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(zhuǎn)矩控制、簡單伺服控制等對控制性能要求嚴(yán)格的使用場合。在該方式下采用的速度傳感器一般是旋轉(zhuǎn)編碼器，并安裝在被控電動機(jī)的軸端，而不是象閉環(huán)V/f控制安裝編碼器或接近開關(guān)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(yùn)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(yīng)，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(diào)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(zhuǎn)速起進(jìn)行速度控制，即使低速亦能運(yùn)行，因此調(diào)速范圍很寬廣，可達(dá)1000:1；（2）可以對轉(zhuǎn)矩實(shí)行精確控制；（3）系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度甚快；（4）電動機(jī)的加速度特性很好等優(yōu)點(diǎn)。

    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(yīng)。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(shè)置合理的跳線至關(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卡類型主要有兩種：

    （1）PG－B2卡，含A/B相脈沖輸入，對應(yīng)補(bǔ)碼輸出，如圖1。

    （2）PG－X2卡，含A/B/Z相脈沖輸入，對應(yīng)線驅(qū)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

    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(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(dá)到0.05％，而閉環(huán)V/f控制則只有0.5％（相當(dāng)于無傳感器矢量控制的水平）。（2）啟動轉(zhuǎn)矩不同。帶速度傳感器矢量控制的啟動轉(zhuǎn)矩可達(dá)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(yán)格，必須與電動機(jī)或者齒輪電動機(jī)的軸一致；而閉環(huán)V/f控制則可以安裝再傳動點(diǎn)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(yán)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(guān)替代。（5）編碼器斷線停機(jī)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(yùn)行。

4 轉(zhuǎn)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(diào)速范圍上與直流電動機(jī)相匹配，而且可以控制異步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。

    4.2 轉(zhuǎn)矩控制功能結(jié)構(gòu)

    轉(zhuǎn)矩控制根據(jù)不同的數(shù)學(xué)算法其功能結(jié)構(gòu)也不同，圖9是一種典型的采用矢量方式實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩控制功能框圖。先是根據(jù)轉(zhuǎn)矩設(shè)定值計算出轉(zhuǎn)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(jī)速度相加，在速度限制下輸出同步頻率。很顯然，在轉(zhuǎn)矩控制方式下，速度調(diào)節(jié)器ASR并不起直接作用，也無法控制速度。

    轉(zhuǎn)矩控制時，變頻器的輸出頻率自動跟蹤負(fù)載速度的變化，但輸出頻率的變化受設(shè)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(shè)得短一些。

圖9  轉(zhuǎn)矩控制功能框圖

    轉(zhuǎn)矩分正向轉(zhuǎn)矩和反向轉(zhuǎn)矩，其設(shè)定可以通過模擬量端子的電平來決定，該轉(zhuǎn)矩方向與運(yùn)行指令的方向（即正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)）無關(guān)。當(dāng)模擬量信號為0~10V時，為正轉(zhuǎn)矩，即電動機(jī)正轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)矩指令（從電動機(jī)的輸出軸看是逆時針轉(zhuǎn)）；當(dāng)模擬量信號為－10V~0時，為負(fù)轉(zhuǎn)矩，即電動機(jī)反轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)矩指令（從電動機(jī)的輸出軸看是順時針轉(zhuǎn)）。

    4.3 轉(zhuǎn)矩控制和速度控制的切換

    由于轉(zhuǎn)矩控制時不能控制轉(zhuǎn)速的大小，所以，在某些轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩控制主要用于起動或停止的過渡過程中。當(dāng)拖動系統(tǒng)已經(jīng)起動后，仍應(yīng)切換成轉(zhuǎn)速控制方式，以便控制轉(zhuǎn)速。
切換的時序圖如圖10所示。
 

圖10    轉(zhuǎn)矩控制和轉(zhuǎn)速控制的時序圖

    (1) t1時段：變頻器發(fā)出運(yùn)行指令時，如未得到切換信號，則為轉(zhuǎn)速控制模式。變頻器按轉(zhuǎn)速指令決定其輸出頻率的大小。同時，可以預(yù)置轉(zhuǎn)矩上限;

    (2) t2時段：變頻器得到切換至轉(zhuǎn)矩控制的信號(通常從外接輸入電路輸入)，轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)矩控制模式。變頻器按轉(zhuǎn)矩指令決定其電磁轉(zhuǎn)矩的大小。同時，必須預(yù)置轉(zhuǎn)速上限；

    (3) t3時段：變頻器得到切換至轉(zhuǎn)速控制的信號, 回到轉(zhuǎn)速控制模式；

    (4) t4時段：變頻器再次得到切換至轉(zhuǎn)矩控制的信號, 回到轉(zhuǎn)矩控制模式；

    (5) t5時段：變頻器的運(yùn)行指令結(jié)束，將在轉(zhuǎn)速控制模式下按預(yù)置的減速時間減速并停止。

    如果變頻器的運(yùn)行指令在轉(zhuǎn)矩控制下結(jié)束，變頻器將自動轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)速控制模式，并按預(yù)置的減速時間減速并停止。

