4.2.1 變頻器矢量控制原理

1、項目四數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制主編 李方園變頻器控制技術(shù)項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.1 項目背景及要求4.2 知識講座（開環(huán)矢量控制與變頻制動）4.3 技能訓(xùn)練一（A700開環(huán)矢量調(diào)試）4.4 技能訓(xùn)練二（主軸變頻器制動電氣連接）4.5 項目設(shè)計方案項目4 數(shù)控車床主軸的開環(huán)矢量控制 當(dāng)前機械制造業(yè)發(fā)展的一個明顯動向是：越來越廣泛地應(yīng)用數(shù)控技術(shù)，普通機械逐漸被高效率、高精度的數(shù)控機械所代替。數(shù)控車床的一個重要核心就是主軸變頻控制，并要求調(diào)速范圍要寬、低速時大轉(zhuǎn)矩輸出，這只有矢量控制才能符合要求。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制數(shù)控車床主軸的開環(huán)矢量控制開環(huán)矢量變頻調(diào)速控制系統(tǒng)就是取消了

2、變頻調(diào)速系統(tǒng)的速度檢測裝置，通過建立一個感應(yīng)電機的精確模型，間接計算法求出傳動運行中電機的實際轉(zhuǎn)速值作為轉(zhuǎn)速的反饋信號。本項目將著重介紹電機參數(shù)的辨識及在數(shù)控車床主軸傳動關(guān)控制中的應(yīng)用 。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制 本項目的學(xué)習(xí)目標(biāo)如下：知識目標(biāo)：熟悉開環(huán)矢量控制下的感應(yīng)電動機、變頻器、控制系統(tǒng)的接線方法；了解變頻器開環(huán)矢量控制的參數(shù)設(shè)置；掌握感應(yīng)電動機在變頻矢量控制下的輸出特性。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制 本項目的學(xué)習(xí)目標(biāo)如下：技能目標(biāo)：能根據(jù)電氣原理圖連接數(shù)控裝置與變頻器；能進行變頻器投入運轉(zhuǎn)的參數(shù)設(shè)置，能對感應(yīng)電動機進行參數(shù)辨識。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制 本項目的學(xué)習(xí)

3、目標(biāo)如下：職業(yè)素養(yǎng)目標(biāo)：樹立系統(tǒng)與部件的概念，掌握在制造業(yè)成為工業(yè)化象征的背景下變頻器應(yīng)該進一步適應(yīng)數(shù)控技術(shù)才是工程應(yīng)用的方向。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.1 項目背景及要求 4.1.1項目背景在機械制造業(yè)中，用普通機床加工復(fù)雜的零部件或具有較高精確度的批量產(chǎn)品時，如車削內(nèi)外圓柱面、圓錐面、環(huán)槽及成形回轉(zhuǎn)表面，以及車削端面及各種常用的螺紋，常常需要熟練的技術(shù)工人手工操作來完成，這種效率低下的傳統(tǒng)加工方式已無法滿足現(xiàn)代制造業(yè)的需求。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，先進的數(shù)控車床應(yīng)運而生，并逐漸成為主流的工具機床。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.1 項目背景及要求4.1.1 項目背景數(shù)控車

4、床是機電一體化的典型產(chǎn)品，是集機床、計算機、電機及其拖動、自動控制、檢測等技術(shù)為一身的自動化設(shè)備。其中主軸運動是數(shù)控車床的一個重要內(nèi)容，以完成切削任務(wù)，其動力約占整臺車床的動力的70%80%。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制圖為數(shù)控車床和主軸電機控制示意圖。a)數(shù)控車床項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制圖為數(shù)控車床和主軸電機控制示意圖。b)主軸電機項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.1 項目背景及要求 4.1. 2 控制要求在目前數(shù)控車床中，主軸控制裝置通常是采用交流變頻器來控制交流主軸電動機。為滿足數(shù)控車床對主軸驅(qū)動的要求，必須有以下性能：項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.1 項目背景及要

5、求4.1. 2 控制要求A、寬調(diào)速范圍，且速度穩(wěn)定性能要高；B、在斷續(xù)負載下，電機的轉(zhuǎn)速波動要??； C、加減速時間短； D、過載能力強； E、噪聲低、震動小、壽命長。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.1 項目背景及要求已知某系列數(shù)控車床主軸電機功率為，其數(shù)控系統(tǒng)采用HNC-21系列控制器，請選擇合適的變頻器，并進行接線與調(diào)試。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2知識講座：開環(huán)矢量控制與變頻制動 4.2.1變頻器矢量控制原理變頻器的矢量控制是20世紀(jì)70年代開始迅速發(fā)展起來的一種新型控制思想，是以電機控制參數(shù)的實時解耦，來實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)矩與磁通控制，以達到與直流電機一樣的調(diào)速性能。異步電機

6、矢量控制調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，其控制方法已趨成熟。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2知識講座：開環(huán)矢量控制與變頻制動4.2.1變頻器矢量控制原理1. 基本原理異步電動機的矢量控制是仿照直流電動機的控制方式，把定子電流的磁場分量和轉(zhuǎn)矩分量解耦開來，分別加以控制，即將異步電動機的物理模型等效地變成類似于直流電動機的模式。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2知識講座：開環(huán)矢量控制與變頻制動1. 基本原理眾所周知，交流電機三相對稱的靜止繞組 A 、B 、C ，通以三相平衡的正弦電流時，所產(chǎn)生的合成磁動勢是旋轉(zhuǎn)磁動勢F，它在空間呈正弦分布，以同步轉(zhuǎn)速（即電流的角頻率）順著 A-B-C 的相序

7、旋轉(zhuǎn)。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制a) 三相交流繞組物理模型 ：項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制物理模型 ：b) 二相交流繞組項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制c) 旋轉(zhuǎn)的直流繞組圖4.2 交流電機繞組等效項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2.1變頻器矢量控制原理旋轉(zhuǎn)磁動勢并不一定非要三相不可，除單相以外，二相、三相、四相等任意對稱的多相繞組，通以平衡的多相電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢，當(dāng)然以兩相最為簡單。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2.1變頻器矢量控制原理如圖所示圖中繪出了兩相靜止繞組 和，它們在空間互差90，通以時間上互差90的兩相平衡交流電流，也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢 F 。當(dāng)圖a和b的

