变频器怎样同时控制速度和力矩

admin

1、要了解这四种模式，需要先分别了解开环和闭环、速度和转矩模式的区别
2、开环和闭环在变频器中是指是否有速度编码器反馈给变频器，如果没有，则为开环，此时变频器需选择无速度传感器矢量控制（简称：开环矢量），如果有则称为有速度传感器矢量控制（简称：闭环矢量）。
3、速度模式是指变频器以控制电机的转速为目的，此时电机的力矩必须为保持该速度而调整。所以控制系统中外环为速度环，内环为电流环。速度环的输出为电流环的给定（力矩给定），该电流环也称为转矩环。采用开环速度，则电机的转子速度是通过电压、电流及电机模型计算出来的，所以其速度精度、速度响应肯定比闭环要差和慢，所以开环速度控制只用在对低频速度和转矩响应不高的场合。闭环速度控制由于使用了编码器，速度、转子位置可以通过编码器直接测量，所以速度精度和响应远远超过开环，但增加了编码器带来了故障点和成本增加，所以有些对精度要求不高的场合不使用闭环速度控制，反之则必须使用闭环速度控制
4、转矩模式是指变频器是以控制电机的输出力矩为目的，速度大小和外部负载有关，与转矩无关。此时变频器一般无速度环，只有电流环，外部给定直接给电流环作为力矩设定。为防止超速，许多高档变频器都带速度外环限制超速，这是一种增强型的转矩模式，此时速度环只起一个限制最大速度的作用，电流环依然起主导作用。开环转矩在响应和精度方面比闭环要差，原因和速度模式是一样的。
5、开环速度、闭环速度应用最为广泛，闭环转矩模式一般用在张力控制居多，而开环转矩应用的比较少，目前也就是在个别传动如：双电机同轴、皮袋传输等有一些应用。

