通用型交流變頻調(diào)速器的伺服功能及應(yīng)用

概述

進入20世紀(jì)90年代，由于電力電子器件、微型處理器的發(fā)展，以及先進控制理論(如磁場定向矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制)的應(yīng)用等原因，使交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在諸如調(diào)速范圍、驅(qū)動能力、調(diào)速精度、動態(tài)響應(yīng)、輸出性能、運行效率及使用方便性等方面有了很大的提高。目前，交流變頻器的性能已經(jīng)可以和直流調(diào)速性能相媲美，再加上交流電機固有的優(yōu)點，更適用于直流調(diào)速系統(tǒng)無法比擬的場合，如高速化、大容量的旋轉(zhuǎn)機械。交流變頻器已在鋼鐵、冶金、礦山、石油、化工、醫(yī)藥、紡織、機械、電力、輕工、建材、造紙、印刷等傳統(tǒng)工業(yè)的改造和發(fā)展中得到了廣泛應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益[1-4]。

然而，隨著工業(yè)場合中生產(chǎn)工藝的不斷改進和升級，對通用變頻器的功能和性能也提出了更高的要求，尤其是一些需要定向、定位的場合，使用伺服系統(tǒng)進行控制成本較高，因此通用變頻器設(shè)計相應(yīng)的簡易伺服功能成為必要的需求。簡易伺服功能在通用變頻技術(shù)的前提下，對于控制方法內(nèi)部的電流環(huán)和速度環(huán)，都進行了比一般變頻更精確的控制技術(shù)和算法運算，在功能上也比通用變頻器強大很多，最主要是增加了位置環(huán)，可以進行精確的位置控制，通過給定的脈沖序列來控制速度和位置。

以電主軸的控制為例，電主軸是數(shù)控機床的重要部件，傳統(tǒng)機床主軸是通過傳動裝置帶動主軸旋轉(zhuǎn)而工作的，而電主軸的主要特點是將電動機置于主軸內(nèi)部，通過驅(qū)動電源直接驅(qū)動主軸進行工作，實現(xiàn)了電動機、主軸的一體化功能，進行切削加工，具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、噪聲低、振動小、精度高、運行平穩(wěn)、沖擊小等特點，能夠使主軸軸承壽命得到延長。使用通用變頻器的伺服功能，可完成動態(tài)高精度同步跟蹤、分度、準(zhǔn)停及零速鎖定等功能，其優(yōu)異的性能、豐富的功能完全能夠滿足數(shù)控加工中心主軸控制的工藝和精度要求。一般來說，對位置，速度和力矩的控制精度要求比較高的場合，都可以采用通用變頻器的簡易伺服功能，如機床、印刷設(shè)備、包裝設(shè)備、紡織設(shè)備、激光加工設(shè)備、機器人、電子、制藥、金融機具、自動化生產(chǎn)線等[5-9]。但是，通用變頻器的簡易伺服功能與專用伺服驅(qū)動器相比，在性能和功能方面還有一定的差距，因此通用變頻器的伺服功能通常應(yīng)用于一些對于伺服性能要求不高的場合，而一些高端應(yīng)用則需要使用專用伺服驅(qū)動器。

2 通用變頻器、簡易伺服變頻器、伺服驅(qū)動器的區(qū)別

變頻器的控制對象是感應(yīng)電機，它可分為通用型與專用型兩類。通用型變頻器就是人們平常說的變頻器，只要容量允許，它對感應(yīng)電機的生產(chǎn)廠家、電氣參數(shù)原則上無要求。簡易伺服變頻器主要應(yīng)用于數(shù)控機床的主軸控制，這樣的變頻器需要配套專門的主軸電機，也可以用于對定位、調(diào)速性能有較高要求的其它控制系統(tǒng)[10]。

1)通用變頻器

通用變頻器是用于普通感應(yīng)電機的調(diào)速控制的控制器，它可以用于不同生產(chǎn)廠家、不同電氣參數(shù)的感應(yīng)電機控制。從系統(tǒng)控制的角度看，建立控制對象的數(shù)學(xué)模型是實現(xiàn)精確控制的前提條件，它直接決定了系統(tǒng)的控制性能。由于變頻器是一種通用控制裝置，其控制對象為來自不同廠家生產(chǎn)、不同電氣參數(shù)的感應(yīng)電機，依靠目前的技術(shù)水平，還不能做到通過控制器本身來精確測試、識別任意控制對象的各種技術(shù)參數(shù)，因此，變頻器在設(shè)計時需要進行大量的簡化與近似處理，它的調(diào)速范圍較小。

