6ES72882QT160AA0西門子數(shù)字量輸出模塊

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• 1.1 SLVC控制模式概述

        矢量控制（Vector Control）也稱為磁場(chǎng)定向控制，是一種利用變頻器控制三相交流電機(jī)的技術(shù)。矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。矢量控制分為有編碼器的矢量控制和無編碼器的矢量控制（SLVC：Sensorless Vector Control），而無編碼器的矢量控制是指沒有外部傳感器用于測(cè)量速度，其電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速是通過電機(jī)電流、電壓的電氣模型計(jì)算出的，因此其精度低于帶編碼器矢量控制。

        SLVC控制方式在0Hz左右的低頻區(qū)，由于電氣模型無法精確的計(jì)算出轉(zhuǎn)速，因此在低頻范圍內(nèi)矢量控制會(huì)從閉環(huán)切換為開環(huán)。此時(shí)，對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)忽略定、轉(zhuǎn)子漏抗，其轉(zhuǎn)矩表達(dá)式以及固有機(jī)械特性如下所示：

        其中是轉(zhuǎn)差的函數(shù)，k為常量，為定子電流。

圖 1  異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性（Is3 < Is2 < Is1）

        由異步電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率一定的情況下，增加定子電流可以增加轉(zhuǎn)矩，因此在開環(huán)控制中，對(duì)于靜態(tài)負(fù)載或在加速過程中，可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)矩上限以內(nèi)的p1610（靜態(tài)轉(zhuǎn)矩設(shè)定值）和p1611（加速附加轉(zhuǎn)矩）來保證電機(jī)的啟動(dòng)和加速過程。當(dāng)定子電流一定的情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)差率為時(shí)，轉(zhuǎn)矩達(dá)到大轉(zhuǎn)矩。SLVC控制模式在閉環(huán)控制運(yùn)行時(shí)通過測(cè)量定子電流、電壓來計(jì)算出實(shí)際轉(zhuǎn)速，根據(jù)需要的轉(zhuǎn)差率來設(shè)定定子頻率，從而實(shí)現(xiàn)有效的轉(zhuǎn)矩控制。

        SLVC控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制的切換條件是由時(shí)間條件和頻率條件（p1755、p1756和p1758）控制的。如下圖所示，

圖 2  SLVC的切換前提

        如果斜坡函數(shù)發(fā)生器輸入端的設(shè)定頻率和實(shí)際頻率同時(shí)低于“”，則時(shí)間條件p1758無效。

• 1.2 被動(dòng)性負(fù)載的特性

        被動(dòng)負(fù)載指只能被電機(jī)驅(qū)動(dòng)而不能驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載，例如：惰性質(zhì)量泵、風(fēng)扇、離心機(jī)、擠出機(jī)、運(yùn)行驅(qū)動(dòng)、水平輸送裝置等。下圖為水平傳送帶帶載啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)狀態(tài)曲線，表示電機(jī)轉(zhuǎn)矩，表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩，在0 — 時(shí)間段內(nèi)負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨著電機(jī)轉(zhuǎn)矩的增加而增加，一直到時(shí)刻負(fù)載被拉動(dòng)，拉動(dòng)后負(fù)載轉(zhuǎn)矩驟降然后隨著轉(zhuǎn)速的增加負(fù)載轉(zhuǎn)矩慢慢增加一直達(dá)到穩(wěn)態(tài)達(dá)到恒定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后電機(jī)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

        對(duì)于這類負(fù)載，電機(jī)可長(zhǎng)時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)，無需保持電流。

• 1.3 SLVC控制被動(dòng)性負(fù)載的問題

        當(dāng)使用SLVC（無編碼器矢量控制）控制被動(dòng)性負(fù)載時(shí)，在 0 Hz 左右的低頻區(qū)內(nèi)，模型無法足夠精確地計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。因此在低頻范圍內(nèi)矢量控制會(huì)從閉環(huán)切換為開環(huán)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩由p1610（靜態(tài)轉(zhuǎn)矩給定）來決定，如果p1610設(shè)置過大可能會(huì)導(dǎo)致靜止?fàn)顟B(tài)下的電機(jī)過熱、電機(jī)速度不穩(wěn)定，那么能否使被動(dòng)性負(fù)載在0Hz左右的低頻區(qū)保持速度閉環(huán)控制呢？

• 1.4 S120 SLVC模式被動(dòng)負(fù)載功能設(shè)置

        異步電機(jī)在起動(dòng)點(diǎn)上拖動(dòng)的是被動(dòng)負(fù)載時(shí)，可以在 0 頻率點(diǎn)（靜止）前一直在閉環(huán)控制中穩(wěn)定運(yùn)行，不會(huì)中途切換到開環(huán)控制。參數(shù)設(shè)置如下所示：

    ①設(shè)置 p0500 = 2（工藝應(yīng)用 = 無編碼器閉環(huán)控制中的被動(dòng)負(fù)載，直至 f = 0）；

    ②設(shè)置 p0578 = 1（計(jì)算工藝相關(guān)參數(shù)），

        此時(shí)會(huì)自動(dòng)設(shè)置以下參數(shù)：

        – p1574 = 2 V（使用異步電機(jī)時(shí)）

        – p1574 = 4 V（使用他勵(lì)同步電機(jī)時(shí)）

        – p1750.2 = 1，被動(dòng)負(fù)載條件下在 0 Hz 前一直在閉環(huán)控制中運(yùn)行

        – p1750.3 = 1，電機(jī)模型測(cè)定飽和特定曲線

        – p1802 = 4（RZM/FLB，不進(jìn)行過調(diào)制）

        – p1803 = 106 %（出廠設(shè)置）

        或者直接設(shè)置參數(shù)p1750.2=1（p1750.3跟隨p1750.2自動(dòng)設(shè)置為1）

        說明：如果在電機(jī)調(diào)試內(nèi)設(shè)置了 p0500，就可以通過 p0340 和 p3900 自動(dòng)計(jì)算，p0578 不再需要單獨(dú)設(shè)置。

