矢量控制型變頻器在提升系統上的應用

樊冰 劉紅兵 崔勇

（1. 武漢長海高新技術有限公司，武漢 430223；2. 中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064）

1 引言

隨著變頻器技術的發展和廣泛應用，交流電機逐步代替直流電機應用于提升系統，其中變頻器是交流電機調速的核心裝置。利用變頻器控制交流電機，具有成本較低，機械特性硬度較好等特點，能滿足一般傳動的平滑調速要求。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減小。相比之下，其機械特性最終沒有直流電動機硬，動態轉矩能力和靜態調速性能都還不盡如人意，且系統性能不高、轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降，穩定性變差等。針對這些傳統交流變頻控制所固有的缺點，可以采用矢量控制變頻調速。

2 矢量控制的基本原理

矢量控制變頻調速是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic，通過三相——二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1、Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流 Im1、It1（Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現對異步電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應用中，由于轉子磁鏈難以準確觀測，系統特性受電動機參數的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。

3 提升系統的特點

和一般的水平傳動系統不同，提升系統的負載通常在豎直方向上受到重力的作用，如果電機在拖動負載時控制方式不當，輸出轉矩不夠，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。負載在下降過程中，電機會處于發電狀態，即變頻器處于能量回饋狀態。為了防止變頻器產生過電壓的現象而跳閘，需要制動單元和制動電阻來消耗回饋能量。或者配備帶回饋制動功能的變頻器將制動產生的能量回饋到電網中。

4 系統設計

提升裝置由主拖動電機、減速機、機械制動器、滑輪、鋼絲繩、平衡重和負載組成。主電機的其中一端與機械制動器相連，另一端通過聯軸器連接到減速機輸入端，減速機輸出端與滑輪相連。鋼絲繩纏繞在滑輪上，其中一端掛接平衡重，另一端掛接負載。整個系統由圖1所示：

圖1 提升系統示意圖

圖2 控制系統結構示意圖

通過變頻器控制電機旋轉方向和力矩，實現被提升對象上升和下降。所以控制變頻器運行方式，就是控制整個提升系統的核心部分。

提升控制系統由PLC，變頻器和工業計算機組成，基礎自動化網絡拓撲圖如圖2所示。

主控制系統硬件采用 S7-300系列 PLC，用于全線速度、位置控制等，并通過以太網與工業計算機相連。

變頻器和PLC通過Profibus-DP總線進行通訊。通過Profibus-DP，PLC可以對變頻器發出控制命令，并可以對變頻器參數進行修改。

這種網絡結構，PLC可作為網關，連接工業以太網和 Profibus-DP這兩種不同類型的網絡，實現工業計算機對變頻器的訪問，可在工業計算機上運行變頻器調試軟件，對變頻器進行配置。

在本系統中，所用到的檢測元器件如下所示：

增量編碼器：安裝于電機出軸處，用于位置檢測，速度反饋。

絕對型編碼器：安裝于卷筒出軸處，用于跟蹤行程變化。

接近開關：用于檢測提升機構所在的位置及狀態。

本控制系統通過安裝于卷揚機上的絕對型編碼器及開度檢測儀來確定被提升對象的行程，并送入PLC精確計算。此外，電機出軸上也安裝了一個增量型編碼器，來計算電機轉速。速度信號反饋輸入變頻器，做相應的運算并采取控制策略達到控制目的。

工業計算機中設有人機界面，可對提升系統工作模式，系統中各個傳感器進行監視和控制。

5 控制原理

系統控制采用轉矩、位置和速度閉環控制。

5.1 速度控制

傳動電機采用速度——轉矩雙閉環控制，由變頻器采用帶傳感器的矢量控制方式實現，根據電動機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、電壓和相位達到對電機速度的精確控制。

5.2 位置控制

在電機軸端設置絕對值型編碼器為主要位置控制檢測源，信號采用串行SSI傳輸，由PLC接受并計算輸出速度給定到變頻器。計算機根據設定的目標位置高度，換算出編碼器的需要的目標行程，并將數據傳送到PLC，PLC根據編碼器的位置反饋信息來控制系統的運行速度給定，并將速度給定信息送入變頻器，實現位置閉環控制，確保負載運行到目標位置，在系統穩定停機后上制動器，完成對目標的定位控制。另外，系統設置檢測校零功能，在任意位置可對系統進行校準。

