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李方園（1973 －）
男，浙江舟山人，畢業(yè)于浙江大學電氣自動化專業(yè)，高級工程師，浙江工商職業(yè)技術學院,長期從事于變頻器等現(xiàn)代工控產品的應用與研究工作。
摘要：根據(jù)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（包括開環(huán)V/f控制和閉環(huán)V/f控制）、無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(tǒng)一配置的，最高輸入頻率為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－差動輸入（圖3）或者A＋、B＋推挽輸入（圖5）；當跳線CN4位于OCI側時，可以選擇編碼器信號由A－、B－開路集電極輸入（圖4）。 在變頻器的參數(shù)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。
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(huán)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(huán)矢量控制或有PG反饋矢量控制，本書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，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(yōu)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(tǒng)的動態(tài)響應速度甚快；（4）電動機的加速度特性很好等優(yōu)點。
3.2 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。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。
（2）PG－X2卡，含A/B/Z相脈沖輸入，對應線驅動，如圖2。
圖1 PG－B2卡與編碼器接線圖
圖2 PG－X2卡與編碼器接線圖
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
圖5 推挽輸出編碼器接線圖
（1）編碼器PG每轉脈沖數(shù)。此參數(shù)可以查看編碼器本身的技術指標，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(shù)可方便地調整接線方向的對應關系，而無須重新接線。
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，安裝在負載相反時B相超前。
圖6 編碼器PG的方向選擇
（4）編碼器PG斷線檢測時間。一般為10秒以下，以確認在此時間內編碼器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(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)是為了適應編碼器安裝在齒輪電動機上的情況，可設定齒輪齒數(shù)。電動機轉速公式由以下可以得出：
電動機速度（RPM）=（從編碼器PG輸入的脈沖數(shù)×60）×（負載側齒輪齒數(shù) / 電動機側齒輪齒數(shù)）/編碼器PG的每轉脈沖數(shù)
（7）檢出電動機的過速度。電動機超過規(guī)定以上的轉速時，檢出故障。通常設定100％～120％的最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(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(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(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)以及相應的參數(shù)設置，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。
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)過轉矩限定，輸出轉矩電流，進入轉矩環(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(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(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控制則可以安裝再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(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。
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機相匹配，而且可以控制異步電動機產生的轉矩。
4.2 轉矩控制功能結構
轉矩控制根據(jù)不同的數(shù)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(xiàn)的轉矩控制功能框圖。先是根據(jù)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(jié)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）。
圖9 轉矩控制功能框圖
4.3 轉矩控制和速度控制的切換
由于轉矩控制時不能控制轉速的大小，所以，在某些轉速控制系統(tǒng)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(tǒng)已經(jīng)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。
(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;
圖10 轉矩控制和轉速控制的時序圖
(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。
4.4 轉矩控制與限轉矩功能
在轉矩控制中，經(jīng)常會與速度控制下的限轉矩功能搞混淆。所謂轉矩限定，就是用來限值速度調節(jié)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(shù)；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，F(xiàn)1、F2分別限值電動和制動狀態(tài)時輸出轉矩的大小。