8、兩個旋轉(zhuǎn)磁動勢大小和轉(zhuǎn)速都相等時，即認(rèn)為圖的兩相繞組與圖的三相繞組等效。再看圖中的兩個匝數(shù)相等且互相垂直的繞組 M 和T，其中分別通以直流電流 iM 和iT，產(chǎn)生合成磁動勢 F，其位置相對于繞組來說是固定的 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2.1變頻器矢量控制原理如果讓包含兩個繞組在內(nèi)的整個鐵心以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，則磁動勢 F 自然也隨之旋轉(zhuǎn)起來，成為旋轉(zhuǎn)磁動勢。把這個旋轉(zhuǎn)磁動勢的大小和轉(zhuǎn)速也控制成與圖4.2a 和圖4.2b 中的磁動勢一樣，那么這套旋轉(zhuǎn)的直流繞組也就和前面兩套固定的交流繞組都等效了。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2.1變頻器矢量控制原理當(dāng)觀察者也站到鐵心上和繞組一起旋轉(zhuǎn)

9、時，在他看來，M 和 T是兩個通以直流而相互垂直的靜止繞組。如果控制磁通的位置在M軸上，就和直流電機物理模型沒有本質(zhì)上的區(qū)別了。這時，繞組M相當(dāng)于勵磁繞組，T相當(dāng)于偽靜止的電樞繞組。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2.1變頻器矢量控制原理由此可見，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準(zhǔn)則，圖的三相交流繞組、圖的兩相交流繞組和圖中整體旋轉(zhuǎn)的直流繞組彼此等效?；蛘哒f，在三相坐標(biāo)系下的 iA、iB 、iC，在兩相坐標(biāo)系下的 ia、ib和在旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系下的直流iM 、iT是等效的，它們能產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動勢。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2.1變頻器矢量控制原理有意思的是：就圖4.2c 的M、T兩個

10、繞組而言，當(dāng)觀察者站在地面看上去，它們是與三相交流繞組等效的旋轉(zhuǎn)直流繞組；如果跳到旋轉(zhuǎn)著的鐵心上看，它們就的的確確是一個直流電機模型了。這樣，通過坐標(biāo)系的變換，可以找到與交流三相繞組等效的直流電機模型。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2知識講座：開環(huán)矢量控制與變頻制動 2. 矢量控制框架與坐標(biāo)變換圖4.3a)所示為矢量控制的基本框架，即將異步電動機按照等效直流電機模型進行控制。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制矢量控制坐標(biāo)變換如圖：b) K/P變換項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2.1變頻器矢量控制原理（1）3/2相變換和2/3相變換在三相靜止繞組A、B、C和兩相靜止繞組a、b之間的變

11、換，稱為三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系間的變換，簡稱 3/2 相變換。反之，則稱為2/3相變換。（2）2s/2r變換和2r/2s變換從兩相靜止坐標(biāo)系a、b到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 M、T變換稱作兩相兩相旋轉(zhuǎn)變換，簡稱 2s/2r 變換，其中 s 表示靜止，r 表示旋轉(zhuǎn)。反之，則稱為2r/2s變換。（3）K/P變換令矢量 is 和M軸的夾角為q s，已知iM 和iT，求is和q s，就是直角坐標(biāo)/極坐標(biāo)變換，簡稱K/P變換（圖） 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2.1變頻器矢量控制原理了解了坐標(biāo)變換后，就可以理解矢量控制的主要步驟：要把三相靜止坐標(biāo)系上的電壓方程、磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程都變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐

12、標(biāo)系上來，可以先利用 3/2 相變換將方程式中定子和轉(zhuǎn)子的電壓、電流、磁鏈和轉(zhuǎn)矩都變換到兩相靜止坐標(biāo)系a、b上，然后再用旋轉(zhuǎn)變換陣 C2s/2r（圖中的VR），將這些變量變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 M和T上。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2.1變頻器矢量控制原理因此，從圖中可以這樣認(rèn)為，在控制器后面引入的反旋轉(zhuǎn)變換器VR-1與電機內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)VR抵消，2/3變換器與電機內(nèi)部的3/2變換環(huán)節(jié)抵消，如果再忽略變頻器中可能產(chǎn)生的滯后，則圖5-9中虛線框內(nèi)的部分可以完全刪去，剩下的就是直流調(diào)速系統(tǒng)了。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制3. 轉(zhuǎn)子磁場定向下的異步電機數(shù)學(xué)模型 矢量控制就是通過坐標(biāo)變換

13、，實現(xiàn)定子側(cè)控制量的解耦，該方法是分析異步電機數(shù)學(xué)模型，簡化電磁關(guān)系，實現(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)計的有效手段。由于轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下異步電機數(shù)學(xué)模型意義明確、簡化實用，常用于設(shè)計調(diào)速控制系統(tǒng) 4.2.1變頻器矢量控制原理項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制1.在轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制下，其電壓矢量與電流矢量之間的方程矩陣形式如下所示： 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2.1變頻器矢量控制原理Rs/Rr為定子/轉(zhuǎn)子電阻；Ls/Lr為定子/轉(zhuǎn)子電感；Lm為互感；w s1為角速度；p為微分因子。顯然，可以想象得出，異步電機參數(shù)對于矢量控制的重要性，因此在很多矢量控制變頻器中都含有自動檢測電機參數(shù)的程序，以防

14、止用戶輸入電機參數(shù)不準(zhǔn)確所帶來的控制精度誤差。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2.2開環(huán)矢量控制方式 1、基本概念在高性能的異步電動機矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)一般是必不可少的。通常，采用旋轉(zhuǎn)編碼器等速度傳感器來進行轉(zhuǎn)速檢測，并反饋轉(zhuǎn)速信號。 4.1 項目背景及要求項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2.2開環(huán)矢量控制方式由于速度傳感器的安裝給系統(tǒng)帶來一些缺陷：系統(tǒng)的成本大大增加；精度越高的編碼器價格也越貴；編碼器在電動機軸上的安裝存在同心度的問題，安裝不當(dāng)將影響測速的精度；電動機軸上的體積增大，而且給電動機的維護帶來一定困難，同時破壞了異步電動機的簡單堅固的特點；在惡劣的環(huán)境下，

15、編碼器工作的精度易受環(huán)境的影響。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2.2開環(huán)矢量控制方式無速度傳感器的控制系統(tǒng)無需檢測硬件，免去了速度傳感器帶來的種種麻煩，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)的成本；另一方面，使得系統(tǒng)的體積小、重量輕，而且減少了電動機與控制器的連線。因此，無速度傳感器的矢量控制方式（又稱開環(huán)矢量控制）在工程應(yīng)用中變得非常必要。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2.2開環(huán)矢量控制方式開環(huán)矢量控制方式是基于磁場定向控制理論發(fā)展而來的。實現(xiàn)精確的磁場定向矢量控制需要在異步電動機內(nèi)安裝磁通檢測裝置，要在異步電動機內(nèi)安裝磁通檢測裝置是很困難的，但人們發(fā)現(xiàn)，即使不在異步電動機中直接安裝

