡过程中。当拖动系统已经起动后，仍应切换成转速控制方式，以便控制转速。
切换的时序图如图10所示。

图10　转矩控制和转速控制的时序图

(1) t1时段:变频器发出运行指令时，如未得到切换信号，则为转速控制模式。变频器按转速指令决定其输出频率的大小。同时，可以预置转矩上限。
(2) t2时段:变频器得到切换至转矩控制的信号(通常从外接输入电路输入)，转为转矩控制模式。变频器按转矩指令决定其电磁转矩的大小。同时，必须预置转速上限。
(3) t3时段:变频器得到切换至转速控制的信号, 回到转速控制模式。
(4) t4时段:变频器再次得到切换至转矩控制的信号, 回到转矩控制模式。
(5) t5时段:变频器的运行指令结束，将在转速控制模式下按预置的减速时间减速并停止。
　　如果变频器的运行指令在转矩控制下结束，变频器将自动转为转速控制模式，并按预置的减速时间减速并停止。
5.4　转矩控制与限转矩功能
　　在转矩控制中，经常会与速度控制下的限转矩功能搞混淆。所谓转矩限定，就是用来限制速度调节器asr输出的转矩电流。
　　定义转矩限定值0.0～200％为变频器额定电流的百分数;如果转矩限定＝100％，即设定的转矩电流极限值为变频器的额定电流。图11所示为转矩限值功能示意图，f1、f2分别限制电动和制动状态时输出转矩的大小。

图11　转矩限制功能图

　　再生制动状态运行时，应根据需要的制动转矩适当调整再生制动限定值f2，在要求大制动转矩的场合，应外接制动电阻或制动单元，否则可能会产生过压故障。
　　对于转矩限制值，一般可以通过两种方式进行设定。一种是通过参数设定，变频器都提供了相应的参数，如安川vs g7的l7－01到l7－04可以分别设定四个象限的转矩限定值。另外一种就是通过模拟量输入设定，用输入量的0～10v或4～20ma信号对应0－200％的转矩限值。

6　dtc方式
6.1　基本概念
　　直接转矩控制也称之为“直接自控制”，这种“直接自控制”的思想是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。和矢量控制不同，直接转矩控制不采用解耦的方式，从而在算法上不存在旋转坐标变换，简单地通过检测电动机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电动机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。
　　直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器(bandband控制)，把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生pwm脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型，没有通常的pwm脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。
　　与矢量控制方式比较，直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。与矢量控制方法不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，对转矩的直接控制或直接控制转矩，既直接又简化。
　　直接转矩控制对交流传动来说是一个优秀的电动机控制方法，它可以对所有交流电动机的核心变量进行直接控制。它开发出交流传动前所未有的能力并给所有的应用提供了益处。在dtc中，定子磁通和转矩被作为主要的控制变量。高速数字信号处理器与先进的电动机软件模型相结合使电动机的状态每秒钟被更新40,000次。由于电动机状态以及实际值和给定值的比较值被不断地更新，逆变器的每一次开关状态都是单独确定的。这意味着传动可以产生比较佳的开关组合并对负载扰动和瞬时掉电等动态变化做出快速响应。在dtc中不需要对电压，频率分别控制的pwm调制器。
6.2　dtc直接转矩控制的速度控制性能
　　abb的acs800能够对速度进行精确的控制，根据不同的速度精度可以选择无脉冲编码器和有脉冲编码器两种，下表1给出了在使用dtc直接转矩控制时的典型速度性能指标。

　　其中动态速度误差依赖于速度控制器的参数整定，图12为动态速度响应曲线。

　　图12　dtc直接转矩控制时的速度响应曲线

tn:电动机额定转矩 nn:电动机额定速度
nact:实际速度 nref:设定速度

　　在参数组23中可以对速度控制器进行pid变量设定，速度控制器的原理见图13a，该控制器包含了比例、微分、积分和微分加速度补偿，其经过pid作用后的输出作为转矩控制器的给定信号。
　　速度控制器的参数内容包括以下几方面:
(1) 增益参数:定义速度控制器的比例增益，如增益过大可能引起速度波动。
(2) 积分时间参数:定义速度控制器的积分时间，即在偏差阶跃信号下，控制器输出信号的变化率。积分时间越短，连续偏差值的校正就越快，但是如果太短就会造成控制不稳定。
(3) 微分时间参数:定义速度控制器的微分时间，即在偏差值发生改变的情况下增加控制器的输出。微分时间越长，在偏差改变的过程中，控制器的输出速度就越快。微分作用使控制对扰动的敏感度增加。
(4) 加速补偿的微分时间:在加速过程中为了补偿惯性，将给定变化量的微分加到速度控制器的输出中。
(5) 滑差增益:定义了电动机滑差补偿控制的滑差增益，100％表示完全滑差补偿、0％表示零滑差补偿。
　　速度控制器的参数值能在电动机辨识(与矢量控制的电动机辨识相同)整定期间进行自动调节，当然也可以手动整定控制器的相关参数，或是让变频器单独执行一次速度控制器自动整定运行。要注意的是，比较终速度控制器的控制效果取决于各个参数的综合作用，因此电动机带载运行进行自整定才是比较合适的，同时可以在电动机额定转速的三分之一作用进行恒速度运行。
6.3　dtc直接转矩控制的转矩控制性能
　　直接转矩控制技术对于转矩的控制非常出色，即使不使用任何来自电动机轴上的速度反馈，变频器也能进行精确的转矩控制。当然，由于在无脉冲编码器情况下的直接转矩控制，在零频附近运行时，线性误差和可重复性误差可能会较大，对于需用在此频段内的负载，建议采用有脉冲编码器的直接转矩控制。表2显示了在abb变频器acs800使用直接转矩控制时的典型转矩控制性能指标。

(a) (b)

图13　dtc直接转矩控制

(a) dtc直接转矩控制时的速度控制器
(b)dtc直接转矩控制时的转矩响应曲线
tn:电动机额定转矩 tref:设定转矩 tact:实际转矩
　　如图13(b)为直接转矩控制方式下的转矩响应曲线。

表1　直接转矩控制速度性能指标

表2　直接转矩控制转矩性能指标

　　对于参数的设置，首先必须在参数99.02选择应用程序宏设定为t－ctrl转矩控制宏和参数99.04定义为dtc直接转矩控制，然后在参数组24中可以对转矩控制进行设定，参数内容包括:
(1)转矩给定的斜坡上升时间:就是从零增加到电动机额定转矩的时间;
(2)转矩给定的斜坡下降时间:就是从电动机额定转矩下降到零的时间。
转矩控制宏一般应用于需要控制电动机转矩的场合，如啮合辊控制、张力控制等。其默认的接线方式是:转矩给定值由模拟量输入口以电流信号提供，0ma对应0％、20ma对应100％的电动机额定转矩。