    4.4 轉(zhuǎn)矩控制與限轉(zhuǎn)矩功能

    在轉(zhuǎn)矩控制中，經(jīng)常會與速度控制下的限轉(zhuǎn)矩功能搞混淆。所謂轉(zhuǎn)矩限定，就是用來限值速度調(diào)節(jié)器ASR輸出的轉(zhuǎn)矩電流。

    定義轉(zhuǎn)矩限定值0.0～200％為變頻器額定電流的百分?jǐn)?shù)；如果轉(zhuǎn)矩限定＝100％，即設(shè)定的轉(zhuǎn)矩電流極限值為變頻器的額定電流。圖11所示為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩的大小。
 

圖11  轉(zhuǎn)矩限制功能圖

    再生制動狀態(tài)運(yùn)行時，應(yīng)根據(jù)需要的制動轉(zhuǎn)矩適當(dāng)調(diào)整再生制動限定值F2，在要求大制動轉(zhuǎn)矩的場合，應(yīng)外接制動電阻或制動單元，否則可能會產(chǎn)生過壓故障。

    對于轉(zhuǎn)矩限值，一般可以通過兩種方式進(jìn)行設(shè)定。一種是通過參數(shù)設(shè)定，變頻器都提供了相應(yīng)的參數(shù)，如安川VS G7的L7－01到L7－04可以分別設(shè)定四個象限的轉(zhuǎn)矩限定值。另外一種就是通過模擬量輸入設(shè)定，用輸入量的0～10V或4～20mA信號對應(yīng)0－200％的轉(zhuǎn)矩限值。

5 DTC方式

    5.1 基本概念

    直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩為中心來進(jìn)行磁鏈、轉(zhuǎn)矩的綜合控制。和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制不采用解耦的方式，從而在算法上不存在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡單地通過檢測電動機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。

    直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，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(biāo)系下分析異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計算與控制異步電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器（Band—Band控制），把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較，使轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的容差范圍內(nèi)，容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來控制，并產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，以獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。它的控制效果不取決于異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型是否能夠簡化，而是取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際狀況，它不需要將交流電動機(jī)與直流電動機(jī)作比較、等效、轉(zhuǎn)化，即不需要模仿直流電動機(jī)的控制，由于它省掉了矢量變換方式的坐標(biāo)變換與計算和為解耦而簡化異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型，沒有通常的PWM脈寬調(diào)制信號發(fā)生器，所以它的控制結(jié)構(gòu)簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無超調(diào)，是一種具有高靜、動態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。

    與矢量控制方式比較，直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子磁鏈，觀測轉(zhuǎn)子磁鏈需要知道電動機(jī)轉(zhuǎn)子電阻和電感。因此直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題。直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量，對轉(zhuǎn)矩的直接控制或直接控制轉(zhuǎn)矩，既直接又簡化。

    直接轉(zhuǎn)矩控制對交流傳動來說是一個優(yōu)秀的電動機(jī)控制方法，它可以對所有交流電動機(jī)的核心變量進(jìn)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(yīng)用提供了益處。在DTC中，定子磁通和轉(zhuǎn)矩被作為主要的控制變量。高速數(shù)字信號處理器與先進(jìn)的電動機(jī)軟件模型相結(jié)合使電動機(jī)的狀態(tài)每秒鐘被更新40,000次。由于電動機(jī)狀態(tài)以及實(shí)際值和給定值的比較值被不斷地更新，逆變器的每一次開關(guān)狀態(tài)都是單獨(dú)確定的。這意味著傳動可以產(chǎn)生最佳的開關(guān)組合并對負(fù)載擾動和瞬時掉電等動態(tài)變化做出快速響應(yīng)。在DTC中不需要對電壓，頻率分別控制的PWM調(diào)制器。

    5.2 DTC直接轉(zhuǎn)矩控制的速度控制性能

    ABB的ACS800能夠?qū)λ俣冗M(jìn)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(zhuǎn)矩控制時的典型速度性能指標(biāo)。

    表1  直接轉(zhuǎn)矩控制速度性能指標(biāo):

圖12  DTC直接轉(zhuǎn)矩控制時的速度響應(yīng)曲線

    TN：電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩  nN：電動機(jī)額定速度  nact：實(shí)際速度  nref：設(shè)定速度

    在參數(shù)組23中可以對速度控制器進(jìn)行PID變量設(shè)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(bǔ)償，其經(jīng)過PID作用后的輸出作為轉(zhuǎn)矩控制器的給定信號。
 

    表2  直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩性能指標(biāo):