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速度傳感器矢量控制系統速度傳感器：從幾個方面了解有速度傳感器矢量控制方式

有速度傳感器的矢量控制方式的矢量變頻器，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。
　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。
　　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。
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。

速度傳感器矢量控制系統速度傳感器：無速度傳感器矢量控制方式詳解

　　在高性能的異步電動機矢量控制系統中，矢量變頻器的轉速的閉環控制環節一般是必不可少的。通常，采用旋轉編碼器等速度傳感器來進行轉速檢測，并反饋轉速信號。但是，由于速度傳感器的安裝給系統帶來一些缺陷:系統的成本大大增加;精度越高的編碼器價格也越貴;編碼器在電動機軸上的安裝存在同心度的問題，安裝不當將影響測速的精度;安裝在電動機軸上的體積增大，而且給電動機的維護帶來一定困難，同時破壞了異步電動機的簡單堅固的特點;在惡劣的環境下，編碼器工作的精度易受環境的影響。而無速度傳感器的控制系統無需檢測硬件，免去了速度傳感器帶來的種種麻煩，提高了系統的可靠性，降低了系統的成本;另一方面，使得系統的體積小、重量輕，而且減少了電動機與控制器的連線。因此，無速度傳感器的矢量控制方式在工程應用中變得非常必要。
無速度傳感器的矢量控制方式是基于磁場定向控制理論發展而來的。實現精確的磁場定向矢量控制需要在異步電動機內安裝磁通檢測裝置，要在異步電動機內安裝磁通檢測裝置是很困難的，但人們發現，即使不在異步電動機中直接安裝磁通檢測裝置，也可以在通用變頻器內部得到與磁通相應的量，并由此得到了無速度傳感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根據輸入的電動機的銘牌參數，按照一定的關系式分別對作為基本控制量的勵磁電流（或者磁通）和轉矩電流進行檢測，并通過控制電動機定子繞組上的電壓的頻率使勵磁電流（或者磁通）和轉矩電流的指令值和檢測值達到一致，并輸出轉矩，從而實現矢量控制。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敵，而且可以控制異步電動機產生的轉矩。由于矢量控制方式所依據的是準確的被控異步電動機的參數，因此需要在使用時準確地輸入異步電動機的參數，并對拖動的電動機進行調諧整定，否則難以達到理想的控制效果。
　　無速度傳感器矢量控制方式的基本技術指標定義如下:速度控制精度±0.5％，速度控制范圍1:100，轉矩控制響應