16、磁通檢測裝置，也可以在通用變頻器內(nèi)部得到與磁通相應(yīng)的量，并由此得到了無速度傳感器的矢量控制方式。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2.2開環(huán)矢量控制方式它的基本控制思想是根據(jù)輸入的電動機的銘牌參數(shù)，按照一定的關(guān)系式分別對作為基本控制量的勵磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流進行檢測，并通過控制電動機定子繞組上的電壓的頻率使勵磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流的指令值和檢測值達到一致，并輸出轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)矢量控制。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2.2開環(huán)矢量控制方式采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動機相匹配，而且可以控制異步電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準(zhǔn)確的被

17、控異步電動機的參數(shù)，因此需要在使用時準(zhǔn)確地輸入異步電動機的參數(shù)，并對拖動的電動機進行調(diào)諧整定，否則難以達到理想的控制效果 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2.2開環(huán)矢量控制方式無速度傳感器矢量控制方式的基本技術(shù)指標(biāo)定義如下：速度控制精度，速度控制范圍1：100，轉(zhuǎn)矩控制響應(yīng)150。其中起動轉(zhuǎn)矩指標(biāo)，根據(jù)不同品牌的變頻器其性能有所高低，大致在150250之間。如圖所示為安川G7的無速度傳感器矢量控制方式下的起動轉(zhuǎn)矩特性，在極低速下能達到150%以上的轉(zhuǎn)矩。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2.2開環(huán)矢量控制方式圖4.4 無速度傳感器矢量控制方式起動轉(zhuǎn)矩特性有時為了描述上的方便，也把無速度傳

18、感器的矢量 控制方式稱為開環(huán)矢量控制或無PG反饋矢量控制。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制2、電動機參數(shù)的調(diào)諧整定由于電動機磁通模型的建立必須依賴于電動機參數(shù)，因此選擇無速度傳感器矢量控制時，第一次運行前必須首先對電動機進行參數(shù)的調(diào)諧整定。目前新型矢量控制通用頻器中已經(jīng)具備異步電動機參數(shù)自動調(diào)諧、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動異步電動機進行正常運轉(zhuǎn)之前可以自動地對異步電動機的參數(shù)進行調(diào)諧后存儲在相應(yīng)的參數(shù)組中，并根據(jù)調(diào)諧結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)數(shù)值。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制自動調(diào)諧（因在電動機旋轉(zhuǎn)情況下進行，又稱旋轉(zhuǎn)式調(diào)諧）的步驟一般是這樣的：首先在變頻器參數(shù)中輸入需要調(diào)

19、諧的電動機的基本參數(shù)，包括電動機的類型（異步電動機或同步電動機）、電動機的額定功率（單位是KW）、電動機的額定電流（單位是A）、電動機的額定頻率（單位是Hz）、電動機的額定轉(zhuǎn)速（單位轉(zhuǎn)/分）；然后將電動機與機械設(shè)備分開，電動機作為單體；接著用變頻器的操作面板指令操作，變頻器的控制程序就會一邊根據(jù)內(nèi)部預(yù)先設(shè)定的運行程序自動運轉(zhuǎn)，一邊測定一次電壓和一次電流，然后計算出電動機的各項參數(shù)。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制在電動機與機械設(shè)備難以分開的場合卻很不方便，此時可采用靜止式調(diào)諧整定的方法，即將固定在任一相位、僅改變振幅而不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的三相交流電壓施加于電動機上，電動機不旋轉(zhuǎn)，由此時的電壓、電流波

20、形按電動機等值回路對各項參數(shù)進行運算，便能高精度測定控制上必需的電動機參數(shù)。在靜止式調(diào)諧中，用原來方法無法測定的漏電流也能測定，控制性能進一步提高。利用靜止式調(diào)諧技術(shù)，可對于機械設(shè)備組合一起的電動機自動調(diào)諧、自動測定控制上所需的各項常數(shù)，因而顯著提高了通用變頻器使用的方便性。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制從圖的異步電動機的T型等效電路表示中可以看出，電動機除了常規(guī)的參數(shù)如電動機極數(shù)、額定功率、額定電流外，還有R1（定子電阻）、X11（定子漏感抗）、R2（轉(zhuǎn)子電阻）、X21（轉(zhuǎn)子漏感抗）、Xm（互感抗）和I0（空載電流）。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制圖4.5 異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路項目四

21、 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制從上面已經(jīng)知道，參數(shù)辨識分電動機靜止辨識和旋轉(zhuǎn)辨識2種，其中在靜止辨識中，變頻器能自動測量并計算定子和轉(zhuǎn)子電阻以及相對于基本頻率的漏感抗，并同時將測量的參數(shù)寫入；在旋轉(zhuǎn)辨識中，變頻器自動測量電動機的互感抗和空載電流 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制在調(diào)諧整定過程中，必須注意以下幾點：（1）調(diào)諧過程如果出現(xiàn)過流或過壓故障，可適當(dāng)調(diào)整價減速時間和轉(zhuǎn)矩補償數(shù)值，并取消故障自動復(fù)位功能。（2）在起動調(diào)諧前應(yīng)確保電動機處于停止?fàn)顟B(tài)，否則調(diào)諧不能正常進行。（3）調(diào)諧前必須確保輸入電動機的銘牌參數(shù)準(zhǔn)確無誤，否則調(diào)諧后的電動機參數(shù)不準(zhǔn)確。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制（4）不同品牌

22、不同型號的變頻器旋轉(zhuǎn)調(diào)諧時從零速加速運行到的頻率有些差異，有些是基本運行頻率，有些則只有基本運行頻率的50或80，具體可依據(jù)變頻器的用戶手冊。（5）如果現(xiàn)場情況無法對電動機進行調(diào)諧的，可以參考同類電動機的已知參數(shù)手工輸入，或者按照以下方式進行：先選擇靜止調(diào)諧，可依次計算出定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻和漏感抗3個參數(shù)，不測量電動機的互感抗和空載電流，用戶可以根據(jù)電動機銘牌自行計算這兩個參數(shù)，計算中用到的電動機銘牌參數(shù)有額定電壓U、額定電流I、額定頻率f和功率因數(shù)，其中項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制空載電流 互感抗 （X代表漏感抗，是定子漏感抗X11和轉(zhuǎn)子漏感抗X21之和）（6）為了保證控制性能，必須按變

