转矩控制、矢量控制和VF控制解析

转矩控制、矢量控制和VF控制解析 1.变转矩就是负载转矩随电机转速增大而增大，是非线性变化的，如风机水泵 恒转矩就是负载转矩不随电机转速增大而增大，一般是相对于恒功率控制而言。如皮带运输机提升机等机械负载 2.VF控制就是变频器输出频率与输出电压比值为恒定值或正比。例如：50HZ时输出电压为380V,25HZ时输出电压为190V即恒磁通控制；转矩不可控，系统只是一个以转速物理量做闭环的单闭环控制系统，他只能控制电机的转速 根据电机原理可知，三相异步电机定子每相电动势的有效值 ： E1=4.44f1N1Φm 式中：E1--定子每相由气隙磁通感应的电动势的有效值，V ；f1--定子频率，Hz；N1——定子每相绕组有效匝数 ；Φm-每极磁通量由式中可以看出，Φm的值由E1/f1决定，但由于E1难以直接控制，所以在电动势较高时，可忽略定子漏阻抗压降，而用定子相电压U1代替。那么要保证 Φm不变，只要U1/f1始终为一定值即可。这是基频以下调时速的基本情况，为恒压频比（恒磁通）控制方式，属于恒转矩调速。     基准频率为恒转矩调速区的最高频率，基准频率所对应的电压为即为基准电压，是恒转矩调速区的最高电压，在基频以下调速时，电压会随频率而变化，但两者的比值不变。 在基频以上调速时，频率从基频向上可以调至上限频率值，但是由于电机定子不能超过电机额定电压，因此电压不再随频率变化，而保持基准电压值不变，这时电机主磁通必须随频率升高而减弱，转矩相应减小，功率基本保持不变，属于恒功率调速区。 3.矢量控制，把输出电流分励磁和转矩电流并分别控制，转矩可控，系统是一个以转矩做内环，转速做外环的双闭环控制系统。它既可以控制电机的转速，也可以控制电机的扭矩。 矢量控制时的速度控制（ASR）通过操作转矩指令，使得速度指令和速度检出值（PG 的反馈或速度推定值）的偏差值为0。 带PG 的V/f 控制时的速度控制通过操作输出频率，使得速度指令和速度检出值（PG 的反馈或速度推定值）的偏差值为0。   矢量控制原理是模仿直流电动机的控制原理,根据异步电动机的动态数学模型，利用一系列坐标变换把定子电流矢量分解为励磁分量和转矩分量，对电机的转矩电流分量和励磁分量分别进行控制,在转子磁场定向后实现磁场和转矩的解耦，从而达到控制异步电动机转矩的目的，使异步电机得到接近他励直流电机的控制性能。      具体做法是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。      矢量控制分有速度传感器矢量控制和无速度传感器矢量控制两种,前者精度高后者精度低。矢量控制系统的无速度传感器运行方式，首先必须解决电机转速和转子磁链位置角的在线辨识问题。常用的方法有基于检测定子电流信号的辨识方法，有同时使用电流检测信号和电压检测信号的辨识方法，还有根据电流检测信号和逆变器的开关控制信号重构电压信号的方法。  基于蓝海华腾变频器V6-H说明作以上说明 1.​ V/F控制方式  变频器采用V/F控制方式时，对电机参数依赖不大，一般强调“空载电流”的大小。由于我们采用矢量化的V/F控制方式，故做电机参数静止自整定还是有必要的。不同功率段的变频器，自学习后的空载电流占额定电流大小百分比也是不同的。  一般有如下百分比数据：5.5kW~15 kW,空载电流P9.05的值为30%~50%的电机额定电流；3.7 kW及以下的，空载电流P9.05的值为50%左右的电机额定电流；特殊情况时，0.4 kW、0.75 kW、1.5 kW，空载电流P9.05的值为70%~80%的电机额定电流；有的0.75 kW功率段，参数自整定后空载电流为电机额定电流的90%。空载电流很大，励磁也越大。  何为矢量化的V/F控制方式，就是在V/F控制时也将输入电流量进行解耦控制，使控制更加精确。  变频器输出电流包括两个值：空载电流和力矩电流，输出电流I的值为空栽电流Im和力矩电流It平方和后开2次方。故空载电流是影响变频器输出电流的主要因素之一。  