再生制動狀態(tài)運行時，應根據(jù)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。 其中動態(tài)速度誤差依賴于速度控制器的參數(shù)整定，圖12為動態(tài)速度響應曲線。
圖11 轉矩限制功能圖
對于轉矩限值，一般可以通過兩種方式進行設定。一種是通過參數(shù)設定，變頻器都提供了相應的參數(shù)，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。
5 DTC方式
5.1 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(jù)與給定值比較所得差值，實現(xiàn)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(shù)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(jié)器（Band—Band控制），把轉矩檢測值與轉矩給定值作比較，使轉矩波動限制在一定的容差范圍內，容差的大小由頻率調節(jié)器來控制，并產生PWM脈寬調制信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行控制，以獲得高動態(tài)性能的轉矩輸出。它的控制效果不取決于異步電動機的數(shù)學模型是否能夠簡化，而是取決于轉矩的實際狀況，它不需要將交流電動機與直流電動機作比較、等效、轉化，即不需要模仿直流電動機的控制，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化異步電動機數(shù)學模型，沒有通常的PWM脈寬調制信號發(fā)生器，所以它的控制結構簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉矩響應迅速且無超調，是一種具有高靜、動態(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測出來。而矢量控制磁場定向所用的是轉子磁鏈，觀測轉子磁鏈需要知道電動機轉子電阻和電感。因此直接轉矩控制大大減少了矢量控制技術中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題。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，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩，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，既直接又簡化。
直接轉矩控制對交流傳動來說是一個優(yōu)秀的電動機控制方法，它可以對所有交流電動機的核心變量進行直接控制。它開發(fā)出交流傳動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(shù)字信號處理器與先進的電動機軟件模型相結合使電動機的狀態(tài)每秒鐘被更新40,000次。由于電動機狀態(tài)以及實際值和給定值的比較值被不斷地更新，逆變器的每一次開關狀態(tài)都是單獨確定的。這意味著傳動可以產生最佳的開關組合并對負載擾動和瞬時掉電等動態(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能夠對速度進行精確的控制，根據(jù)不同的速度精度可以選擇無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：電動機額定轉矩 nN：電動機額定速度 nact：實際速度 nref：設定速度 a) DTC直接轉矩控制時的速度控制器 b)DTC直接轉矩控制時的轉矩響應曲線
圖12 DTC直接轉矩控制時的速度響應曲線
在參數(shù)組23中可以對速度控制器進行PID變量設定，速度控制器的原理見圖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：電動機額定轉矩 Tref：設定轉矩 Tact：實際轉矩
速度控制器的參數(shù)內容包括以下幾方面：
（1）增益參數(shù)：定義速度控制器的比例增益，如增益過大可能引起速度波動。
（2）積分時間參數(shù)：定義速度控制器的積分時間，即在偏差階躍信號下，控制器輸出信號的變化率。積分時間越短，連續(xù)偏差值的校正就越快，但是如果太短就會造成控制不穩(wěn)定。
（3）微分時間參數(shù)：定義速度控制器的微分時間，即在偏差值發(fā)生改變的情況下增加控制器的輸出。微分時間越長，在偏差改變的過程中，控制器的輸出速度就越快。微分作用使控制對擾動的敏感度增加。
（4）加速補償?shù)奈⒎謺r間：在加速過程中為了補償慣性，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(shù)值能在電動機辨識（與矢量控制的電動機辨識相同）整定期間進行自動調節(jié)，當然也可以手動整定控制器的相關參數(shù)，或是讓變頻器單獨執(zhí)行一次速度控制器自動整定運行。要注意的是，最終速度控制器的控制效果取決于各個參數(shù)的綜合作用，因此電動機帶載運行進行自整定才是最合適的，同時可以在電動機額定轉速的三分之一作用進行恒速度運行。
5.3 DTC直接轉矩控制的轉矩控制性能
直接轉矩控制技術對于轉矩的控制非常出色，即使不使用任何來自電動機軸上的速度反饋，變頻器也能進行精確的轉矩控制。當然，由于在無脈沖編碼器情況下的直接轉矩控制，在零頻附近運行時，線性誤差和可重復性誤差可能會較大，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ABB變頻器ACS800在使用直接轉矩控制時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。
對于參數(shù)的設置，首先必須在參數(shù)99.02選擇應用程序宏設定為T－CTRL轉矩控制宏和參數(shù)99.04定義為DTC直接轉矩控制，然后在參數(shù)組24中可以對轉矩控制進行設定，參數(shù)內容包括：
（1）轉矩給定的斜坡上升時間：就是從零增加到額定電動機轉矩的時間；
（2）轉矩給定的斜坡下降時間：就是從額定電動機轉矩下降到零的時間。
轉矩控制宏一般應用于需要控制電動機轉矩的場合，如嚙合輥控制、張力控制等。其默認的接線方式是：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％的電動機額定轉矩。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號