        這種連續(xù)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制只限電機(jī)拖動(dòng)被動(dòng)負(fù)載的應(yīng)用，此時(shí)電機(jī)可長(zhǎng)時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)，無需保持電流，在靜止?fàn)顟B(tài)下僅會(huì)向電機(jī)注入勵(lì)磁電流。下圖是SLVC中是否激活被動(dòng)負(fù)載功能的曲線對(duì)比，在激活被動(dòng)負(fù)載功能后電機(jī)在0Hz附近的電流只有勵(lì)磁電流，明顯低于開環(huán)控制時(shí)的電流。下圖1和圖2是未激活被動(dòng)負(fù)載與激活被動(dòng)負(fù)載功能的對(duì)比：

                                    圖 1未激活被動(dòng)負(fù)載功能                                    圖 2激活被動(dòng)負(fù)載功能

• 1.5 應(yīng)用案例與分析

【案例一】

        S120應(yīng)用于開卷機(jī)中，原來配置是帶編碼器的矢量控制，后因?yàn)榫幋a器出現(xiàn)故障，于是將S120的控制方式改為無編碼器的矢量控制，在SLVC控制模式下，通過速度控制加轉(zhuǎn)矩限幅的方式來建張，但是在建張過程中出現(xiàn)速度不穩(wěn)定，拉不緊，用對(duì)拖實(shí)驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場(chǎng)情況，電機(jī)1作為開卷機(jī)，為不帶編碼器的矢量控制模式，速度控制加轉(zhuǎn)矩限幅，電機(jī)2為帶編碼器的矢量控制方式，作為張力輥電機(jī)，電機(jī)1先以-50rpm轉(zhuǎn)速啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩限幅10%，電機(jī)2以0轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩限幅0%啟動(dòng)，啟動(dòng)后慢慢加轉(zhuǎn)矩先5%然后10%后加到15%，再加到100%，在轉(zhuǎn)矩慢慢增加的過程中，電機(jī)1的輸出轉(zhuǎn)矩慢慢增加，一直達(dá)到轉(zhuǎn)矩限幅值10%，同時(shí)速度慢慢降低趨于0速，由此張力建立，但是在穩(wěn)定狀態(tài)，電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，左右搖擺，如下圖3所示：

圖 3異常情

        原因分析：在鋼卷拉緊過程中，當(dāng)開卷機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速小于p1755*（1-p1756/100%）時(shí)經(jīng)過p1758的時(shí)間切換到開環(huán)控制模式，模型不準(zhǔn)確造成了轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。

將電機(jī)1設(shè)置為被動(dòng)性負(fù)載功能（p1750.2=1）后，在相同的啟動(dòng)條件下，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后速度和轉(zhuǎn)矩相對(duì)穩(wěn)定，電機(jī)軸保持靜止。如下圖4所示：

圖 4激活被動(dòng)性負(fù)載功能后的情況

【案例二】

        S120 SLVC控制模式，控制皮帶傳輸機(jī)，因在低頻范圍內(nèi)會(huì)切換到開環(huán)控制模式，為使皮帶機(jī)能夠正常啟動(dòng)，經(jīng)常將p1610、p1611設(shè)置成較大的值，但是由于生產(chǎn)工作中皮帶機(jī)又經(jīng)常會(huì)在零速下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，電機(jī)零速下通入較大的電流可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的過熱甚至燒壞繞組。

        實(shí)驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)場(chǎng)情況，電機(jī)1為皮帶傳輸機(jī)的主電機(jī)，無編碼器的矢量控制方式，電機(jī)2作為皮帶或負(fù)載，帶編碼器的矢量控制方式。先啟動(dòng)電機(jī)2，以零速20%的轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，然后電機(jī)1先以零速啟動(dòng)，然后以速度100RPM（小于p1755切換轉(zhuǎn)速）運(yùn)行，如圖5所示，在零速時(shí)勵(lì)磁電流分量等于值電流等于3.3A，給定轉(zhuǎn)速后電流、速度波動(dòng)很大。

圖 5  SLVC控制模式下啟動(dòng)的情況

        當(dāng)激活被動(dòng)性負(fù)載功能（p1750.2=1）后，同樣的啟動(dòng)方式，在零速時(shí)勵(lì)磁電流分量等于值電流等于2.6A等于電機(jī)的額定勵(lì)磁電流，給定速度后電流波動(dòng)小，同時(shí)轉(zhuǎn)矩電流分量建立，如圖6所示：

圖 6  SLVC控制模式下激活被動(dòng)負(fù)載功能后的啟動(dòng)情況

• 1.6 SLVC模式激活被動(dòng)性負(fù)載功能的優(yōu)點(diǎn)

        S120在實(shí)際應(yīng)用中以SLVC模式控制被動(dòng)性負(fù)載時(shí)，當(dāng)激活被動(dòng)負(fù)載功能后，有以下優(yōu)點(diǎn)：

        * 在閉環(huán)控制中沒有切換操作（工作穩(wěn)定、無頻率驟降、轉(zhuǎn)矩保持恒定）

        * 0 Hz 前可一直保持無編碼器的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制

        * 在進(jìn)入 0 Hz 左右的低頻區(qū)前可一直保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制

        * 在靜止?fàn)顟B(tài)下僅會(huì)向電機(jī)注入勵(lì)磁電流，電機(jī)可長(zhǎng)時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)

        * 相對(duì)于開環(huán)控制來說，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快

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