（名家讲堂）变频器的控制功能

本期策划 Survey 综述 20 自动化博览 2007年12月刊 李方园（1973 －） 男， 籍贯浙江舟山，毕业于浙江大学电气 自动化专业，高级工程师，长期从事于变 频器等现代工控产品的应用与研究工作。 摘要：根据不同的变频控制理论，可以发展为几种不同的变频器控制方式， 即V/f控制方式（包括开环V/f控制和闭环V/f控制）、无速度传感器矢量控 制方式（矢量控制VC的一种）、闭环矢量控制方式（即有速度传感器矢量控 制VC的一种）、转矩控制方式（矢量控制VC或直接转矩控制DTC）等。这 些控制方式在变频器通电运行前必须首先设置。本文主要阐述的就是变频器 的这几种控制方式。 关键词：变频器； 控制方式； 矢量控制； 直接转矩控制 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. keywords:AC inverter; control method; vector control; DTC control 通常意义上讲的低压变频器，其输出电压一般为220～ 650V、输出功率为0.2～400kW、工作频率为0～800Hz左右， 变频器的主电路采用交－直－交电路。根据不同的变频控制 理论，其模式主要有以下三种： （1） V/f=C的正弦脉宽调制模式 （2） 矢量控制（VC）模式 （3） 直接转矩控制（DTC）模式 针对以上三种控制模式理论，可以发展为几种不同的变 频器控制方式，即V/f控制方式（包括开环V/f控制和闭环V/ f控制）、无速度传感器矢量控制方式（矢量控制VC的一种）、 闭环矢量控制方式（即有速度传感器矢量控制VC的一种）、转 矩控制方式（矢量控制VC或直接转矩控制DTC）等。这些控 制方式在变频器通电运行前必须首先设置。 1　V/f控制方式 1.1　基本概念 众所周知，变频器V/f控制的基本思想是U/f=C，因此定 义在频率为fx时，Ux的表达式为Ux/fx=C，其中C为常数， 就是“压频比系数”。图中所示就是变频器的基本运行V/f曲 线。 图1 基本运行V/f曲线 变频器的控制功能 第1讲 变频器的控制方式（上） 李方园 AC Inveter’s Control Function www.plcworld.cn 本期策划Survey综述 2007年12月刊 自动化博览 21 由图1中可以看出，当电动机的运行频率高于一定值时， 变频器的输出电压不再能随频率的上升而上升，我们就将该 特定值称之为基本运行频率，用fb表示。也就是说，基本运 行频率是指变频器输出最高电压时对应的最小频率。在通常 情况下，基本运行频率是电动机的额定频率，如电动机铭牌上 标识的50Hz或60Hz。同时与基本运行频率对应的变频器输 出电压称之为最大输出电压，用Vmax表示。 当电动机的运行频率超过基本运行频率fb后，U/f不再是 一个常数，而是随着输出频率的上升而减少，电动机磁通也因 此减少，变成“弱磁调速”状态。 基本运行频率是决定变频器的逆变波形占空比的一个设 置参数，当设定该值后，变频器CPU将基本运行频率值和运 行频率进行运算后，调整变频器输出波形的占空比来达到调 整输出电压的目的。因此，在一般情况下，不要随意改变基 本运行频率的参数设置，如确有必要，一定要根据电动机的 参数特性来适当设值，否则，容易造成变频器过热、过流等 现象。 1.2　预定义的V/f曲线和用户自定义V/f曲线 由于电动机负载的多样性和不确定性，因此很多变频器 厂商都推出了预定义的V/f曲线和用户自定义的任意V/f曲 线。 预定义的V/f曲线是指变频器内部已经为用户定义的各种 不同类型的曲线。如艾默生EV2000变频器有三种特定曲线 （图2a），曲线1为2.0次幂降转矩特性、曲线2为1.7次幂降 转矩特性、曲线3为1 . 2次幂降转矩特性。罗克韦尔A B PowerFlex 400变频器有4种定义的曲线（如图2b），其定义 的方式是在电动机额定频率一半（即50％FN）时的输出电压 是电动机额定电压的30％时（即30％VN）为曲线1，35％VN 为曲线2，40％VN为曲线3，VN为曲线4。这些预定义的V/f 曲线非常适合在可变转矩（如典型的风机和泵类负载）中使 用，用户可以根据负载特性进行调整，以达到最优的节能效 果。 图2 预定义V/f曲线 a)艾默生EV2000 b)AB PoweFlex 400 对于其他特殊的负载，如同步电动机，则可以通过设置用 户自定义V/ f曲线的几个参数，来得到任意V/ f曲线，从而 可以适应这些负载的特殊要求和特定功能。