通用型交流變頻調速器的伺服功能及應用

概述

進入20世紀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、直接轉矩控制)的應用等原因，使交流變頻調速系統(tǒng)在諸如調速范圍、驅動能力、調速精度、動態(tài)響應、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可以和直流調速性能相媲美，再加上交流電機固有的優(yōu)點，更適用于直流調速系統(tǒng)無法比擬的場合，如高速化、大容量的旋轉機械。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)展中得到了廣泛應用，取得了巨大的經濟效益和社會效益[1-4]。

然而，隨著工業(yè)場合中生產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，因此通用變頻器設計相應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的前提下，對于控制方法內部的電流環(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而工作的，而電主軸的主要特點是將電動機置于主軸內部，通過驅動電源直接驅動主軸進行工作，實現(xiàn)了電動機、主軸的一體化功能，進行切削加工，具有結構緊湊、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、印刷設備、包裝設備、紡織設備、激光加工設備、機器人、電子、制藥、金融機具、自動化生產線等[5-9]。但是，通用變頻器的簡易伺服功能與專用伺服驅動器相比，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用于一些對于伺服性能要求不高的場合，而一些高端應用則需要使用專用伺服驅動器。

2 通用變頻器、簡易伺服變頻器、伺服驅動器的區(qū)別

變頻器的控制對象是感應電機，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，它對感應電機的生產廠家、電氣參數(shù)原則上無要求。簡易伺服變頻器主要應用于數(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電機的調速控制的控制器，它可以用于不同生產廠家、不同電氣參數(shù)的感應電機控制。從系統(tǒng)控制的角度看，建立控制對象的數(shù)學模型是實現(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、不同電氣參數(shù)的感應電機，依靠目前的技術水平，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參數(shù)，因此，變頻器在設計時需要進行大量的簡化與近似處理，它的調速范圍較小。

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

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、高精度調速。實現(xiàn)感應電機的大范圍、高精度變頻調速控制的前提是建立精確的控制對象數(shù)學模型，因此，變頻器在設計時就必須預知控制對象的參數(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動器生產廠家專門設計的交流感應電機，這種電機經過嚴格的測試與實驗，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，它不但調速性能大大優(yōu)于通用變頻器控制普通感應電機的系統(tǒng)，而且還能夠實現(xiàn)較為準確的轉矩與位置控制。簡易伺服變頻器的調速性能好、生產成本高，但它一般需要與計算機數(shù)控系統(tǒng)(CNC)配套使用，且不同公司產品性能、使用等方面的差別較大，其專用性較強。

3)伺服驅動器

伺服驅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、大范圍的恒轉矩調速和轉矩的精確控制，其調速要求比變頻器、簡易伺服變頻器等交流調速系統(tǒng)更高，因此，必須使用驅動器生產廠家專門生產、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，伺服驅動器可分為通用型和專用型兩類。通用型伺服驅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、轉矩控制的伺服驅動器;專用型伺服驅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、轉矩控制的伺服驅動器。

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，主要應用在一些對定位要求不嚴格的場合。變頻器擴展伺服功能的方式可以總結為如下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，結構圖如圖1所示。該方案實現(xiàn)簡單，在國內曾有較多應用，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，可通過位置環(huán)的比例增益、積分時間進行調整。

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，可以應用于中、低端數(shù)控機床等場合。以深圳四方電氣技術有限公司生產的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、高精度調速。

4 主要生產廠家產品的技術指標

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

1) 調速范圍

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

2) 調速精度

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

3) 速度響應

速度響應指負載慣量與電機慣量相等的情況下，當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。速度響應是衡量交流調速系統(tǒng)動態(tài)快速性的技術指標，也是不同形式的交流調速系統(tǒng)存在的主要性能差距。通用變頻器、簡易伺服變頻器、伺服驅動器的速度響應如表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。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) 起動轉矩

起動轉矩可以反映變頻器的起動能力和快速響應能力，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) 綜合比較結果

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

表1 交流調速系統(tǒng)技術性能對比表

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