矢量控制型變頻器在提升系統(tǒng)上的應(yīng)用

樊冰 劉紅兵 崔勇

（1. 武漢長(zhǎng)海高新技術(shù)有限公司，武漢 430223；2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢 430064）

1 引言

隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，交流電機(jī)逐步代替直流電機(jī)應(yīng)用于提升系統(tǒng)，其中變頻器是交流電機(jī)調(diào)速的核心裝置。利用變頻器控制交流電機(jī)，具有成本較低，機(jī)械特性硬度較好等特點(diǎn)，能滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求。但是，這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。相比之下，其機(jī)械特性最終沒(méi)有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。針對(duì)這些傳統(tǒng)交流變頻控制所固有的缺點(diǎn)，可以采用矢量控制變頻調(diào)速。

2 矢量控制的基本原理

矢量控制變頻調(diào)速是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia、Ib、Ic，通過(guò)三相——二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1、Ib1，再通過(guò)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流 Im1、It1（Im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過(guò)程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。

3 提升系統(tǒng)的特點(diǎn)

和一般的水平傳動(dòng)系統(tǒng)不同，提升系統(tǒng)的負(fù)載通常在豎直方向上受到重力的作用，如果電機(jī)在拖動(dòng)負(fù)載時(shí)控制方式不當(dāng)，輸出轉(zhuǎn)矩不夠，容易造成溜車、下墜等事故，所以大部分提升裝置要充分考慮其安全可靠性，必須配備抱閘系統(tǒng)。負(fù)載在下降過(guò)程中，電機(jī)會(huì)處于發(fā)電狀態(tài)，即變頻器處于能量回饋狀態(tài)。為了防止變頻器產(chǎn)生過(guò)電壓的現(xiàn)象而跳閘，需要制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻來(lái)消耗回饋能量?；蛘吲鋫鋷Щ仞佒苿?dòng)功能的變頻器將制動(dòng)產(chǎn)生的能量回饋到電網(wǎng)中。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

提升裝置由主拖動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)、機(jī)械制動(dòng)器、滑輪、鋼絲繩、平衡重和負(fù)載組成。主電機(jī)的其中一端與機(jī)械制動(dòng)器相連，另一端通過(guò)聯(lián)軸器連接到減速機(jī)輸入端，減速機(jī)輸出端與滑輪相連。鋼絲繩纏繞在滑輪上，其中一端掛接平衡重，另一端掛接負(fù)載。整個(gè)系統(tǒng)由圖1所示：

圖1 提升系統(tǒng)示意圖

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)變頻器控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向和力矩，實(shí)現(xiàn)被提升對(duì)象上升和下降。所以控制變頻器運(yùn)行方式，就是控制整個(gè)提升系統(tǒng)的核心部分。

提升控制系統(tǒng)由PLC，變頻器和工業(yè)計(jì)算機(jī)組成，基礎(chǔ)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

主控制系統(tǒng)硬件采用 S7-300系列 PLC，用于全線速度、位置控制等，并通過(guò)以太網(wǎng)與工業(yè)計(jì)算機(jī)相連。

變頻器和PLC通過(guò)Profibus-DP總線進(jìn)行通訊。通過(guò)Profibus-DP，PLC可以對(duì)變頻器發(fā)出控制命令，并可以對(duì)變頻器參數(shù)進(jìn)行修改。

這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，PLC可作為網(wǎng)關(guān)，連接工業(yè)以太網(wǎng)和 Profibus-DP這兩種不同類型的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)計(jì)算機(jī)對(duì)變頻器的訪問(wèn)，可在工業(yè)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行變頻器調(diào)試軟件，對(duì)變頻器進(jìn)行配置。