自定义V/ f曲线 一般都通过折线设定，典型的有三段折线和两段折线。 以三段折线设定为例（如图3），F通常为变频器的基本运 行频率，在某些变频器中定义为电动机的额定频率，V通常为 变频器的最大输出电压，在某些变频器中定义为电动机的额 定电压。如果最大输出电压等于额定电压或者基本运行频率 等于额定频率，则两者是一回事，如果两者之间数值不相等， 就必须根据变频器的用户 手册 华为质量管理手册 下载焊接手册下载团建手册下载团建手册下载ld手册下载 来确定具体的数据。图中给出 了三个中间坐标数值，即（F1，V1）、（F2，V2）、（F3，V3）， 用户只需填入相应的电压值或电压百分比以及频率值或频率 百分比即可。如果将其中的两点重合就可以看成是二段折线 设定。 虽然用户自定义V/F曲线是可以任意设定，但是一旦数值 设定不当，就会造成意外故障。如低频时转矩提升电压过高， 造成电动机起动时低频抖动。所以，V/F曲线特性必须以满足 电动机的运行为前提条件。 图3 用户自定义V/f曲线 1.3　V/f曲线转矩补偿 变频器在启动或极低速运行时，根据V/f曲线，电动机在 低频时对应输出的电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比 较显著，这就导致励磁不足而使电动机不能获得足够的旋转 力，因此需要对转矩进行补充补偿，这称为转矩补偿。通常的 做法是对输出电压做一些提升补偿，以补偿定子电阻上电压 降引起的输出转矩损失，从而改善电动机的输出转矩。 图4 转矩补偿 图4中，V0表示手动转矩提升电压、Vmax表示最大输出 电压、f0表示转矩提升的截止频率、fb表示基本运行频率。 对于V0的设置原则一般有以下几点：（1）当电动机与变 频器之间的距离太远时，由于线路压降增大，应适当增大V0 值；（2）当电动机容量小于变频器额定容量时，由于此容量电 动机的绕组电阻比大容量电动机大，电阻压降也大，应适当增 大V0值；（3）当电动机抖动厉害时，说明转矩过大，转矩补 偿增益调得过高，应适当减小V0值。这里必须避免这样一个 误区：即使提高很多输出电压，电动机转矩并不能和其电流相 www.plcworld.cn 本期策划 Survey 综述 22 自动化博览 2007年12月刊 对应的提高。这是因为电动机电流包含电动机产生的转矩分 量和其它分量（如励磁分量）。 关于截止频率f0，在有些变频器中是固定的频率值，如 ABB ACS550变频器f0＝20Hz、罗克韦尔AB PowerFlex 400 变频器f0＝25Hz；有些变频器是可以设置的，如艾默生 EV2000变频器f0＝0~50%基本运行频率。 转矩补偿可以根据变频器的参数设置选择手动和自动， 如手动设置允许用户V0在0－20%或30％Umax之间任意设 定，自动设置则是变频器根据电动机启动过程中的力矩情况 进行自动补偿，其参数是随着负载变化而更改的。 1.4　闭环V/f控制 闭环V/f控制就是在V/f控制方式下，设置转速反馈环节。 测速装置可以是旋转编码器，也可以是光电开关，安装方式比 较自由，既可以安装在电动机轴上，也可以安装在其他相关联 的位置。同样，通常所说的不带转速反馈的V/f控制，也称之 为开环V/f控制。 闭环V/f控制选用速度反馈信号可以选用一相或者二相信 号，一相信号如接近开关或是旋转编码器的A相和B相之一。 旋转编码器是一种测量旋转角度的测量器件，它集机、光、电 技术于一体，通过光电转换，将角位移转换成相应的电脉冲或 数字信号输出。旋转编码器通常采用两个相位差90度的方波 编码方式，其旋转方向由两个波形的相位差决定。旋转编码器 有很多种型号，通常的速度反馈则选用增量型编码器，电动机 的运动速度由一定时间内编码器所产生的脉冲信号决定。脉 冲信号输出即可与变频器的PG接口相连接，就可以得到测 量。编码器的精度由旋转一周产生方波数决定，当旋转一周可 产生2000个方波时，每一个方波周期表示为360°/2000，其 最大的响应频率达到100kHz左右。 图5所示为旋转编码器PG与变频器VF组成的闭环V/f控 制。图5a中，PS+/PS-为编码器的工作电源，A+信号为A相 信号或B相信号，本控制方式采用一相反馈。 a)PG接口示意 b)速度增益曲线 图5 闭环V/f控制接线图和速度增益示意 闭环V/f控制为了获得良好的速度控制性能，还必须设置 比例增益P值和积分时间I值，图5b所示为参数设置情况。 其调整参数必须遵循以下原则：第一，最低输出频率的增 益调整。请用最低输出频率控制电动机运行，在此状态下，在 无振动的范围内增大P02值，然后，在无振动范围内减小设定 I02值。