23、頻器標(biāo)準(zhǔn)適配電動機進行電動機配置，若電動機功率與標(biāo)準(zhǔn)適配電動機的功率差距過大（功率差別一般在1到2級之間），變頻器的控制將明顯下降，或者配用高轉(zhuǎn)差電動機等特殊電動機也將大大影響使用效果。（7）如果在變頻器與電動機之間接有電抗器或濾波器等配件的話，將影響到自動調(diào)諧的準(zhǔn)確度，應(yīng)該在進行自動調(diào)諧前暫時拆除這些配件。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制3、速度調(diào)節(jié)器ASR 速度調(diào)節(jié)器ASR的結(jié)構(gòu)如圖所示，圖中Kp為比例增益，KI為積分時間。積分時間設(shè)為0時，則無積分作用，速度環(huán)為單純的比例調(diào)節(jié)器。由于是無速度傳感器矢量控制方式，速度環(huán)的實際速度來源于變頻器內(nèi)部的實際計算值。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制

24、圖4.6 速度調(diào)節(jié)器簡化框圖項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制速度調(diào)節(jié)器ASR的整定參數(shù)包括比例增益P和積分時間I，其數(shù)值大小將直接影響矢量控制的效果，其目標(biāo)就是要取得動態(tài)性能良好的階躍響應(yīng)（圖）。具體調(diào)節(jié)的影響情況如下：（1）增加比例增益P，可加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，但P值過大，系統(tǒng)容易振蕩；（2）減小積分時間I值，可加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，但I值過小，系統(tǒng)超調(diào)就會增大，且容易產(chǎn)生振蕩；（3）通常先調(diào)整比例增益P值，保證系統(tǒng)不振蕩的前提下盡量增大P值，然后調(diào)節(jié)積分時間I值使系統(tǒng)既有快速的響應(yīng)特性又超調(diào)不大。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制圖是比例增益P值與速度調(diào)節(jié)器ASR的階躍響應(yīng)關(guān)系，圖是積分時間

25、I值與速度調(diào)節(jié)器ASR的階躍響應(yīng)關(guān)系。a)參數(shù)整定情況一 b)參數(shù)整定情況一 c)參數(shù)整定情況一 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制一般的矢量變頻器為了適應(yīng)電動機低速和高速帶載運行都有快速響應(yīng)的情況，都設(shè)有兩套PI參數(shù)值（即低速PI值和高速PI值），同時設(shè)有切換頻率。為了保證兩套PI值的正常過渡，一些變頻器還另外設(shè)置了兩個切換頻率，即切換頻率1和切換頻率2，如圖。其控制原理是：低于切換頻率1的頻率動態(tài)響應(yīng)PI值取A點的數(shù)值，高于切換頻率2的頻率動態(tài)響應(yīng)PI值取B點的數(shù)值，位于切換頻率1和切換頻率2的頻率動態(tài)響應(yīng)PI值取兩套PI參數(shù)的加權(quán)平均值。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制圖4.8 PI參數(shù)與

26、頻率切換的關(guān)系 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制如果PI參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，系統(tǒng)在快速起動到高速后，可能產(chǎn)生減速過電壓故障（如果沒有外接制動電阻或制動單元），這是由于在速度超調(diào)后的下降過程中系統(tǒng)再生制動狀態(tài)能量回饋所致，因此合適的PI值對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4、轉(zhuǎn)差補償增益和靜差率靜差就是從一個穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速過渡到另一個穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速之間的差值，靜差率是指電動機空載與滿載的速度差，這兩個參數(shù)對于電動機的控制特性都是要求比較高的。由于無速度傳感器的矢量控制方式對于轉(zhuǎn)速的測量是間接的，一般都是通過容易測量的定子電壓和電流信號間接求得轉(zhuǎn)速。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制目前

27、常用的方法有：（1）利用電動機模型推導(dǎo)出轉(zhuǎn)速方程式，從而計算轉(zhuǎn)速；（2）利用電動機模型計算轉(zhuǎn)差頻率，進行補償；（3）根據(jù)模型參考自適應(yīng)控制理論，選擇合適的參考模型和可調(diào)整模型，同時辨識轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈；（4）利用其它辨識或估計方法求得轉(zhuǎn)速；（5）利用電動機的齒諧波電勢計算轉(zhuǎn)速；等等。但是，無論哪一種方法，對于電動機實際運行的速度計算或辨識精度都非常有限，為了精確調(diào)整靜差，確保電動機的靜差率低于0.01%，就需要對轉(zhuǎn)差補償增益進行設(shè)置。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制所謂轉(zhuǎn)差補償增益，就是用于計算轉(zhuǎn)差頻率，設(shè)定值100表示額定的轉(zhuǎn)矩電流對應(yīng)額定的轉(zhuǎn)差頻率，因此設(shè)置合理的轉(zhuǎn)差補償增益系統(tǒng)可以精確調(diào)

28、整速度控制的靜差。其參數(shù)的設(shè)置原則是：當(dāng)電動機重載時速度偏低，就應(yīng)該加大該系數(shù)，反之就減小該參數(shù)。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2.3變頻器容量選擇的依據(jù)變頻器的容量直接關(guān)系到變頻調(diào)速系統(tǒng)的運行可靠性，因此，合理的容量將保證最優(yōu)的投資。變頻器的容量選擇在實際操作中存在很多誤區(qū)，這里給出了三種基本的容量選擇方法，它們之間互為補充 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制1、從電流的角度大多數(shù)變頻器容量可從三個角度表述：額定電流、可用電動機功率和額定容量。其中后兩項，變頻器生產(chǎn)廠家由本國或本公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電動機給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控

29、制選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流是一個反映半導(dǎo)體變頻裝置負載能力的關(guān)鍵量。負載電流不超過變頻器額定電流是選擇變頻器容量的基本原則。需要著重指出的是，確定變頻器容量前應(yīng)仔細了解設(shè)備的工藝情況及電動機參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉(zhuǎn)子電動機的額定電流要大于普通籠形異步電動機額定電流，冶金工業(yè)常用的輥道用電動機不僅額定電流大很多，同時它允許短時處于堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，且輥道傳動大多是多電動機傳動。應(yīng)保證在無故障狀態(tài)下負載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制2、從效率的角度系統(tǒng)效率等于變頻器效率與電動機效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時，則系統(tǒng)效率才較高。從效率角度

30、出發(fā)，在選用變頻器功率時，要注意以下幾點：（1）變頻器功率值與電動機功率值相當(dāng)時最合適，以利變頻器在高的效率值下運轉(zhuǎn)。（2）在變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可能接近電動機的功率，但應(yīng)略大于電動機的功率。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制（3）當(dāng)電動機屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運行。（4）經(jīng)測試，電動機實際功率確實有富余，可以考慮選用功率小于電動機功率的變頻器，但要注意瞬時峰值電流是否會造成過電流保護動作。（5）當(dāng)變頻器與電動機功率不相同時，則必須相應(yīng)調(diào)整節(jié)能程序的設(shè)置，以利達到較高的節(jié)能效果。