在本系統(tǒng)中，所用到的檢測(cè)元器件如下所示：

增量編碼器：安裝于電機(jī)出軸處，用于位置檢測(cè)，速度反饋。

絕對(duì)型編碼器：安裝于卷筒出軸處，用于跟蹤行程變化。

接近開關(guān)：用于檢測(cè)提升機(jī)構(gòu)所在的位置及狀態(tài)。

本控制系統(tǒng)通過(guò)安裝于卷?yè)P(yáng)機(jī)上的絕對(duì)型編碼器及開度檢測(cè)儀來(lái)確定被提升對(duì)象的行程，并送入PLC精確計(jì)算。此外，電機(jī)出軸上也安裝了一個(gè)增量型編碼器，來(lái)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。速度信號(hào)反饋輸入變頻器，做相應(yīng)的運(yùn)算并采取控制策略達(dá)到控制目的。

工業(yè)計(jì)算機(jī)中設(shè)有人機(jī)界面，可對(duì)提升系統(tǒng)工作模式，系統(tǒng)中各個(gè)傳感器進(jìn)行監(jiān)視和控制。

5 控制原理

系統(tǒng)控制采用轉(zhuǎn)矩、位置和速度閉環(huán)控制。

5.1 速度控制

傳動(dòng)電機(jī)采用速度——轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)控制，由變頻器采用帶傳感器的矢量控制方式實(shí)現(xiàn)，根據(jù)電動(dòng)機(jī)軸上的增量式光電編碼器的速度反饋控制變頻輸出的頻率、電壓和相位達(dá)到對(duì)電機(jī)速度的精確控制。

5.2 位置控制

在電機(jī)軸端設(shè)置絕對(duì)值型編碼器為主要位置控制檢測(cè)源，信號(hào)采用串行SSI傳輸，由PLC接受并計(jì)算輸出速度給定到變頻器。計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)位置高度，換算出編碼器的需要的目標(biāo)行程，并將數(shù)據(jù)傳送到PLC，PLC根據(jù)編碼器的位置反饋信息來(lái)控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度給定，并將速度給定信息送入變頻器，實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制，確保負(fù)載運(yùn)行到目標(biāo)位置，在系統(tǒng)穩(wěn)定停機(jī)后上制動(dòng)器，完成對(duì)目標(biāo)的定位控制。另外，系統(tǒng)設(shè)置檢測(cè)校零功能，在任意位置可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。

5.3 制動(dòng)系統(tǒng)

提升系統(tǒng)配置機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)器由變頻器所配備的抱閘繼電器直接控制，具有響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，起安全保護(hù)作用，防止溜車等事故發(fā)生。

采用位置閉環(huán)控制的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，不需要機(jī)械制動(dòng)，降低系統(tǒng)振動(dòng)、沖擊和摩擦片的磨損，電機(jī)運(yùn)行速度曲線如下圖：

圖3 提升控制系統(tǒng)HMI

圖4 控制原理圖

圖5 電機(jī)運(yùn)行速度曲線

這里，停位精度主要由檢測(cè)和執(zhí)行部件決定，計(jì)算可達(dá)到較高精度，行程檢測(cè)受機(jī)械結(jié)構(gòu)影響較小，位置控制可以達(dá)到較好效果。所以系統(tǒng)可以達(dá)到較高的準(zhǔn)確度。

6 變頻傳動(dòng)調(diào)試步驟

當(dāng)負(fù)載在機(jī)械抱閘打開的情況下暫停，電機(jī)需要輸出很高的轉(zhuǎn)矩防止負(fù)載降落。某些場(chǎng)合需要變頻器精確定位功能，當(dāng)然定位功能可以在上位機(jī)中實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的加減速需要仔細(xì)控制。

以西門子通用性變頻器SINAMICS G120變頻器為基礎(chǔ)，針對(duì)提升的應(yīng)用特點(diǎn)，變頻器應(yīng)滿足以下特性：

（1）安裝編碼器，以保證系統(tǒng)速度精度與安全性。SINAMICS G120的控制單元CU240S所實(shí)用的編碼器有TTL與HTL類型；

（2）加裝制動(dòng)單元與制動(dòng)電阻，通過(guò)P1240禁止變頻器的直流電壓控制器功能，同時(shí)要在P1237里設(shè)置制動(dòng)占空比；