V/F控制时输出电压与运行频率之比为一定值：即U/F=K（K为常数），P0.12=最大输出电压U，P0.15=基频F。  上图中有个公式，描述转矩、转速、功率之间的关系。变频器在基频以下运行时，随着速度增快，可以输出恒定的转矩，速度增大不会影响转矩的输出；变频器在基频以上运行时，只能保证输出额定的功率，随着转速增大，变频器不能很好的输出足够大的力；有时候变频器速度更快，高速运行时，处于弱磁区，我们必须设置相应的参数，以便让变频器适应弱磁环境。  速度与出力，高速或者低速时，两者不可兼得，这里有个数据概念：调速范围，指满足额定转矩出力的最低频率与最高频率的比值。以前一般的VF控制方式调试范围为1：20~1：40，我司产品V/F控制调速范围可以达到1：100，能够满足更多范围的行业应用。在开环矢量时可以达到1：200，闭环矢量时达到1：1000，接近伺服的性能。  变频器V/F控制系统运行时，有两种方式进行转矩的提升：  1）、自动转矩提升：  必须在P0.16=0且P4.00=0时，自动转矩提升才有效。其作用为：变频器V/F控制低频运行时，提高输出电压，抵消定子压降以产生足够的转矩，保证电机正常运行。自动转矩提升与变频器设置“空载电流”和静止学习的“定子电阻”有关系，变频器必须作电机参数静止自整定，才能更好的控制电机运行。变频器作自动转矩提升控制电机时，见上图所示输出电压和频率的线性关系，运行中因为负载变化对电压输出作适当的增减，由于响应时间的快慢，所以会出现出力不稳定因素。  2）、手动转矩提升  设置P0.16为某一数值时，或者设置P4.00为非零时，手动转矩提升才有效。手动转矩提升只与变频器设置“空载电流”有关系，受电机其他参数设置影响较小。如下图所示，为手动转矩提升曲线图。变频器输出作手动转矩提升，其转矩出力在原来基础上成线性增加，所以出力稳定，不受负载变化的影响，出力稳定。但是转矩提升不益太大，转矩提升的幅度应根据负载情况适当设定，提升过多，在启动过程中将产生较大的电流冲击。  自动转矩提升只能满足一拖一的输出情况，当涉及一台变频器拖动多台电机时，V/F控制时必须采用手动转矩提升，即设置P0.16为非0值。  V/F控制时的有关性能参数调试：  PA.02为V/F控制转差补偿增益，设置此参数时，可以参考电机额定转速P9.02来设定参数。该功能有助于变频器在负载波动及重载情况下保持电机转速恒定，即补偿由于负载波动而导致的电机转速增减，但是由于补偿本身的响应时间问题，导致系统出现不稳定因素增多，在系统波动较大的情况下，此功能码设置为0有一定效果。  PA.04、PA.05为电流限定功能，由于瞬时负载过大而导致系统没法正常运行，可以适当增大PA.05限定值。  V/F控制涉及到以上注意要点和关键功能码。  2.矢量控制方式  变频器作矢量控制时，对电机参数的依赖很大，所以必须对电机作旋转自整定，参数自整定前，必须设置正确的电机机型参数，完全脱开电机负载。  Pd.01、Pd.02、Pd.03、Pd.04、Pd.05、Pd.15、Pd.16参数说明：  下图所示为速度环比例增益与积分时间、电流环比例系数与积分系数调节。Pd.01~ Pd.05为速度环比例增益与积分时间调节参数，设置Pd.05=5HZ，当电机运行频率大于5HZ的时候，Pd.01、Pd.02调节参数起作用；当电机运行频率小于5HZ的时候，Pd.03、Pd.04调节参数起作用。运行参数输出T与比例增益P成正比，与积分时间I成反比，所以Pd.01~ Pd.04四组参数，P设置越大，I设置越小，那么T就越大，变频器控制电机动态响应就越快，此时速度环输入频率与反馈频率一旦有频率差，系统就响应迅速。但是响应太快了会导致电机出现震荡非常厉害。  举例：某现场，Pd.01和Pd.03为出厂值2或3，此两参数设置在5HZ上下时的比例增益P。开始调试，进行参数自学习，作矢量控制，设置P0.03=4，点运行，此时电机震动非常厉害，电流很大，运行根本不正常。后来设置Pd.01=1和Pd.03=1，然后再运行电机，运行很稳定，无任何异常情况。这里我们让动态响应变慢了，那么系统响应慢些了，频率及电流输出就稳定些了。