隨著技術(shù)的發(fā)展，先進的矢量控制變頻器一般設(shè)計有自動調(diào)整(自學(xué)習(xí))功能，它可通過自動調(diào)整操作來自動測試一些必需的、簡單的電機參數(shù)，可在一定范圍內(nèi)提高模型的準(zhǔn)確性，其性能與早期的V/f控制變頻器相比，已經(jīng)有了很大的提高。

2)簡易伺服變頻器

簡易伺服變頻器是一種專用變頻器，通常與專用交流主軸電機配套，用于金屬切削數(shù)控機床的主軸等大范圍、高精度調(diào)速。實現(xiàn)感應(yīng)電機的大范圍、高精度變頻調(diào)速控制的前提是建立精確的控制對象數(shù)學(xué)模型，因此，變頻器在設(shè)計時就必須預(yù)知控制對象的參數(shù)，并對此進行專門的控制，它只能通過特定的感應(yīng)電機和專用變頻器才能實現(xiàn)。

簡易伺服變頻器的控制對象是驅(qū)動器生產(chǎn)廠家專門設(shè)計的交流感應(yīng)電機，這種電機經(jīng)過嚴(yán)格的測試與實驗，其電氣參數(shù)非常接近。簡易伺服變頻器采用的是閉環(huán)矢量控制技術(shù)，它不但調(diào)速性能大大優(yōu)于通用變頻器控制普通感應(yīng)電機的系統(tǒng)，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)較為準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)矩與位置控制。簡易伺服變頻器的調(diào)速性能好、生產(chǎn)成本高，但它一般需要與計算機數(shù)控系統(tǒng)(CNC)配套使用，且不同公司產(chǎn)品性能、使用等方面的差別較大，其專用性較強。

3)伺服驅(qū)動器

伺服驅(qū)動器是用于交流電機(交流伺服電機)位置、速度控制的裝置，它需要實現(xiàn)高精度位置控制、大范圍的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和轉(zhuǎn)矩的精確控制，其調(diào)速要求比變頻器、簡易伺服變頻器等交流調(diào)速系統(tǒng)更高，因此，必須使用驅(qū)動器生產(chǎn)廠家專門生產(chǎn)、配套提供的專用伺服電機。

根據(jù)使用場合和控制系統(tǒng)要求的不同，伺服驅(qū)動器可分為通用型和專用型兩類。通用型伺服驅(qū)動器是指本身帶有閉環(huán)位置控制功能，可獨立用于閉環(huán)位置控制或速度、轉(zhuǎn)矩控制的伺服驅(qū)動器;專用型伺服驅(qū)動器是指必須與上級位置控制器(如CNC)配套使用，不能獨立于閉環(huán)位置控制或速度、轉(zhuǎn)矩控制的伺服驅(qū)動器。

3 變頻器如何擴展伺服功能

雖然通用變頻器與伺服驅(qū)動器相比，在性能和功能方面還有一定的差距，但是，通過將通用變頻器外擴位置控制板，或進一步升級功能，可以使其在不影響通用變頻器功能的同時，具有“簡易伺服”功能，主要應(yīng)用在一些對定位要求不嚴(yán)格的場合。變頻器擴展伺服功能的方式可以總結(jié)為如下2種：

方案一：將帶PG矢量控制功能的通用變頻器外擴位置控制板，使其具有定位功能。例如，北京某公司曾基于艾默生TD3000為控制核心，開發(fā)出了與TD3000相匹配的位置控制板，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該方案實現(xiàn)簡單，在國內(nèi)曾有較多應(yīng)用，但是，位置控制精度對于通用變頻器的依賴性強、位置控制板與通用變頻器軟硬件匹配性不好等原因，隨著伺服驅(qū)動器的發(fā)展，目前該方式已較少使用。

圖1 外擴位置控制板+通用變頻器模式

方案二：在保持通用變頻器性能和功能的基礎(chǔ)上，通過對硬件和軟件進行升級，實現(xiàn)位置控制，該方案有2種實現(xiàn)方式：

a. 零伺服功能

在控制方式上增加零伺服位置環(huán)，可以實現(xiàn)電機對初始位置的記憶。以藍海華騰V6-H系列變頻器為例，零伺服功能框圖如圖2所示。對于異步電機，在零伺服命令有效時，當(dāng)頻率指令為零，且電機速度小于零伺服閾值，位置控制環(huán)路便投入工作。此時的電機位置被記憶，對電機施加負載或釋放負載后，電機最終會保持在已記憶的位置上。零伺服的位置控制精度和動態(tài)響應(yīng)，可通過位置環(huán)的比例增益、積分時間進行調(diào)整。