（3）要確保電機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確，這一點(diǎn)對(duì)于矢量控制尤其重要；

（4）要利用功能塊來(lái)搭建超速或者負(fù)載降落保護(hù)；

（5）投入電機(jī)外部抱閘控制，參數(shù)為P1215-P1217；

（6）對(duì)于有配重的負(fù)載，矢量控制建議用加速度預(yù)控（P1496與P0342）。

借助于CU240上的編碼器接口及編碼器完成。帶編碼器的矢量控制有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可實(shí)現(xiàn)零速滿轉(zhuǎn)矩運(yùn)行；

（2）低速時(shí)性能好，確保精確定位；

（3）真實(shí)的反饋速度以防止電機(jī)超速與負(fù)載突降；

（4）容易調(diào)試。

帶編碼器的矢量控制的調(diào)試步驟：

（1）快速調(diào)試，確保電機(jī)數(shù)據(jù)與電機(jī)名牌一致。

（2）通過(guò)參數(shù)P1910=1，3做電機(jī)識(shí)別。

（3）通過(guò)檢查參數(shù)r1787 < +/- 10%，來(lái)確保電機(jī)模型的正確性。

（4）將直流電壓控制器關(guān)閉（P1240=0），并將制動(dòng)單元投入（P1237=4推薦50%）。

（5）投入電機(jī)報(bào)閘制動(dòng)（P1215=1），并根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化制動(dòng)釋放延遲時(shí)間（P1216）及最小頻率（P1080）。

（6）對(duì)于無(wú)配重的負(fù)載，我們需要在提升時(shí)給定正的速度值，在下降時(shí)給定負(fù)的頻率值。

（7）設(shè)置控制方式P1300=20，用P1960來(lái)優(yōu)化速度環(huán)（注意優(yōu)化時(shí)電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)），同時(shí)也可以手動(dòng)修改比例增益P1470與積分時(shí)間P1472，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

（8）轉(zhuǎn)矩限幅P1520與P1521通常被放到最大。

（9）通常情況下，我們推薦設(shè)置P1750.0=0，

（10）建議將P1755設(shè)置最小，但是，這會(huì)受到低頻時(shí)有效電機(jī)模型限制，通常P1755的最小值受電機(jī)功率的影響。經(jīng)驗(yàn)上我們可以將P1755設(shè)定為電機(jī)滑差的1到2倍。例如，電機(jī)50 Hz的額定轉(zhuǎn)速為1450轉(zhuǎn)，滑差為1500-1450=50轉(zhuǎn)，折合頻率為1.67 Hz，因此我們?cè)O(shè)定P1755的范圍是1.7～3.4 Hz。

（11）為了保證定位精度，變頻器最小的運(yùn)行頻率應(yīng)該大于P1755。

（12）如果變頻器在P1755以下運(yùn)行時(shí)，我們可以嘗試用P1610與P1611產(chǎn)生更多的轉(zhuǎn)矩。

（13）在有配重的情況下，我們?cè)O(shè)置加速度予控P1496=100%，優(yōu)化P0342，用來(lái)在啟動(dòng)負(fù)載的瞬間給系統(tǒng)一個(gè)轉(zhuǎn)矩提升。

（14）用功能塊來(lái)搭建超速保護(hù)以及編碼器實(shí)際反饋與速度設(shè)定背離過(guò)大保護(hù)

設(shè)置如下：

7 結(jié)論

矢量控制用于提升系統(tǒng)，SINAMICS G120應(yīng)用于起重與提升還要經(jīng)過(guò)實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)。有時(shí)設(shè)備的二次啟動(dòng)，會(huì)造成系統(tǒng)溜車，這時(shí)就要不斷調(diào)整附加轉(zhuǎn)矩或啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的設(shè)定值；有時(shí)電機(jī)的外部抱閘與啟動(dòng)配合得不好，還需要去調(diào)解外部抱閘釋放的延遲時(shí)間。只有反復(fù)調(diào)試，設(shè)定適當(dāng)?shù)膮?shù)，才能達(dá)到最佳控制效果。

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