监视变频器的输出电流，并且确认达到变频器额定电 流50％以下的输出电流，超过50％时，请减小P02值，增大 I02值。第二，最高输出频率的调整。请用最高输出频率控制 电动机运行，在此状态下，在无振动的范围内增大设定P01值， 然后，在无振动范围内减小设定I01值。第三，增益的微调。 在增益更细微调整时，可以边观察速度波形边微调。在加速完 成时发生上冲超调，请减小P01值，增大I01值，停止时发生 下冲超调，请减小P02值，增大I02值。 带PG闭环V/f控制系统要注意以下几点：（1）一般编码 器为5～36V工作电源，因此必须要选用合适的PG接口电源， 确保编码器正常工作；（2）编码器的工作方式有许多种，包括 集电极开路、推挽式和线驱动，集电极开路还分NPN或PNP， 因此必须在选配合适PG接口的基础上，还必须选用正确的接 线方式和跳线方式（NPN或PNP方式）；（3）编码器与变频器 的距离一般以不超过100米为宜，必须采用屏蔽和抗干扰处 理；（4）闭环V/f控制多用于简易速度控制，且安装位置可以 不在电动机轴端，因此在参数设置上必须加以区别，设定转速 计算值必须折算到电动机侧；（5）转速的设定和反馈一般都以 转/分（rpm）为单位，一般而言设定值在面板上可以数字输 入，若是用模拟信号作为给定量时，模拟给定最大值对应于电 动机的同步转速。 2　无速度传感器矢量控制方式 2.1　基本概念 在高性能的异步电动机矢量控制系统中，转速的闭环控 制环节一般是必不可少的。通常，采用旋转编码器等速度传感 器来进行转速检测，并反馈转速信号。但是，由于速度传感器 的安装给系统带来一些缺陷：系统的成本大大增加；精度越高 的编码器价格也越贵；编码器在电动机轴上的安装存在同心 度的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，安装不当将影响测速的精度；电动机轴上的体积增 大，而且给电动机的维护带来一定困难，同时破坏了异步电动 机的简单坚固的特点；在恶劣的环境下，编码器工作的精度易 受环境的影响。而无速度传感器的控制系统无需检测硬件，免 去了速度传感器带来的种种麻烦，提高了系统的可靠性，降低 了系统的成本；另一方面，使得系统的体积小、重量轻，而且 减少了电动机与控制器的连线。因此，无速度传感器的矢量控 制方式在工程应用中变得非常必要。 无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论 发展而来的。实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动 机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装 置是很困难的，但人们发现，即使不在异步电动机中直接安装 磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的 量，并由此得到了无速度传感器的矢量控制方式。它的基本控 www.plcworld.cn 本期策划Survey综述 2007年12月刊 自动化博览 23 制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照一定的关系式 分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进 行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁 电流（或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并 输出转矩，从而实现矢量控制。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匹配，而且可以控制 异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确 的被控异步电动机的参数，因此需要在使用时准确地输入异 步电动机的参数，并对拖动的电动机进行调谐整定，否则难以 达到理想的控制效果。 无速度传感器矢量控制方式的基本技术指标定义如下： 速度控制精度±0.5％，速度控制范围1：100，转矩控制响 应<200ms，启动转矩>150％/0.5Hz。其中启动转矩指标，根 据不同品牌的变频器其性能有所高低，大致在150％～250％ 之间。如图6所示为安川G7的无速度传感器矢量控制方式下 的启动转矩特性，在0.3Hz极低速下能达到150%以上的转 矩。 