31、項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制變頻器負載率b與效率h的關(guān)系曲線見圖。圖負載率與效率的關(guān)系曲線項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制可見：當(dāng)b=50%時，h=94%；當(dāng)b=100%時，h=96%。雖然b增一倍，h變化僅2%，但對中大功率例幾百千瓦至幾千千瓦電動而言亦是可觀的。系統(tǒng)效率等于變頻器效率與電動機效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時，則系統(tǒng)效率才較高。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制從效率角度出發(fā)，在選用變頻器功率時，要注意以下幾點： （1）變頻器功率值與電動機功率值相當(dāng)時最合適，以利變頻器在高的效率值下運轉(zhuǎn)。 （2）在變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可

32、能接近電動機的功率，但應(yīng)略大于電動機的功率。 （3）當(dāng)電動機屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運行。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制（4）經(jīng)測試，電動機實際功率確實有富余，可以考慮選用功率小于電動機功率的變頻器，但要注意瞬時峰值電流是否會造成過電流保護動作。（5）當(dāng)變頻器與電動機功率不相同時，則必須相應(yīng)調(diào)整節(jié)能程序的設(shè)置，以利達到較高的節(jié)能效果。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制3、從計算功率的角度對于連續(xù)運轉(zhuǎn)的變頻器必須同時滿足以下3個計算公式：（1）滿足負載輸出：PCNPM（2）滿足電動機容量：PCN3kUeIe10-3（3）

33、滿足電動機電流：ICNkIe項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制式中PCN為變頻器容量（單位kVA），PM-負載要求的電動機軸輸出功率（單位kW），Ue為電動機額定電壓（單位V），Ie為電動機額定電流（單位A），為電動機效率(通常約為085)，cos為電動機功率因數(shù)(通常約為075)，k是電流波形補償系數(shù)（由于變頻器的輸出波形并不是完全的正弦波，而含有高次諧波的成分，其電流應(yīng)有所增加，通常k約為10511）。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2.4電動機低頻運行時所要考慮到因素在決定變頻控制系統(tǒng)中電動機帶負載能力的因素方面，必須考慮到電動機在低速時的溫升。1.低頻運行時的電動機功耗功耗是導(dǎo)致電動

34、機發(fā)熱的原因，當(dāng)電動機的工作頻率下降時，電動機內(nèi)各種功耗的變化情形為：項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制（1）銅損不變。由于電動機的額定電流不變，故銅損無變化。（2）鐵損下降。由于鐵損與頻率有關(guān)，當(dāng)頻率下降時，鐵損也下降。（3）機械損耗下降。由于機械損耗與轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速下降時，機械損耗也下降?？傊?，當(dāng)電動機的工作頻率下降時，其內(nèi)部的功耗將有所下降。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制2.低頻運行時的電動機散熱一般情況下，中小容量的電動機的散熱主要靠轉(zhuǎn)子軸上自帶的風(fēng)扇和內(nèi)部的通風(fēng)。顯然，電動機低頻運行時，轉(zhuǎn)速也隨之下降，通風(fēng)情況變差。根據(jù)實際運行情況得出，在低頻運行時電機對于內(nèi)部功耗的散熱效果遠低于工

35、頻，從而導(dǎo)致電機溫升，電動機的帶負載能力也隨之下降。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制為了克服電動機在低頻帶載能力低的弱點，必須采取強制風(fēng)冷。而變頻電機是專門配備變頻器使用的特殊電機，變頻電機可在保證轉(zhuǎn)矩的情況下長期低速運行，普通三相異步電動機的轉(zhuǎn)速是固定的，電機廠是根據(jù)電機的轉(zhuǎn)速設(shè)計風(fēng)扇的，普通電機如果用變頻器降速運行，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速也會降低，風(fēng)扇的風(fēng)量就會下降，電機溫度會升高，而變頻電機是用另外加配的電風(fēng)扇散熱的，風(fēng)扇是不受電機的轉(zhuǎn)速限制的，所以變頻電機特別適合用變頻器控制時的低速運行。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2.5變頻器制動原理1、制動問題的提出通用變頻器大都為電壓型交-直-交變

36、頻器，從變頻器的基本結(jié)構(gòu)圖中可以知道三相交流電首先通過二極管不控整流橋得到脈動直流電，再經(jīng)電解電容濾波穩(wěn)壓，最后經(jīng)無源逆變輸出電壓、頻率可調(diào)的交流電給電動機供電。這類變頻器功率因數(shù)高、效率高、精度高、調(diào)速范圍寬，所以在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制一般而言，負載的能量可以分為動能和勢能兩種。動能（由負載的速度和重量確定其大?。╇S著物體的運動而累積，當(dāng)動能減為零時，該事物就處在停止?fàn)顟B(tài)。機械抱閘裝置的方法是用制動裝置把物體動能轉(zhuǎn)換為摩擦和能消耗掉。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制對于變頻器，如果輸出頻率降低，電機轉(zhuǎn)速將跟隨頻率同樣降低，這時會產(chǎn)生制動過程，由制動產(chǎn)生的功率

37、將返回到變頻器側(cè)，由于二極管不控整流器能量傳輸不可逆，產(chǎn)生的再生電能傳輸?shù)街绷鱾?cè)濾波電容上，產(chǎn)生泵升電壓；而以GTR、IGBT為代表的全控型器件耐壓較低，過高的泵升電壓有可能損壞開關(guān)器件、電解電容，甚至?xí)茐碾姍C的絕緣，從而威脅系統(tǒng)安全工作，這就限制了通用變頻器的應(yīng)用范圍。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制因此，必須將這些功率消耗掉，如可以用電阻發(fā)熱消耗。在用于提升類負載時，如負載下降，能量（勢能）也要返回到變頻器（或電源）側(cè)，這種操作方法被稱作“再生制動”。如果在負載減速期間或者長期被倒拖時，由電機側(cè)流到變頻器直流母線側(cè)產(chǎn)生的功率如果不通過熱消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到變頻器電源側(cè)或者

38、通過直流母線并聯(lián)的方式由其他電動狀態(tài)的電機消耗的方法叫做回饋制動。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制顯然，如需要將能量直接返回到電源側(cè)還需要一種特殊的裝置，即能量回饋單元?？偠灾瑸榱烁纳浦苿幽芰?，不能單純期望靠增加變頻器的容量來解決問題，而必須采用處理再生能量的方法：電阻能耗制動和回饋制動。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制因此，在以下應(yīng)用場合，用戶必須考慮配套使用制動方式：電機拖動大慣量負載（如離心機、龍門刨、巷道車、行車的大小車等）并要求急劇減速或停車；電機拖動位能負載（如電梯，起重機，礦井提升機等）；電機經(jīng)常處于被拖動狀態(tài)（如離心機副機、造紙機導(dǎo)紙輥電機、化纖機械牽伸機等）。以上幾類負