圖6　無速度傳感器矢量控制方式啟動轉矩特性
有時為了描述上的方便，也把無速度傳感器的矢量控制方式稱為開環矢量控制或無pg反饋矢量控制。
電動機參數的調諧整定
由于電動機磁通模型的建立必須依賴于電動機參數，因此選擇無速度傳感器矢量控制時，第一次運行前必須首先對電動機進行參數的調諧整定。目前新型矢量控制通用變頻器中已經具備異步電動機參數自動調諧、自適應功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅動異步電動機進行正常運轉之前可以自動地對異步電動機的參數進行調諧后存儲在相應的參數組中，并根據調諧結果調整控制算法中的有關數值。
　　自動調諧（因在電動機旋轉情況下進行，又稱旋轉式調諧）的步驟一般是這樣的:首先在變頻器參數中輸入需要調諧的電動機的基本參數，包括電動機的類型（異步電動機或同步電動機）、電動機的額定功率（單位是kw）、電動機的額定電流（單位是a）、電動機的額定頻率（單位是hz）、電動機的額定轉速（單位r/min）;然后將電動機與機械設備分開，電動機作為單體;接著用變頻器的操作面板指令操作，變頻器的控制程序就會一邊根據內部預先設定的運行程序自動運轉，一邊測定一次電壓和一次電流，然后計算出電動機的各項參數。但在電動機與機械設備難以分開的場合卻很不方便，此時可采用靜止式調諧整定的方法，即將固定在任一相位、僅改變振幅而不產生旋轉的三相交流電壓施加于電動機上，電動機不旋轉，由此時的電壓、電流波形按電動機等值回路對各項參數進行運算，便能高精度測定控制上必需的電動機參數。在靜止式調諧中，用原來方法無法測定的漏電流也能測定，控制性能進一步提高。利用靜止式調諧技術，可對于機械設備組合一起的電動機自動調諧、自動測定控制上所需的各項常數，因而顯著提高了通用變頻器使用的方便性。
圖7　異步電動機穩態等效電路
　　從圖7所示的異步電動機的t型等效電路表示中可以看出，電動機除了常規的參數如電動機極數、額定功率、額定電流外，還有r1（定子電阻）、x11（定子漏感抗）、r2（轉子電阻）、x21（轉子漏感抗）、xm（互感抗）和i0（空載電流）。
　　從上面已經知道，參數辨識分電動機靜止辨識和旋轉辨識兩種，其中在靜止辨識中，變頻器能自動測量并計算定子和轉子電阻以及相對于基本頻率的漏感抗，并同時將測量的參數寫入;在旋轉辨識中，變頻器自動測量電動機的互感抗和空載電流。
速度調節器asr
圖8　速度調節器簡化框圖
　　速度調節器asr的結構如圖8所示，圖8中kp為比例增益，ki為積分時間。積分時間設為0時，則無積分作用，速度環為單純的比例調節器。由于是無速度傳感器矢量控制方式，速度環的實際速度來源于變頻器內部的實際計算值。
　　速度調節器asr的整定參數包括比例增益p和積分時間i，其數值大小將直接影響矢量控制的效果，其目標就是要取得動態性能良好的階躍響應，如圖9a所示。具體調節的影響情況如下:
（1）增加比例增益p，可加快系統的動態響應，但p值過大，系統容易振蕩;
（2）減小積分時間i值，可加快系統的動態響應，但i值過小，系統超調就會增大，且容易產生振蕩;
（3）通常先調整比例增益p值，保證系統不振蕩的前提下盡量增大p值，然后調節積分時間i值使系統既有快速的響應特性又超調不大。
a）參數整定情況之一 b）參數整定情況之一c）參數整定情況之一
圖9速度調節器asr階躍響應與pi參數的關系
　　圖9b是比例增益p值與速度調節器asr的階躍響應關系，圖9c是積分時間i值與速度調節器asr的階躍響應關系。
　　一般的矢量變頻器為了適應電動機低速和高速帶載運行都有快速響應的情況，都設有兩套pi參數值（即低速pi值和高速pi值），同時設有切換頻率。為了保證兩套pi值的正常過渡，一些變頻器還另外設置了兩個切換頻率，即切換頻率1和切換頻率2，如圖10。其控制原理是:低于切換頻率1的頻率動態響應pi值取a點的數值，高于切換頻率2的頻率動態響應pi值取b點的數值，位于切換頻率1和切換頻率2的頻率動態響應pi值取兩套pi參數的加權平均值。
　　如果pi參數設置不當，系統在快速啟動到高速后，可能產生減速過電壓故障（如果沒有外接制動電阻或制動單元），這是由于在速度超調后的下降過程中系統再生制動狀態能量回饋所致，因此合適的pi值對于系統的穩定性至關重要。

圖10　pi參數與頻率切換的關系
轉差補償增益和靜差率
　　靜差就是從一個穩定的轉速過渡到另一個穩定的轉速之間的差值，靜差率是指電動機空載與滿載的速度差，這兩個參數對于電動機的控制特性都是要求比較高的。
　　由于無速度傳感器的矢量控制方式對于轉速的測量是間接的，一般都是通過容易測量的定子電壓和電流信號間接求得轉速。目前常用的方法有:
（1）利用電動機模型推導出轉速方程式，從而計算轉速;
（2）利用電動機模型計算轉差頻率，進行補償;
（3）根據模型參考自適應控制理論，選擇合適的參考模型和可調整模型，同時辨識轉速和轉子磁鏈;
（4）利用其它辨識或估計方法求得轉速;
（5）利用電動機的齒諧波電勢計算轉速;等等。但是，無論哪一種方法，對于電動機實際運行的速度計算或辨識精度都非常有限，為了精確調整靜差，確保電動機的靜差率低于0.01%，就需要對轉差補償增益進行設置。
　　所謂轉差補償增益，就是用于計算轉差頻率，設定值100％表示額定的轉矩電流對應額定的轉差頻率，因此設置合理的轉差補償增益系統可以精確調整速度控制的靜差。其參數的設置原則是:當電動機重載時速度偏低，就應該加大該系數，反之就減小該參數