admin

变频调速系统都是以控制电动机的转速为目的的，其基本特点如下：
    (1)变频器输出频率的大小（取决于电动机转速的高低）随给定信号的大小而变。
    (2)电动机的转矩大小是不能控制的，它总是和负载的阻转矩处于平衡状态。因此，是随负载的轻重而随时变化的。
    (3)电动机转矩的限值是受发热和过载能力（取决于临界转矩）制约的。
    转矩控制是矢量控制模式下的一种特殊控制方式，其主要特点如下：
    (1)给定信号并不用于控制变频器输出频率的大小，而是用于控制电动机所产生的电磁转矩的大小。
    (2)电动机的转速大小取决于电磁转矩和负载转矩比较的结果，只能决定拖动系统是加速还是减速，其输出频率不能调节，很难使拖动系统在某一转速下等速运行。
    如果给定的电动机转矩不变（等于TMX），而负载转矩变化。
    1)负载转矩TL小于TMx时，拖动系统将加速，并且一直加速至变频器预置的上限频率，拖动系统将按上限转速nH运行。
    2)当负载转矩TL超过TMx时，拖动系统将减速。
    3)当负载转矩TL又小于TMX时，拖动系统又加速到上限转速nH。
    4)当电动机转矩小于负载转矩时，转速为0。
    5)当电动机转矩大于负载转矩时，拖动系统开始加速，加速度随动态转矩（TJ= TM-TL）的增加而增加。
    调速系统的任务是控制速度，速度通过转矩来改变，调速系统的性能取决于转矩控制的性能，矢量控制(VC)和直接力矩控制(DTC)的任务都是实现高性能的转矩控制，它们的速度调节部分相同。
    异步电动机的转矩等于磁链矢量和定子电流矢量的矢量积。磁链不能直接测量，需要通过定子电压、电流及电动机参数计算。由于定子电压电流都是交流量，处理起来比较复杂，所以在VC控制系统中，借助于坐标变化，把它们变成dq（旋转坐标系）坐标系的直流量，计算得到的控制量再经反变换回交流坐标轴系产生PWM信号。为了在高速和低速均能取得好的性能，必须用电压电流两个模型，且涉及的电动机参数较多。
    在DTC系统中用交流量直接计算力矩和磁链，然后通过力矩、磁链两个Band-B and控制器产生PWM信号，省去了坐标变换。在研制DTC的初期没有考虑低速运行工况，并以定子磁链为基础，涉及电动机参数只有Rs一个，因此DTC方式具有计算简单，涉及电动机参数较少，精度高等优点。实际上在考虑低速运行情况后，DTC也必须引入电流模型，也要用到转子磁链，涉及的电动机参数和VC控制方法一样多，所以精度也一样。DTC没有坐标变换，计算公式简单，但为了实现Band-Band控制，必须在一个开关周期中计算很多次，因此要求计算速度快。以ABB公司的ACS600系列为例，它的计算周期是25μs。在VC控制中测量电压电流在一个开关周期内的平均值，然后一周期计算一次，对计算速度要求较低。以Siemens公司的6SE70系列为例，其计算周期是400μs，相差16倍。矢量变换计算只不过是4个乘法和两个加法，以现在处理器的能力是完全胜任的。另外，以定子磁链为基础也不是DTC的专利，有的VC控制系统也以定子磁链为基础。例如，ACS600 (DTC)转矩控制响应时间是Sms，6SE70（VC控制）也是5ms，再快的转矩控制响应机械设备也难以承受，因此没有实际意义。
    有人认为，DTC利用磁链幅值的Band-Band控制可得到近似圆形的磁场。磁链幅值的波动会导致转矩波动，而VC控制是连续控制，磁链幅值不变，无转矩波动。这种看法有一定的局限性，DTC中由于存在转矩Band-Band控制，转矩平均值不会受磁链变化影响而波动，磁链变化只影响电流波形。对于VC控制，由于变频器按PWM模式工作，在一个开关周期内不可控制，也不是连续控制，同样存在电流脉动并导致转矩脉动的问题，6SE70的转矩脉动为2%。
    矢量控制和直接转矩控制是基于动态模型的高动态性能的交流调速方法，两者既有相同之处，也存在一定的差异，但其根本目的是一致的，都是实现电磁转矩与磁链的控制，只不过实现的方法不同。
    矢量控制系统采用按转子磁链定向，实现定子电流转矩分量与励磁分量的解耦，用电流闭环控制的方法，抑制定子电流两个分量间的交叉耦合及感应电势的扰动，通过转矩闭环或引入除法环节实现转矩与转子磁链的解耦控制。矢量控制的解耦依赖于转子磁链的正确定向，对模型参数（尤其是转子参数）的依赖性较强。采用连续的平滑控制方法，动态响应不如直接转矩快，但调节比较平稳。
    直接转矩控制不追求系统的精确解耦，根据定子磁链和电磁转矩的偏差以及定子磁链所在的扇区，选择电压空间矢量，完成转矩和磁链的控制。采用Bang-Bang控制，不需要定子磁链的精确定向，系统的鲁棒性较强，动态响应快，但难免产生定子磁链和转矩的脉动。为了减小转矩和磁链的脉动，应提高采样频率和计算速度，控制系统运算简单，也为提高采样频率和计算速度提供了可能。
    磁链直接检测相当困难，两种系统都需要计算磁链，一般来说，转子磁链用电流模型计算，而定子磁链用电压模型计算，前者的计算精度与转子电阻和互感有关，而后者则与定子电阻及积分初值相关，如何提高磁链计算精度，是值得关注的问题。
    在矢量控制和直接力矩控制系统开发的初期都要求在电动机轴上装设编码器，测取速度（位置）信号，但有些场合安装编码器困难，所以又开发了无速度传感器系统。无速度传感器系统在实验室实现的方法有很多，但真正用于工业产品的都是基于同样原理，即电压、电流模型法。
    电压模型使用电动机参数较少，在速度高于额定转速5%～10%（高速）时，计算精度较高；速度为额定转速的5%～10%（低速）时，由于电压值太小，因此计算误差较大。电流模型使用电动机参数多，特别是受转子电阻变化影响大，计算误差略大，但误差与转速无关。在有速度传感器的系统中，高速时使用电压模型，控制精度高；低速时使用电流模型，精度虽不如高速时高，但仍能正常运行。在无速度传感器系统中，高速时转速角速度靠比较电压电流模型计算结果辨识得到，因此只能达到有速度传感器系统低速时的水平；低速时由于电压模型不准，没有基准，无法辨识，系统只能抛弃矢量控制，改为开环工作。现在的无速度传感器矢量控制系统在低速时都是开环系统，只适合用于无长期低速运行一且高速时要求调速精度不高的场合。无速度传感器矢量控制系统在静止时也能产生满力矩是因为在静止时，速度为零是已知的，不需辨识，但一转起来，就不能长期低速运行。