39、載的共同特點，要求電機不僅運行于電動狀態(tài)（一、三象限），而且要運行于發(fā)電制動狀態(tài)（二、四象限）。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制2、電阻能耗制動的工作方式電阻能耗制動采用的方法就是制動單元和制動電阻二部分。即通過內(nèi)置或外加制動電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，實現(xiàn)電機的四象限運行，該方法雖然簡單，但有如下嚴(yán)重缺點： 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制(1)浪費能量，降低了系統(tǒng)的效率；(2)電阻發(fā)熱嚴(yán)重，影響系統(tǒng)的其他部分正常工作；(3)簡單的能耗制動有時不能及時抑制快速制動產(chǎn)生的泵升電壓，限制了制動性能的提高(制動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，動態(tài)性能好)。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2.6變

40、頻器能耗制動的設(shè)計能耗制動中涉及到制動單元和制動電阻的選配計算方法，包括以下幾種：1.制動轉(zhuǎn)矩TB的計算假設(shè)電機從現(xiàn)在的運行速度開始制動，在一定的減速時間里，到達新的一個穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，這樣的一個制動過程所需的電磁轉(zhuǎn)矩TB可以由以下公式計算：項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制式中，TB為制動電磁轉(zhuǎn)矩（Nm）；GD2M為電機的轉(zhuǎn)動慣量（Nm2）；GD2L為電機負載側(cè)折算到電機側(cè)的轉(zhuǎn)動慣量（Nm2）；TL為負載阻轉(zhuǎn)矩（Nm）；N1為制動前電機速度（r/min）；N2為制動后電機轉(zhuǎn)速（r/min）；ts為減速時間（s）。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2.6變頻器能耗制動的設(shè)計一般情況下，在進行電機制動

41、時，電機內(nèi)部存在損耗，折合成制動轉(zhuǎn)矩大約為電動機額定轉(zhuǎn)矩的20，因此若所計算出的制動電磁轉(zhuǎn)矩小于20的電機額定轉(zhuǎn)矩，則表明無需外接制動裝置。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制在能耗制動中，要有足夠的制動轉(zhuǎn)矩才能產(chǎn)生需要的制動效果，制動轉(zhuǎn)矩太小，變頻器仍然會過電壓跳脫。制動轉(zhuǎn)矩越大，制動能力越強，制動性能越好。但是，制動轉(zhuǎn)矩要求越大，設(shè)備投資也會越大。在制動轉(zhuǎn)矩進行精確計算出現(xiàn)困難的時候，我們還可以進行估算來滿足工程要求。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制有這樣一些經(jīng)驗值：按100%制動轉(zhuǎn)矩設(shè)計，可以滿足90%以上的負載；對電梯，提升機，吊車，按100%；開卷和卷取設(shè)備，120%計算；離心機負載為1

42、00%；需要急速停車的大慣性負載，可能需要120%的制動轉(zhuǎn)矩；普通慣性負載80%。在極端的情況下，制動轉(zhuǎn)矩可以設(shè)計為150%，此時對制動單元和制動電阻都必須仔細核算，因為此時設(shè)備可能工作在極限狀態(tài)，一旦計算錯誤可能會損壞變頻器本身。超過150%的轉(zhuǎn)矩是沒有必要的，因為超過這個數(shù)值，變頻器本身也工作到了極限，沒有增大的余地了。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制2.制動電阻的阻值計算制動電阻的選擇必須基于這樣一個原則：電機再生電能必須被電阻完全吸收。在制動單元工作過程中，直流母線的電壓升降取決于常數(shù)RC，R為制動電阻的阻值，C為變頻器的電解電容的容量。由充放電曲線我們知道，RC越小，母線電壓的放電速

43、度越快，在C保持一定（變頻器型號確定）的情況下，R越小，母線電壓的放電速度越快。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制由以下公式可以求出制動電阻的阻值：式中，UC為制動單元動作電壓值，取值可以參照第二章相關(guān)內(nèi)容（通?？梢匀?10V）；TM為電機額定轉(zhuǎn)矩（Nm）。這里，設(shè)定N2為0，這樣該阻值就能滿足電機各種減速狀況的要求。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制3.制動單元的選擇在進行制動單元得選擇時，制動單元工作時流過開關(guān)管的最大瞬時電流要小于該器件的額定電流是選擇的唯一依據(jù)，通過計算出最大電流值，就可以選擇合適的制動單元，計算公式如下：項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制式中，UC為制動單元直流母線電壓值

44、，在交流380V進線電源時取800V；RB為制動電阻阻值（）；IC為制動電流瞬時值（A）。一般變頻器的硬件過壓保護值為760V，考慮其動作的滯后，將其適當(dāng)加大，但不會超過800V，因此在計算IC時適當(dāng)加大了UC。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.制動電阻的標(biāo)稱功率由于制動電阻為短時工作制，即每次通電時間很短，在通電期間，電阻溫升遠遠達不到穩(wěn)定溫升，但瞬時功率很高；每次通電后的間歇時間較長，在該段時間內(nèi)其溫度在不斷下降，如此循環(huán)往復(fù)，最終電阻達到一定的穩(wěn)定溫升，一般有80100度。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制因此根據(jù)電阻的特性和技術(shù)指標(biāo)，我們知道電阻的標(biāo)稱功率（即額定功率）將小于通電時的

45、消耗功率，一般可以由下式求得：式中，PR為制動電阻的標(biāo)稱功率或額定功率（W）；PS為制動期間的平均消耗功率（W）；ED%為制動使用率，這里選擇10；a為制動電阻降額系數(shù)，一般選2，該值可以由電阻的降額曲線查得。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制PS可由以下公式求得：這里必須指出，制動使用率是根據(jù)負載的實際情況選定的，不同的工藝條件，ED就不一樣。圖為制動使用率的示意。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制圖4.10 制動使用率項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制這里以典型的升速、保持、降速為一個過程，從前一次減速制動到現(xiàn)在的減速制動為一個周期Tc，減速時間即制動時間為Tb，則制動使用率就是由以下公式計算