5.3 制動系統

提升系統配置機械制動系統，制動器由變頻器所配備的抱閘繼電器直接控制，具有響應速度快的特點，在系統出現故障的情況下，起安全保護作用，防止溜車等事故發生。

采用位置閉環控制的電動機運行穩定，不需要機械制動，降低系統振動、沖擊和摩擦片的磨損，電機運行速度曲線如下圖：

圖3 提升控制系統HMI

圖4 控制原理圖

圖5 電機運行速度曲線

這里，停位精度主要由檢測和執行部件決定，計算可達到較高精度，行程檢測受機械結構影響較小，位置控制可以達到較好效果。所以系統可以達到較高的準確度。

6 變頻傳動調試步驟

當負載在機械抱閘打開的情況下暫停，電機需要輸出很高的轉矩防止負載降落。某些場合需要變頻器精確定位功能，當然定位功能可以在上位機中實現，系統的加減速需要仔細控制。

以西門子通用性變頻器SINAMICS G120變頻器為基礎，針對提升的應用特點，變頻器應滿足以下特性：

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

（2）加裝制動單元與制動電阻，通過P1240禁止變頻器的直流電壓控制器功能，同時要在P1237里設置制動占空比；

（3）要確保電機參數的準確，這一點對于矢量控制尤其重要；

（4）要利用功能塊來搭建超速或者負載降落保護；

（5）投入電機外部抱閘控制，參數為P1215-P1217；

（6）對于有配重的負載，矢量控制建議用加速度預控（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點：

（1）可實現零速滿轉矩運行；

（2）低速時性能好，確保精確定位；

（3）真實的反饋速度以防止電機超速與負載突降；

（4）容易調試。

帶編碼器的矢量控制的調試步驟：

（1）快速調試，確保電機數據與電機名牌一致。

（2）通過參數P1910=1，3做電機識別。

（3）通過檢查參數r1787 < +/- 10%，來確保電機模型的正確性。

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

（5）投入電機報閘制動（P1215=1），并根據實際情況優化制動釋放延遲時間（P1216）及最小頻率（P1080）。

（6）對于無配重的負載，我們需要在提升時給定正的速度值，在下降時給定負的頻率值。

（7）設置控制方式P1300=20，用P1960來優化速度環（注意優化時電機會轉動），同時也可以手動修改比例增益P1470與積分時間P1472，以改善系統的動態特性。

（8）轉矩限幅P1520與P1521通常被放到最大。

（9）通常情況下，我們推薦設置P1750.0=0，

（10）建議將P1755設置最小，但是，這會受到低頻時有效電機模型限制，通常P1755的最小值受電機功率的影響。經驗上我們可以將P1755設定為電機滑差的1到2倍。例如，電機50 Hz的額定轉速為1450轉，滑差為1500-1450=50轉，折合頻率為1.67 Hz，因此我們設定P1755的范圍是1.7～3.4 Hz。

（11）為了保證定位精度，變頻器最小的運行頻率應該大于P1755。

（12）如果變頻器在P1755以下運行時，我們可以嘗試用P1610與P1611產生更多的轉矩。

（13）在有配重的情況下，我們設置加速度予控P1496=100%，優化P0342，用來在啟動負載的瞬間給系統一個轉矩提升。

（14）用功能塊來搭建超速保護以及編碼器實際反饋與速度設定背離過大保護

設置如下：

7 結論

矢量控制用于提升系統，SINAMICS G120應用于起重與提升還要經過實踐來檢驗。有時設備的二次啟動，會造成系統溜車，這時就要不斷調整附加轉矩或啟動轉矩等參數的設定值；有時電機的外部抱閘與啟動配合得不好，還需要去調解外部抱閘釋放的延遲時間。只有反復調試，設定適當的參數，才能達到最佳控制效果。

[1]柴瑞娟. 陳海霞. 西門子PLC編程技術及工程應用.機械工業出版社, 2006.

[2]黃慧敏. 通用變頻器應用中的問題及對策. 礦山機械, 2004.

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[4]陳湘楚. 礦山運輸與提升設備. 北京: 煤炭工業出版社, 2004.