但是调试基本原则是，“在系统无震荡的前提下”，响应越快越好，也就是Pd.01和Pd.03越大，Pd.02和Pd.04越小，响应就越快，越好。因为实时跟踪反馈的速度，然后作出频率及电流、转矩输出调整，这是开环矢量型变频器控制出力稳定性的基本要求。  一般小功率的变频器带电机场合，需要适当减小Pd.01和Pd.03，增大Pd.02和Pd.04，这样更能适应现场的调试工作，当然是根据具体情况来调节数据，不能一概而论。  Pd.15和Pd.16为电流环比例系数和积分系数。下图所示电流环调节过程。在电流环调整时，比例系数P、积分系数I越大，对系统作用越强。一般此两参数不作更改。  举例：  1）、某现场测试，变频器带一台电机空载，作旋转自学习以后，矢量控制，点运行。电机平稳运行着，只是电机内部会发出嗡嗡的声音，感觉电机轴在内部遇到什么阻碍，象棉花塞着了一样，我们观察电机输出空载电流，比通常情况电流输出要高一些，系统不会有大的抖动和震动，就只出现上面文字说明的情况，也不严重，但是就是与正常情况有点区别。后来我们更改Pd.15和Pd.16参数由1000变成400，然后再运行电机，此时有明显效果，电流偏小了，与正常运行电流一致了，也没有嗡嗡的声响了。此时我们调节参数把电流环作用减弱了，响应不是那么快了，然后能满足此电机的正常运行。  2）、当现场控制需要高速运行，超过基频50HZ（举例），那么电机进入弱磁场区域，存在系统震荡，那么此时可以把Pd.16由1000减小为0，让电流环积分增益I作用为0，此时，弱磁区高速运行就不存在问题了，系统运行稳定无震荡。  Pd.08、Pd.09参数说明：  此两个参数分别对驱动转矩和制动转矩进行限定，值越大，那么变频器启动瞬间输出的瞬间转矩力就越大，VF控制和矢量控制时加减速响应时间越快。  Pd.14参数说明：  此功能设置欲激磁时间，欲激磁是在电机启动前事先建立起磁通，以达到电机启动时快速响应的目的。当有运行指令时，先按本功能码设定的时间进入欲激磁状态，磁通建立起来后，再进入正常的加速运行。  在不影响加速的情况下，此参数设置的越长，那么电机起动出力越好。我们出厂值设置为0.3S，有些电机可以设置为0，不需要预激磁。在实际调试过程中，适当增加点预激磁时间，对控制电机有一定的效果。  Pd.17、Pd.18  此两个参数分别设置电机在电动、发电时的转差补偿。调试此两个参数时，需要与P9.02、P0.15作配合调试。Pd.17在矢量开环、矢量闭环、电动状态时有效，比如机床加速可调试此参数。Pd.18在矢量开环、矢量闭环、发电（制动）时有效，比如机床减速可调试此参数。  Pd.21、Pd.22、Pd.23、Pd.24  此四组参数在闭环矢量控制时设置相关的参数。  Pd.25、Pd.26、Pd.27  在闭环矢量控制时实现零伺服功能。  Pd.33  该参数对恒功率区的转矩限定进行补偿。改变该参数可以优化变频器运行在恒功率区的加减速时间和输出转矩。  举例：在机床开环矢量调试时，机床要求速度到3000到4000转每分钟，但是调试时速度只能达到3000转，然后速度就上不去了，并且速度会缓缓降下来。我们把Pd.33由40减为0后，速度很容易就上去了，无任何问题出现。  矢量控制涉及到以上注意要点和关键功能码。  3.转矩控制方式  Pd.15、Pd.16  在转矩控制时，速度环比例增益和积分时间Pd.01~ Pd.05无效； 电流环比例系数和积分系数Pd.15、Pd.16有效，但是很少调此两个参数。  Pd.28、Pd.29、Pd.30、 Pd.31、Pd.32  此五组功能码仅在转矩控制模式下有效。Pd.28是静摩擦补偿系数，当系统在转矩控制模式下，为了克服系统零速运行时或启动时的静摩擦力，可以设置静摩擦补偿系数，以提供给系统预设的转矩提升量。当系统运行起来后，运行时存在摩擦力减少变频器输出的转矩量，可以设定Pd.29减少该摩擦力对变频器输出转矩的影响。Pd.30、 Pd.31、Pd.32为转动惯量补偿系数，在系统加减速时，调试此参数有一定的效果。