图6 无速度传感器矢量控制方式启动转矩特性 有时为了描述上的方便，也把无速度传感器的矢量控制 方式称为开环矢量控制或无PG反馈矢量控制。 2.2　电动机参数的调谐整定 由于电动机磁通模型的建立必须依赖于电动机参数，因 此选择无速度传感器矢量控制时，第一次运行前必须首先对 电动机进行参数的调谐整定。目前新型矢量控制通用频器中 已经具备异步电动机参数自动调谐、自适应功能，带有这种功 能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自 动地对异步电动机的参数进行调谐后存储在相应的参数组中， 并根据调谐结果调整控制算法中的有关数值。 自动调谐（因在电动机旋转情况下进行，又称旋转式调 谐）的步骤一般是这样的：首先在变频器参数中输入需要调谐 的电动机的基本参数，包括电动机的类型（异步电动机或同步 电动机）、电动机的额定功率（单位是KW）、电动机的额定电 流（单位是A）、电动机的额定频率（单位是Hz）、电动机的 额定转速（单位转/分）；然后将电动机与机械设备分开，电 动机作为单体；接着用变频器的操作面板指令操作，变频器的 控制程序就会一边根据内部预先设定的运行程序自动运转， 一边测定一次电压和一次电流，然后计算出电动机的各项参 数。但在电动机与机械设备难以分开的场合却很不方便，此时 可采用静止式调谐整定的方法，即将固定在任一相位、仅改变 振幅而不产生旋转的三相交流电压施加于电动机上，电动机 不旋转，由此时的电压、电流波形按电动机等值回路对各项参 数进行运算，便能高精度测定控制上必需的电动机参数。在静 止式调谐中，用原来方法无法测定的漏电流也能测定，控制性 能进一步提高。利用静止式调谐技术，可对于机械设备组合一 起的电动机自动调谐、自动测定控制上所需的各项常数，因而 显著提高了通用变频器使用的方便性。 从图7的异步电动机的T型等效电路表示中可以看出，电 动机除了常规的参数如电动机极数、额定功率、额定电流外， 还有R1（定子电阻）、X11（定子漏感抗）、R2（转子电阻）、 X21（转子漏感抗）、Xm（互感抗）和I0（空载电流）。 图7 异步电动机稳态等效电路 从上面已经知道，参数辨识分电动机静止辨识和旋转辨 识2种，其中在静止辨识中，变频器能自动测量并计算定子和 转子电阻以及相对于基本频率的漏感抗，并同时将测量的参 数写入；在旋转辨识中，变频器自动测量电动机的互感抗和空 载电流。 2.3　速度调节器ASR 速度调节器ASR的结构如图所示，图8中Kp为比例增益， KI为积分时间。积分时间设为0时，则无积分作用，速度环 为单纯的比例调节器。由于是无速度传感器矢量控制方式，速 度环的实际速度来源于变频器内部的实际计算值。 图8 速度调节器简化框图 速度调节器ASR的整定参数包括比例增益P和积分时间 I，其数值大小将直接影响矢量控制的效果，其目标就是要取 得动态性能良好的阶跃响应（图9a）。具体调节的影响情况如 下：（1）增加比例增益P，可加快系统的动态响应，但P值过 大，系统容易振荡；（2）减小积分时间I值，可加快系统的动 态响应，但I值过小，系统超调就会增大，且容易产生振荡； （3）通常先调整比例增益P值，保证系统不振荡的前提下尽量 增大P值，然后调节积分时间I值使系统既有快速的响应特性 又超调不大。 图9b是比例增益P值与速度调节器ASR的阶跃响应关系， 图9c是积分时间I值与速度调节器ASR的阶跃响应关系。 www.plcworld.cn 本期策划 Survey 综述 24 自动化博览 2007年12月刊 （a） （b） （c） 图9 速度调节器ASR的阶跃响应与PI参数的关系 一般的矢量变频器为了适应电动机低速和高速带载运行 都有快速响应的情况，都设有两套PI参数值（即低速PI值和 高速PI值），同时设有切换频率。为了保证两套PI值的正常 过渡，一些变频器还另外设置了两个切换频率，即切换频率1 和切换频率2，如图10。其控制原理是：低于切换频率1的频 率动态响应PI值取A点的数值，高于切换频率2的频率动态 响应PI值取B点的数值，位于切换频率1和切换频率2的频 率动态响应PI值取两套PI参数的加权平均值。 图10 PI参数与频率切换的关系 如果PI参数设置不当，系统在快速启动到高速后，可能 产生减速过电压故障（如果没有外接制动电阻或制动单元）， 这是由于在速度超调后的下降过程中系统再生制动状态能量 回馈所致，因此合适的PI值对于系统的稳定性至关重要。 2.4　转差补偿增益和静差率 静差就是从一个稳定的转速过渡到另一个稳定的转速之 间的差值，静差率是指电动机空载与满载的速度差，这两个参 数对于电动机的控制特性都是要求比较高的。 