46、：ED%=（Tb/Tc）100項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制一般而言，ED%取值根據(jù)負載的實際制動特性，當(dāng)然也可以由下面的經(jīng)驗值進行估算：電梯ED%=10-15%油田磕頭機ED%=10-20%開卷和卷取ED%=50-60%（最好按系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)核算）離心機ED%=5-20%下放高度超過100米的吊車ED%=20-40%偶然制動的負載ED%=5%其他ED%=10%項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制以上所講的都是電機處于重復(fù)減速的周期制動情況，如果屬于非重復(fù)減速，其制動電阻的額定功率選擇是不同的。另外，如果強迫風(fēng)冷代替自然冷卻，電阻的額定功率可以進一步減小?？傊痪湓?，制動電阻的額定功率的計算基準(zhǔn)是

47、：電機再生電能必須能被電阻完全吸收并變?yōu)闊崮茚尫拧?項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制確定了阻值和功率就可以基本確定制動電阻的參數(shù)，同時在制作方式上應(yīng)采用雙線并繞的無感電阻，當(dāng)然也可用普通的箱式電阻，但需在電阻兩端并接一只續(xù)流二極管，可使用快恢復(fù)二極管，耐壓1000V以上。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.2.7變頻器能耗制動的應(yīng)用 能耗制動的基本應(yīng)用就是變頻器、制動單元和制動電阻，且是一一對應(yīng)的。由于制動單元一般具有通用性，制動電阻又可以功率和阻值自由選配，所以一對一的單機應(yīng)用型能耗制動方案對品牌并無特殊要求。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制能耗制動的基本應(yīng)用方案一般都以下三種：1.無保護型

48、圖所示就是適用于用戶選用的普通制動電阻。只要確保制動電阻的功率和散熱條件良好，并不至于發(fā)生火災(zāi)隱患的情況下，就可以選用無保護型接線。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制圖無保護型制動單元配線項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制圖中，制動單元以艾默生TDB系列為例，其端子說明如下：P為直流母線正端，N為直流母線負端，可以輸入的電壓規(guī)格為DC600V/40A；PB為制動電阻的一端，另外一端為P，接輸出制動電阻；G為制動單元接地；TA/TB/TC為故障繼電器的公共點、常閉點和常開點，可以接交流220V/10A或直流30V/1A以下的控制回路。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制2.接觸器保護型圖的接線就是通過進

49、線接觸器來保證變頻器與制動單元的電氣安全，也就是說當(dāng)制動單元發(fā)生故障（TA/TB動作）或者制動電阻熱保護（TH1/TH2動作），立即切斷接觸器KM，變頻器和制動單元就處于安全保護狀態(tài)。采用接觸器保護型的接線方式必須確保制動單元的動作觸點和制動電阻的熱觸點處于有效的狀態(tài)內(nèi)，否則容易導(dǎo)致接觸器不動作或頻繁動作，反而造成系統(tǒng)損壞。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制圖4.12 保護型制動單元配線項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制3.控制端子保護型圖的接線就是通過定義控制端子為變頻器的保護功能時封鎖變頻器的電壓輸出，也就是說當(dāng)制動單元發(fā)生故障（TA/TB動作）或者制動電阻熱保護（TH1/TH2動作），變頻

50、器的控制端子X1就處于有效接通的狀態(tài)，變頻器就認(rèn)為外部設(shè)備故障，顯示故障報警代碼并停止輸出。這種功能是利用變頻器特有的對輸入外部設(shè)備的故障監(jiān)視功能。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制圖控制端子保護型制動單元配線項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4、能耗制動的擴充應(yīng)用方案由于制動單元的規(guī)格并不是以電機的規(guī)格為基礎(chǔ)，而是按照制動時的電流來選配，因此制動單元的型號相對較少，只有幾種。如果單個的制動單元并不能完全解決制動問題時，就可以采用擴充應(yīng)用方案，也就是制動單元并聯(lián)的方案。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制這里以安邦信公司AMB-G7B-C03制動單元為例進行多單元并聯(lián)方案。安邦信的制動單元都有主/從控

51、制單元設(shè)置，當(dāng)一臺制動單元運行時，把開關(guān)選擇為主控制；當(dāng)采用擴充應(yīng)用方案時，即多臺制動單元并聯(lián)運行，優(yōu)先選取其中一臺作為主控制，其余的作為從控制，如圖所示。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制圖制動單元多單元并聯(lián)項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4、能耗制動的擴充應(yīng)用方案圖中可以看到，當(dāng)多臺制動單元并行運行時，控制單元1作為主控單元，控制單元2、3作為從控單元，制動電阻單元的過熱保護接線，控制端子M+（輸出控制正信號）、S+（輸入控制正信號）和M-（輸出控制負信號）、S-（輸入控制負信號）之間的導(dǎo)線長度不得超過1米，并行聯(lián)結(jié)的制動單元總數(shù)不得超過10。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.3 技能訓(xùn)練

52、一：變頻器A700的開環(huán)矢量調(diào)試4.3.1A700變頻器離線自動調(diào)整變頻器運行在開環(huán)矢量控制方式時，其控制性能是跟電機的模型大有關(guān)系的，因此，必須對變頻器對應(yīng)的電動機進行參數(shù)辨識，其中最常用的一種方式是“離線自動調(diào)整”，從而在矢量運行時最大限度地發(fā)揮電機的性能。這里以三菱A700為例進行介紹離線自動調(diào)整的相關(guān)技能。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制1、跟離線自動調(diào)整有關(guān)系的參數(shù)在變頻器對電動機進行參數(shù)辨識前，必須輸入如表所示的4個參數(shù)，包括適用電機類型、額定電壓、額定頻率以及自動調(diào)整設(shè)定狀態(tài)。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制表4.1 跟離線自動調(diào)整有關(guān)系的參數(shù) 其中參數(shù)選擇必須根據(jù)表所示進行。

53、項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制表4.2 參數(shù)的選擇項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制顯然，由于在數(shù)控車床主軸控制進行矢量控制選用電機基本都是Y、Y2或YVP等系列國產(chǎn)電動機，因此選擇為“其他公司制造的標(biāo)準(zhǔn)電機”或“其他公司制造的恒轉(zhuǎn)矩電機”，即Pr.71=3或13。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制2、準(zhǔn)備工作在執(zhí)行離線自動調(diào)整之前，請進行以下確認(rèn)：1）對電動機的參數(shù)進行設(shè)定（和）。2）對變頻器的運行方式進行設(shè)定（）。3）連接好電機，并確保在開始調(diào)整時電機處于停止?fàn)顟B(tài)。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制按照電機容量與變頻器容量相同或是電機容量比變頻器容量小1級的組合進行運行。但是電機容量至少應(yīng)為以

