高性能矢量變頻器在AC伺服系統(tǒng)中的運(yùn)用

一 伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程

伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過程, 電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型分為直流(DC)伺服系統(tǒng)和交流(AC)伺服系統(tǒng)。交流伺服系統(tǒng)按其采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型又可分為永磁同步(SM型)電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)和感應(yīng)式異步(IM型)電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)。

由于直流伺服電動(dòng)機(jī)存在機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 維修工作量大包括電刷、換向器等則成為直流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。隨著微處理技術(shù)、大功率電力電子技術(shù)的成熟和電機(jī)永磁材料的發(fā)展和成本降低, 交流伺服系統(tǒng)得到長足發(fā)展并將逐步取代直流伺服系統(tǒng)。

二 交流感應(yīng)式異步伺服系統(tǒng)

直流伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能平穩(wěn)、低速轉(zhuǎn)矩高、調(diào)速范圍寬是它的優(yōu)點(diǎn), 一般普通交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是無法做到的。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展, 在二十世紀(jì)七十年代后期出現(xiàn)了矢量控制(VC)理論即磁場(chǎng)定向控制理論。由于矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)的開發(fā)使用, 使異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速可獲得和直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速相媲美的高精度和快速響應(yīng)性能。

電動(dòng)機(jī)調(diào)速的任務(wù)是控制轉(zhuǎn)速, 而速度的變化是通過轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)的, 除轉(zhuǎn)矩外再?zèng)]有其它控制量可影響速度, 所以調(diào)速的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)矩控制。

直流電動(dòng)機(jī)因其特殊功能保證了Φ(磁通量與勵(lì)磁電流If有關(guān))和Ia(電樞電流與負(fù)載大小有關(guān))的正交關(guān)系, 故可近似認(rèn)為夾角Ø=90度不變, 則轉(zhuǎn)矩T=CmΦIa ,例如, 讓?duì)挡蛔儎t, 轉(zhuǎn)矩T僅和Ia電樞電流成正比。控制過程中轉(zhuǎn)矩能迅速響應(yīng)電流的變化, 轉(zhuǎn)矩控制和調(diào)節(jié)十分方便。

異步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理上有很大區(qū)別, 異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁是由三相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的, 它不能像直流電動(dòng)機(jī)一樣固定Φ和Ia的夾角為90度。異步電動(dòng)機(jī)可供檢測(cè)的定子電流I=Im(勵(lì)磁電流)+It(轉(zhuǎn)矩電流)混交在一起, 因此要使異步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)一樣地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩并易于控制, 就必須設(shè)法將定子電流I按矢量變換分解為Im和It, 并使I與Φ的矢量夾角始終保持90度。

矢量型變頻器利用對(duì)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)坐標(biāo)進(jìn)行變換, 使電動(dòng)機(jī)定子電流分解成勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流并分別加以控制。這就使得矢量型變頻器在異步電動(dòng)機(jī)伺服控制系統(tǒng)中完全近似于直流電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的控制策略。

矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn):

(1)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快;

(2)低頻轉(zhuǎn)矩大調(diào)速比寬;

(3)控制比直流伺服系統(tǒng)更加靈活。

矢量控制系統(tǒng)的運(yùn)用范圍:

(1)適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境;

(2)四象限運(yùn)轉(zhuǎn), 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn);

(3)高精度的電力拖動(dòng), 調(diào)速精度為最大速度的0.005%;

(4)要求高速響應(yīng)的工作機(jī)械, 保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)快速,精確地工作。

三 矢量型變頻器在擠壓機(jī)應(yīng)用實(shí)例

在物料擠壓生產(chǎn)線上采用A-B公司的高性能變頻電機(jī)、1336IMPACT高性能變頻器和SLC-504可編程控制器等構(gòu)成的AC伺服控制系統(tǒng)。(見所附控制圖)

A-B公司產(chǎn)品1336IMPACT變頻器采用FORCE技術(shù)即磁場(chǎng)定向控制技術(shù), 使得IMPACT變頻器可以像直流電動(dòng)機(jī)一樣, 獨(dú)立控制交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通。使用光電編碼器時(shí)變頻器調(diào)速范圍為1000:1, 調(diào)速精度為最高速度的0.001%, 轉(zhuǎn)矩調(diào)整率為2%。

1336IMPACT變頻器的FORCE技術(shù)是使變頻電動(dòng)機(jī)真正獲得“類似直流調(diào)速”性能的最先進(jìn)的變頻技術(shù)。

擠壓線伺服控制系統(tǒng)由SLC-504可編程控制器的上位機(jī)來監(jiān)控, 控制系統(tǒng)分為自動(dòng)和手動(dòng)方式。 當(dāng)擠壓設(shè)備溫度等條件滿足后在上位機(jī)選擇自/手動(dòng)方式啟動(dòng)程序SLC發(fā)出命令, 擠壓電動(dòng)機(jī)正向驅(qū)動(dòng)自動(dòng)跟蹤給定速度, 隨著喂料系統(tǒng)的啟動(dòng),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩隨之變化以保證平穩(wěn)的電機(jī)轉(zhuǎn)速。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸和擠壓桿連接處裝有轉(zhuǎn)矩保護(hù)裝置-離合器, 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩大于保護(hù)值時(shí)離合器自動(dòng)分離充分保護(hù)設(shè)備, 當(dāng)位置接近開關(guān)檢測(cè)到離合器動(dòng)作后會(huì)發(fā)出一個(gè)開關(guān)信號(hào)給SLC-504控制系統(tǒng)停車。確定故障后可在上位機(jī)操作通過SLC發(fā)出命令, 變頻器低速反向驅(qū)動(dòng)使離合器復(fù)位, 當(dāng)接近開關(guān)條件滿足變頻器反轉(zhuǎn)停止, 電氣系統(tǒng)恢復(fù)正常。

四 無光電編碼器反饋的矢量控制變頻器簡介

隨著傳感技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代控制理論在變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用, 人們發(fā)現(xiàn)可以用磁通觀測(cè)的間接方式得到磁通量。變頻器是通過檢測(cè)電動(dòng)機(jī)端電壓和電流, 經(jīng)過推算和PI運(yùn)算等方法求得磁通量。所以在沒有光電編碼器反饋的情況下, 新一代矢量變頻器仍可以對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行精確的速度和轉(zhuǎn)矩控制。前面所介紹的1336IMPACT變頻器在無編碼器反饋的情況下調(diào)速范圍可達(dá)120:1, 調(diào)速精度可為0.5%, 轉(zhuǎn)矩調(diào)整率可為5%。除此之外還有像ABB公司的ACS600和日立的SJ300等系列變頻器都有此項(xiàng)功能, 這樣可以在許多運(yùn)用中省去電動(dòng)機(jī)所裝昂貴的光電編碼器同時(shí)可以簡化系統(tǒng)接線等。(end)