由于无速度传感器的矢量控制方式对于转速的测量是间 接的，一般都是通过容易测量的定子电压和电流信号间接求 得转速。目前常用的方法有：（1）利用电动机模型推导出转速 方程式，从而计算转速；（2）利用电动机模型计算转差频率， 进行补偿；（3）根据模型参考自适应控制理论，选择合适的参 考模型和可调整模型，同时辨识转速和转子磁链；（4）利用其 它辨识或估计方法求得转速；（5）利用电动机的齿谐波电势计 算转速；等等。但是，无论哪一种方法，对于电动机实际运行 的速度计算或辨识精度都非常有限，为了精确调整静差，确保 电动机的静差率低于0.01%，就需要对转差补偿增益进行设 置。 所谓转差补偿增益，就是用于计算转差频率，设定值100％ 表示额定的转矩电流对应额定的转差频率，因此设置合理的 转差补偿增益系统可以精确调整速度控制的静差。其参数的 设置原则是：当电动机重载时速度偏低，就应该加大该系数， 反之就减小该参数。 参考文献 [1] 李方园. 变频器行业应用实践[M].北京:中国电力出版社,2006.5. [2] 李方园.变频器自动化工程实践[M].北京:电子工业出版社,2007.4 [3]张燕宾,胡纲衡,唐瑞球.使用变频调速技术 培训 焊锡培训资料ppt免费下载焊接培训教程 ppt 下载特设培训下载班长管理培训下载培训时间表下载 教程[M].北京:机械工业 出版社,2004.8. [4]吴忠智,吴加林.变频器应用手册（第2版）[M].北京: 机械工业出版社, 2003.4. [5]吴忠智,黄立培,吴加林.调速用变频器及配套设备选用指南[M].北京:机 械工业出版社,2002.4. 更正启示 2007年10月第五期99页“而后法国后来居上”应为 “而后德国后来居上”，特此更正！ 编号：070824 www.plcworld.cn 本期策划 Survey 综述 20 2008年02月刊 AUTOMATION PANORAMA 李方园（1973 －） 男，浙江舟山人，毕业于浙江大学电气自 动化专业，高级工程师，长期从事于变频 器等现代工控产品的应用与研究工作。 摘要：根据不同的变频控制理论，可以发展为几种不同的变频器控制方式， 即V/f控制方式（包括开环V/f控制和闭环V/f控制）、无速度传感器矢量控 制方式（矢量控制VC的一种）、闭环矢量控制方式（即有速度传感器矢量控 制VC的一种）、转矩控制方式（矢量控制VC或直接转矩控制DTC）等。这 些控制方式在变频器通电运行前必须首先设置。本文主要阐述的就是变频器 的这几种控制方式。 关键词：变频器； 控制方式； 矢量控制； 直接转矩控制 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. key words:AC inverter; control method; vector control; DTC control 3 有速度传感器矢量控制方式 3.1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，本书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。 3.2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。 （2）PG－X2卡，含A/B/Z相脉冲输入，对应线驱动，如 图2。 变频器的控制功能 第1讲 变频器的控制方式（下） 浙江工商职业技术学院 李方园 AC Inveter’s Control Function www.plcworld.cn 212008年02月刊 AUTOMATION PANORAMA 图1 PG－B2卡与编码器接线图 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，最高输入频 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－差动输入（图3）或者A＋、B＋推 挽输入（图5）；当跳线CN4位于OCI侧时，可以选择编码器信 号由A－、B－开路集电极输入（图4）。 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 图5 推挽输出编码器接线图 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PPR。 （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，安装在负载相反时B相超前。 图6 编码器PG的方向选择 （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10秒以下，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 www.plcworld.cn 本期策划 Survey 综述 22 2008年02月刊 AUTOMATION PANORAMA 应编码器安装在齿轮电动机上的情况，可设定齿轮齿数。电动 机转速公式由以下可以得出： 电动机速度（RPM）=（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％的最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。 3.3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。 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。 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 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控制则可以安装再传动点的任 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。 4 转矩控制方式 4.1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 流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。 4.2转矩控制功能结构 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。 图9 转矩控制功能框图 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）。 4.3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 www.plcworld.cn 本期策划 Survey 综述 24 2008年02月刊 AUTOMATION PANORAMA (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。 4.4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，就是用来限值速度调节器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分别限值电 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。 5 DTC方式 5.1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 （Band—Band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最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。 5.2DTC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，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。 表1 直接转矩控制速度性能指标 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。 www.plcworld.cn 本期策划 Survey 综述 26 2008年02月刊 AUTOMATION PANORAMA 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。 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 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，最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最合 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。 5.3DTC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在使用直接转矩控制时 的典型转矩控制性能指标。 表2 直接转矩控制转矩性能指标 如图13b为直接转矩控制方式下的转矩响应曲线。 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：就是从零增加到额定电动 机转矩的时间； （2）转矩给定的斜坡下降时间：就是从额定电动机转矩下 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。 编号：080126 www.plcworld.cn � � �� � � �� � ’ � �� � ��� � �� � ��� � 变频器的控制功能 第 �讲 变频器的频率给定方式 李方园 ���� � 一 � 男 , 浙江舟山人 , 毕业于浙江大学电气自 动化专业 , 高级工程师 , 长期从事于变频 器等现代工控产品的应用与研究工作。 摘要 � 所谓频率给定方式 , 就是调节变频器输出频率的具体方法 , 也就是提 供给定信号的方式。 变频器常见的频率给定方式主要有 � 操作器键盘给定 、 接点信号给定 、 模拟信号给定 、 脉冲信号给定和通讯方式给定等。 这些频率 给定方式各有优缺点 , 必须按照实际的需要进行选择设置 , 同时也可以根据 功能需要选择不同频率给定方式之间的叠加和切换。本文主要阐述的就是变 频器的这几种频率给定方式 。 关键词 � 变频器 � 频率给定方式 � 键盘给定 � 模拟量 在使用一台变频器的时候 , 目的是通过改变变频器的输出 频率 , 即改变变频器驱动电动机的供电频率从而改变电动机的 转速 。 如何调节变频器的输出频率呢� 关键是必须首先向变频 器提供改变频率的信号 , 这个信号 , 就称之为 “频率给定信号” 。 所谓频率给定方式 , 就是调节变频器输出频率的具体方法 , 也 就是提供给定信号的方式。 变频器常见的频率给定方式主要有 � 操作器键盘给定、 接 点信号给定 、 模拟信号给定 、 脉冲信号给定和通讯方式给定等。 这些频率给定方式各有优缺点 , 必须按照实际的需要进行选择 设置 , 同时也可以根据功能需要选择不同频率给定方式之间的 叠加和切换 。 操作器键盘给定 �� ���� �� � 丁七� �� �� � � �� ���� � � � ����� �� �� � � ��� ���� � � � �� �� � �� �� � � �� �� 阮� � �� �� � �� � �� ���� � � 了七���� �� ��� , �� �� �� �� �� ��� � ���� �� � � �� �� ��曲� � � �� � � � �� ���� �� � �� �� � �� � � � � � � ��� � �� �� �� �� �� �� �� � ��� �� � , �� � � � �� �� ��� ����� � , �� �� � �� �� �� , �� �� � � ���� �� � ,�� ��� �� �� �� � , �� ��� � � ���� �� � ! �� �� �� � � � � � � �� � � � ! � � � �� � �� �� � �� � �� � �� ��� �� � �� � �� � ��� � � � � ! �� �� � �� �� � �� � · �� ���� ! � � ��� �� ���� �� �� � �� � �� � � �� � �� � � � �� � � � � � �� � � �� ��� � � ���� � � � �� �� � � � ����� � � ���� � � � � �� � �� ���� �� � � �� �� � � 操作器键盘给定是变频器最简单的频率给定方式 , 用户可 以通过变频器的操作器键盘上的电位器 、 数字键或上升下降键 来直接改变变频器的设定频率。 操作器键盘给定的最大优点就是简单 、 方便、 醒 目 �可选 配� � 数码显示和中文�� 液晶显示� , 同时又兼具监视功能 , 即能够将变频器运行时的电流 、 电压 、 实际转速 、 母线电压等 实时显示出来。 