54、上。對于55K以下的變頻器如果在變頻器和電機間連接了浪涌電壓抑制濾波器(FR-ASF-H)的狀態(tài)下，對于75K以上的變頻器如果在變頻器和電機間連接了正弦波濾波器(MT-BSL/BSC)的狀態(tài)下，執(zhí)行離線自動調(diào)整時將無法正確調(diào)諧。此時需要拆除這些濾波器后再執(zhí)行調(diào)整操作。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4）根據(jù)離線調(diào)整方式，確保電機與負載的連接方式不影響到離線自動調(diào)整。在電機不運轉(zhuǎn)的離線自動調(diào)整（Pr.96 自動調(diào)整設(shè)定/狀態(tài) “1”）方式下，電機可能會發(fā)生極微小的運動，需要通過機械制動器加以可靠的固定，或確認(rèn)即使電機轉(zhuǎn)動在安全方面也不存在問題后再進行調(diào)諧（特別是用于升降機時，尤其要加以注意）。同

55、時，電機輕微轉(zhuǎn)動不會影響調(diào)諧性能。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制選擇了電機運轉(zhuǎn)的離線自動調(diào)整（Pr.96 自動調(diào)整諧設(shè)定/狀態(tài) “101”）時，應(yīng)注意調(diào)諧過程中轉(zhuǎn)矩不充分的情況會發(fā)生、即使運轉(zhuǎn)至電機額定速度附近也不會發(fā)生設(shè)備安全問題、制動器已放開、不能在受到外力的情況下運轉(zhuǎn)。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制3、執(zhí)行調(diào)整1）設(shè)置為變頻器運行方式為PU，按下操作面板/；外部運行時請將起動指令（STF信號或STR信號）設(shè)為ON，開始調(diào)諧操作。2）以Pr.96 自動調(diào)整諧設(shè)定/狀態(tài) “101”為例進行調(diào)整，通過操作面板可以觀察到如圖所示：項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制圖自動調(diào)整項目四 數(shù)控車床主軸

56、開環(huán)矢量控制3）離線自動調(diào)整的時間根據(jù)參數(shù)選擇不同會有所變化，具體如表所示。 表離線自動調(diào)整的時間項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4）在離線自動調(diào)整完成后，如為PU 運行時，請按下操作面板的。如為外部運行時請將起動信號（STF 信號或STR信號）設(shè)為OFF。實施此操作后。離線自動調(diào)整被解除，PU的監(jiān)視器顯示將恢復(fù)為正常顯示。5）調(diào)諧完成后請勿變更 Pr.96 的設(shè)定值（3或103）。如果用戶變更了Pr.96 的設(shè)定值時，調(diào)諧數(shù)據(jù)將無效，如果還是希望運行開環(huán)矢量控制方式下，需要再次進行調(diào)諧。6）離線自動調(diào)整如果異常結(jié)束（參見表），電機參數(shù)未得到設(shè)定，需要進行變頻器復(fù)位后，重新進行調(diào)諧操作。項目四

57、 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制表4.4 異常結(jié)束錯誤代碼在調(diào)諧過程中將起動信號（STF信號或STR信號）設(shè)為OFF，強制結(jié)束調(diào)諧時，離線自動調(diào)諧未能正常結(jié)束，也就是說電機參數(shù)未得到設(shè)定，這時候需要在變頻器的復(fù)位后，重新進行調(diào)整操作。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.3.2A700變頻器在線自動調(diào)整由于在變頻器進行矢量控制時用到了極易受溫度影響的轉(zhuǎn)子參數(shù)，參數(shù)的變化直接影響了電動機的調(diào)速性能，使得實際上的控制效果遠不如理論分析的那么完美。我們知道，純金屬的電阻隨溫度的升高電阻增大，溫度升高1電阻值要增大千分之幾。因此，必須要對電機在溫度發(fā)生變化時進行溫度補償，以實現(xiàn)良好的速度控制和轉(zhuǎn)矩控制 項目四

58、 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制對于A700變頻器來說，可以簡單地選擇來進行在線自動調(diào)整，具體如表所示。表在線自動調(diào)整參數(shù)設(shè)置項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制1、電機一開機運行即進行在線自動調(diào)整由于在線自動調(diào)整需要進行CPU運算，對于某些高性能控制要求的電機控制來說，如果只在每一次開機運行時進行“在線自動調(diào)整”就能節(jié)省大量的時間，也能提高控制精度。這種情況下，只需設(shè)定Pr.95=1。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制操作步驟如下：1）確認(rèn)、和為合適的值，即選擇開環(huán)矢量控制方式。2)確認(rèn)Pr.96 自動調(diào)整設(shè)定/狀態(tài)為“3”或“103”（離線自動調(diào)整完成），這意味著在實施在線自動調(diào)諧前，務(wù)必實施離線自動

59、調(diào)整。3)設(shè)定 Pr.95 在線自動調(diào)整選擇 “1”（起動時在線自動調(diào)整），在下一次起動時將執(zhí)行在線自動調(diào)整。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4) 設(shè)為PU運行時，需要按下操作面板的/ ；在外部運行時，將運行指令（STF信號或STR信號）設(shè)為ON。通過以上步驟就能在起動時迅速對電機的狀態(tài)進行調(diào)諧，可以實現(xiàn)不受電機溫度影響的高精度運行，以及實現(xiàn)超低速下的高轉(zhuǎn)矩、穩(wěn)定運行。項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制2、實時在線自動調(diào)整設(shè)定Pr.95=2的前提條件是使用帶PG的電機并實施矢量控制時，這對于提高轉(zhuǎn)矩精度非常有效，其原理是通過流過電機的電流和變頻器的輸出電壓來推斷和監(jiān)測電機內(nèi)部的磁通。在實時在線自

60、動調(diào)整下，由于可始終高精度地推斷出電機的磁通，變頻矢量控制效果不會受電阻的溫度變化影響，從而取得良好的運行特性。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4.3.3開環(huán)矢量控制的實施步驟速度控制是指對于確保速度指令和實際電機轉(zhuǎn)速一致進行控制，請設(shè)置合理的開環(huán)矢量可控制。開環(huán)矢量控制的實施步驟如下：1）實施可靠的配線。2）進行所使用電機的設(shè)定（）。3）進行電機容量、電機極數(shù)的設(shè)定。（，）。在Pr.80 電機容量 中設(shè)定電機容量（kW）；在Pr.81 電機極數(shù) 中設(shè)定電機極數(shù)（POLE數(shù)）。當(dāng)變頻器參數(shù)進行初始化時，其設(shè)定值為“9999”，默認(rèn)為V/F控制。 項目四 數(shù)控車床主軸開環(huán)矢量控制4）進行控制方