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閉環運行方式 * * 載波頻率自適應功能 * * 轉差補償功能 * * 下垂控制功能 * * 下垂控制功能 * * 電流限定功能 * * 控制端子的排列 控制板端子的連接   CN4端子排列如下： CN9端子排列如下 +10v AI1 AI2 AI3 GND AO1 AO2 GND  485+ 485- ? +24V PLC COM X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7/DI 控制回路端子功能（1） * * * * 控制回路端子功能（2） * * 控制回路端子功能（3） * * V6-H卓越的控制性能 V6-H硬件接口 V6-H應用功能 * * 控制方式 V/F控制：將矢量控制技術與V/F控制相結合，既有矢量控制的優異性能又對電機參數不敏感；在驅動一臺以上電機，或無法獲得電機參數的情況下，選用V/F控制。 無速度 傳感器矢量控制：精確的無速度傳感器矢量控制技術真正實現了交流電機解藕，使運行控制直流電機化；用于搞性能的速度控制場合，或實現轉矩控制。 ★速度控制 0.25Hz 180％額定轉矩   調速范圍1：200  穩速精度：±0.2％ ★轉矩控制  轉矩精度±5％，轉矩響應＜20ms 有速度傳感器矢量控制：實現更高精度和更快反應的控制，主要用于高精度的速度控制，轉矩控制，實現零位伺服控制功能。 ★速度控制  0.00Hz 180％額定轉矩   調速范圍1：1000  穩速精度：±0.02％ ★轉矩控制   轉矩精度±5％，轉矩響應＜10ms  運行方式---V/F控制 開環控制：適用于大多數場合，既適合一臺變頻器驅動一臺電機的場合，也適用于一臺變頻器驅動多臺電機的場合。 模擬量反饋閉環控制：適用于速度控制精度要求一般的場合，反饋的模擬量可以代表溫度，壓力，濕度等物理量。 PG反饋閉環控制：適用于速度控制精度要求更高的場合，需要在電機或機械設備軸端安裝脈沖編碼器。 復合控制：開環和模擬量反饋閉環的復合控制，適用于特殊應用場合。 * * 運行方式---無速度傳感器矢量控制 開環控制：適用于高性能場合，具有轉速精度高、轉矩精度高且無需安裝脈沖編碼器的優點。 模擬量反饋閉環控制：與V/F控制方式時一樣，但控制精度更高。 PG反饋閉環控制：適用于速度控制精度要求更高的場合，需要在電機或機械設備軸端安裝脈沖編碼器。 復合控制：開環和模擬量反饋閉環的復合控制，適用于特殊應用場合。  * * 運行方式---閉環矢量控制 過程開環控制：可以提供零頻較大的力矩輸出，零位伺服功能，同時速度精度更高。 * * * * 運行命令給定方式 ·支持操作面板、外部端子、串行口三種靈活的控制方式 ·  運行控制方式可以通過以下方式切換完成     功能碼P0.06：直接修改運行模式     外部端子：通過3個多功能端子設定為48、49 、50，即可實現運行命令通道選擇0，1，2的切換。端子有無效切換到有效時，沿觸發有效。 ·需要注意的是：無論變頻器處于運行或停機狀態，隨時可以進行，但運行時切換有可能會出現停機，在切換時必須保證運行命令的有效性 * * 頻率給定方式---物理通道 V系列變頻器最終輸出的頻率是由7種基本通道經過多種運算組合后確定的。運算時涉及到主設定頻率與輔助設定頻率的概念。 給定的物理通道為： 1、LED鍵盤顯示單元▲、▼（或數字電位器）給定 2、端子UP/DN給定 3、串行口給定 4、AI1模擬量給定（可以選擇0—10V或0—20mA給定） 5、AI2模擬量給定（可以選擇0—10V或0—20mA給定） 6、AI3模擬量給定（-10V--+10V給定） 7、端子脈沖給定（通過X7/DI端口設置頻率給定） * * 頻率給定方式---開環主給定方式 * * 頻率給定方式---開環輔助給定方式  0：無 1：AI1  通過模擬量輸入口，可以選擇電流或電壓輸入 2：AI2  通過模擬量輸入口，可以選擇電壓或電流輸入 3：AI3  通過模擬量輸入口，可以實現帶運行方向的運行頻率的設定。 4：AI4  通過脈沖輸入口，實現脈沖頻率的設定 * * 頻率給定方式---開環主輔給定的運算關系   * * 頻率給定方式---模擬量閉環給定 * * 頻率給定方式---復合給定 頻率給定方式---模擬量給定曲線 * * 頻率給定方式---模擬量的對應關系 * * 頻率給定方式---模擬量的對應關系 * * 頻率給定方式---模擬量的對應關系 * * 頻率給定方式---模擬量的對應關系 * * 模擬量通道功能選擇 * * 模擬量通道濾波 * * 模擬量通道其他功能 * * * * 按鍵功能---多功能鍵 * * V/F曲線 V/F曲線    6種特性曲線   0: 直線   1：用戶自定義曲線   2：降轉矩特性曲線(1.2次冪)   3：降轉矩特性曲線(1.4次

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有速度傳感器矢量控制方式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反饋矢量控制本文為了不與運行方式中的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