如果选择键盘数字键或上升下降键给定 , 则由 于是数字量给定 , 精度和分辨率非常高 , 其中精度可达最高频 率 � 士 �� �� � 、 分辨率为 �� �� � 。 如果选择操作器上的电位器 给定 , 则属于模拟量给定 , 精度稍低 , 但由于无需像外置电位 器的模拟量输入那样另外接线 , 实用性非常高 。 变频器的操作器键盘通常可以取下或者另外选配 , 再通过 延长线安置在用户操作和使用方便的地方 。 一般情况下 , 延长 线可以在� 米以下选用 , 对于距离较远则不能简单地加长延长 线 , 而是必须使用远程操作器键盘 。 图 �所示为艾默生 �� 系列变频器的远程操作器连线示意 。 该远程操作器型号为 � � � 一� ��� , 与其变频器�� �� �� �� ��� 系 列操作器键盘的外观 、基本操作方法以及显示风格等基本一致 。 � 卜� 自初 , 匕博见 �� �� 年 �� 月刊� � � � � � � �� � � � � � � � � � www.plcworld.cn www.plcworld.cn www.plcworld.cn 模拟量给定一样定义脉冲频率给定曲线。 该频率给定曲线也是 线性的 , 通过首坐标和尾坐标两点的数值来确定。 因此 , 其频 率给定曲线可以是正比线性关系 , 也可以是反比线性关系。 一 般而言 , 脉冲给定值通常用百分比来表示 。 这里进行举例说明一下脉冲给定的参数设置 。 现在有一个 变频系统 , 其需求如下 � �� 使用端子输入的脉冲信号来设置 给定频率� �� �输入信号范围为 �� � 一 �� � � � �� �要求 � � � 输入信号对应设定频率为�� � � , �� � � � 输入信号对应设定频率 为�� � 。 根据上述要求 , 参数设置要点如下 � �� 设置频率给定方 式为脉冲给定 � �� � 选择多功能输入端子为脉冲信号输入 �如 脉冲信号端子固定则无需选择 , 如安川� � � 的 � �端子�� �� 设置脉冲最大输人频率为�� � � � � �� � 定义频率给定曲线首坐 标点的数值 , 即最小脉冲给定值的百分比为 � �� � 令 �� � � � ‘ ��� � � �� , 以及最小脉冲数对应的频率值�� � � � �� 定义频 率给定曲线尾坐标点的数值 , 即最大脉冲给定值的百分比为�� � � , 以及最大脉冲数对应的频率值 �� � 。 具体如图 � 所示。 活性好 , 便于处理实时性较强的串行数据 � 缺点是传输速度较 低。 �� �同步方式。 它可以同时传输一个包含许多个字符的 据块 ” , 只需在每个数据块前面设置通讯双方共同规定的同步符 号 “ �� � 字符 �” 和 “�� � 字符 � � 即可 。 同步方式的优点是不 必要在每个字符的前后设置标志符号 (起始位和停止位) 节省了时间, 提高了传输速度; 缺点是必须采用同步脉冲来协 调 , 从而灵活性较差。 上位机和变频器之间的传递方法也有两种: (l) 全双工方 数据在上位机和变频器之间的发送和接收可以同时进行。 ( 2 ) 半双工方式 。 每台设备都只能做一件事情 , 或接收 , 或发 送 , 而不能同时发送或接收 。 每次发送或接收时 , 都需要进行 发送和接收之间的换向。 上位机和变频器之间的传输速度通常用 “波特率 ” 来表示 , 其定义如下: 每秒钟传送二进制位的位数 , 单位是 bi t/s 。 只 2 通讯参数设置 只有设置正确的通讯参数才能确保上位机和变频器之间的 通讯正常 , 也才能保证通讯给定方式的准确性 。 通讯参数一般 输出频率 包含以下几个主要内容: (l) 波特率选择 。 一般的变频器通讯波特率可以选择 F1.0少50 300B PS 、 6 0 0 B P S 、 1 2 0 0 B P S 1 9 2 0 0 B P S 、 3 8 4 0() B P S 等 。 2 4 O O B P S ( 2) 数据格式 。 常见的数据位包括一个起始位 F1.11=5 位、 一个停止位 , 校验位则可以分别设置位奇校验 无校验三种 。 脉冲信号输入 (3) 接线方式 。 包括直接电缆连接Rs232瓜54 85和调制解 F1.08=5 F1.10=l(X) 调器 M O D E M (R S 232 ) , 其中设置为调制解调器M O D E M (R S 2 32 ) 时 , 每当变频器上电时 将通过变频器的通讯 口 图6 脉冲给定曲线 5 通讯给定 :.] 基本概念 通讯给定方式就是指上位机通过通讯口按照特定的通讯协 议 、 特定的通讯介质进行数据传输到变频器以改变变频器设定