圖2 零伺服功能框圖

b. 簡易伺服功能

與方式a相比，位置控制功能除了能實現(xiàn)零伺服功能外，還能實現(xiàn)主軸定位，可以應(yīng)用于中、低端數(shù)控機床等場合。以深圳四方電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的A510系列閉環(huán)矢量變頻器為例，控制對象為專用交流主軸電機，它的主軸控制與分度定位控制可以實現(xiàn)簡易伺服功能，主要用于電液伺服、機床伺服主軸控制等大范圍、高精度調(diào)速。

4 主要生產(chǎn)廠家產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)

調(diào)速系統(tǒng)不但要滿足工作機械穩(wěn)態(tài)運行時對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與速度精度的要求，而且還應(yīng)具有快速、穩(wěn)定的動態(tài)響應(yīng)特性，因此，除功率因數(shù)、效率等常規(guī)經(jīng)濟指標(biāo)外，衡量交流調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)性能的主要指標(biāo)有調(diào)速范圍、調(diào)速精度、速度響應(yīng)、過載能力等方面。

1) 調(diào)速范圍

調(diào)速范圍是衡量系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)能力的指標(biāo)。調(diào)速范圍一般以系統(tǒng)在一定的負載下，實際可達到的最低轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速之比(如1:100)或直接以最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速的比值(如D=100)來表示。通用變頻器、簡易伺服變頻器、伺服驅(qū)動器的調(diào)速范圍如表1所示。

2) 調(diào)速精度

調(diào)速精度與調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，一般而言，在同樣的控制方式下，采用閉環(huán)控制的調(diào)速精度是開環(huán)控制1/10左右。通用變頻器、簡易伺服變頻器、伺服驅(qū)動器的調(diào)速精度如表1所示。

3) 速度響應(yīng)

速度響應(yīng)指負載慣量與電機慣量相等的情況下，當(dāng)速度指令以正弦波形式給定時，輸出可以完全跟蹤給定變化的正弦指令頻率值。速度響應(yīng)是衡量交流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)快速性的技術(shù)指標(biāo)，也是不同形式的交流調(diào)速系統(tǒng)存在的主要性能差距。通用變頻器、簡易伺服變頻器、伺服驅(qū)動器的速度響應(yīng)如表1所示。

4) 功率范圍

通用變頻器適用范圍廣，可控制的電機功率在三類產(chǎn)品中為最大，目前已可達1000kW;簡易伺服變頻器多用于數(shù)控機床的主軸控制，根據(jù)實際需要，功率范圍一般在100kW以下;而交流伺服則多用于高速、高精度位置控制，電機的功率范圍一般在15kW以下。

5) 過載能力

過載能力是由“過載倍數(shù)”和“過載周期”兩個指標(biāo)決定的。所謂的過載倍數(shù)是指額定負載的百分比，過載周期是指過載倍數(shù)的通斷周期，過載能力是系統(tǒng)功率器件硬件決定的，與散熱面積、過載倍數(shù)的允許條件等參數(shù)有關(guān)。通用變頻器、簡易伺服變頻器、交流伺服的過載性能有較大差別，通常而言，三者可以承受的短時過載能力依次為100% ~ 150%、150% ~ 200%、200% ~ 350%。

6) 起動轉(zhuǎn)矩

起動轉(zhuǎn)矩可以反映變頻器的起動能力和快速響應(yīng)能力，對于帶碼盤的系統(tǒng)而言，通用變頻器、簡易伺服變頻器、交流伺服的起動能力也有較大差別，通常而言，三者的起動能力依次為150%/0 rpm、150%~200%/0 rpm、200% ~ 350%/0 rpm。

7) 綜合比較結(jié)果

目前市場上各類交流調(diào)速裝置的產(chǎn)品眾多，由于控制方式、電機結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)成本與使用要求的不同，調(diào)速性能的差距較大，表1為一般情況下通用變頻器、簡易伺服變頻器、交流伺服的技術(shù)性能對比表。

表1 交流調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)性能對比表

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