西門子S120驅(qū)動(dòng)器控制方式分享

1、概述

SINAMICS S120是西門子的一款高端驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)用于機(jī)械和設(shè)備工程的復(fù)雜應(yīng)用，以及廣泛的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)。產(chǎn)品組合涵蓋的功率范圍廣，控制方式豐富，可用于各種驅(qū)動(dòng)任務(wù)：

1）過程工業(yè)中的簡單泵類和風(fēng)機(jī)應(yīng)用

2）離心機(jī)、壓力機(jī)、擠壓機(jī)、升降機(jī)、傳送帶和運(yùn)輸設(shè)備等單軸驅(qū)動(dòng)

3）紡織機(jī)、薄膜機(jī)和造紙機(jī)以及軋鋼設(shè)備的多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

4）機(jī)床、包裝和印刷設(shè)備使用的高動(dòng)態(tài)伺服驅(qū)動(dòng)裝置

SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)器的各種控制方式是整個(gè)變頻器功能的核心。其負(fù)責(zé)電機(jī)的各種物理指標(biāo)的連續(xù)控制，比如電流、扭矩、轉(zhuǎn)速，位置等?？刂品绞焦ぷ鞯男Ч胶?，則相關(guān)設(shè)備工作運(yùn)行的速度越快和精度越高，從而對生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率產(chǎn)生顯著影響。

2、S120驅(qū)動(dòng)器控制方式

S120驅(qū)動(dòng)器的控制方式從電機(jī)的內(nèi)部計(jì)算方式上，可以分為：

1）開環(huán)控制：V/F控制

2）閉環(huán)控制：矢量控制（無編碼器矢量控制SLVC / 帶編碼器矢量控制VC）

3）閉環(huán)控制：伺服控制

可以針對不同的應(yīng)用，選擇S120的不同控制方式。本文為大家介紹一下這些控制方式及其特點(diǎn)，供大家參考。

3、S120驅(qū)動(dòng)器控制方式及特點(diǎn)

3.1 V/F控制方式

V/F特性曲線控制是異步電機(jī)最簡單的控制方式，該控制方式為開環(huán)，不具備速度反饋的控制，適合動(dòng)態(tài)特性要求較低的場合，V/F控制方式適用于以下應(yīng)用：

1）動(dòng)態(tài)性能、速度控制范圍和精度要求較低的應(yīng)用

2）成組控制的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，即多個(gè)電機(jī)連接到一個(gè)電機(jī)模塊進(jìn)行控制

3）調(diào)試過程盡可能簡單快、速的場合，并且需要減少參數(shù)的復(fù)雜性的情況

在 V/F控制中，電壓幅值 V 被指定為實(shí)際電機(jī)頻率 f 的函數(shù)，該函數(shù)可以按不同的特性曲線類型定義，即V/F控制中的特征曲線是可調(diào)的。最常見的特征曲線類型是具有恒定扭矩的線性特征曲線或泵和風(fēng)扇的拋物線特征曲線。

在低速情況下，S120提供電壓提升功能，以避免電機(jī)在 0 V 時(shí)可能無法產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的現(xiàn)象。并且S120集成了轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能，可使異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)際基本保持在轉(zhuǎn)速給定上，不受負(fù)載變化的影響。

3.2 矢量控制

矢量控制的名稱來源于：電機(jī)可以基于其等效電路圖中的數(shù)據(jù)建立一個(gè)電機(jī)模型，電機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流，并分別加以控制。這樣就可以將異步電機(jī)等效為直流電機(jī)來控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動(dòng)態(tài)性能。在矢量模式下，電機(jī)的速度和扭矩可以精確的控制，具有非常好的性能。

電機(jī)數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確，模型計(jì)算工作則更加精確。因此矢量模式的重點(diǎn)是電機(jī)模型的精確計(jì)算或者說是電機(jī)參數(shù)的最準(zhǔn)確的辨別。參數(shù)準(zhǔn)確才可以通過這種控制方式在精度和控制質(zhì)量方面達(dá)到最佳結(jié)果。在矢量控制中，控制的精度和質(zhì)量優(yōu)先于控制的動(dòng)態(tài)特性。

矢量控制有2個(gè)版本 -無編碼器矢量控制（SLVC）和帶編碼器的矢量控制（VC）。

帶編碼器矢量控制的特點(diǎn)：

1）最佳的速度精度、扭矩精度和扭矩紋波

2）轉(zhuǎn)速可在閉環(huán)中降至 0 Hz（靜止?fàn)顟B(tài)）

3）可在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持恒定轉(zhuǎn)矩

4）相對于不帶編碼器的轉(zhuǎn)速控制，帶編碼器矢量控制由于直接測量轉(zhuǎn)速并且作用于電流矢量的觀測，驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性顯著提升

5）非DRIVE-CliQ電機(jī)通常需要進(jìn)行參數(shù)靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)辨識(shí)

6）適用于速度調(diào)節(jié)、負(fù)荷平衡、轉(zhuǎn)矩控制等場合

3.3 無編碼器矢量控制

在'無編碼器矢量控制'中，控制中的變量'速度'的實(shí)際值不是直接測量的，而是通過實(shí)際控制變量以及其他輔助變量計(jì)算出來的。因此，無傳感器矢量控制 （SLVC） 也稱為頻率控制，因?yàn)閷?shí)際速度是根據(jù)電機(jī)中的實(shí)際頻率和從電壓和電流測量的電流模型等方式計(jì)算得來的。

在控制精度和動(dòng)力特性方面，SLVC不如使用編碼器的矢量控制。

用于模型計(jì)算的電流和電壓等變量受干擾等因素的影響，需要使用軟件中的濾波算法進(jìn)行處理，在轉(zhuǎn)矩控制方面會(huì)存在不足，并且對計(jì)算時(shí)間和實(shí)際值的準(zhǔn)確性有影響，因此也會(huì)影響動(dòng)態(tài)效果。

并且由于低速下模型無法足夠精確地得到相關(guān)的物理信息，因此在低頻范圍內(nèi)矢量控制會(huì)從閉環(huán)切換為開環(huán)。

3.4 伺服控制

伺服控制同樣基于電機(jī)的等效電路圖的數(shù)據(jù)，即通過矢量模型控制連接到伺服控制模式下的電機(jī)。因此伺服控制也是矢量控制，區(qū)別在于伺服控制中會(huì)對矢量模型進(jìn)行優(yōu)化，在減少對控制精度和質(zhì)量影響的前提下，提高計(jì)算的速度，以達(dá)到高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的目標(biāo)。

永磁同步電機(jī)應(yīng)優(yōu)先選擇伺服控制模式。

伺服控制模式的應(yīng)用場合和特點(diǎn)為：

1）適合具有高動(dòng)態(tài)運(yùn)行控制特性的應(yīng)用

2）適合具有高轉(zhuǎn)速精度和轉(zhuǎn)矩精度的應(yīng)用（伺服同步電機(jī)帶編碼器）

3）適合與PLC的等時(shí)同步模式配合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)伺服控制功能

4）可以達(dá)到非常高的輸出頻率，計(jì)算周期短

5）可以通過一鍵優(yōu)化的方式進(jìn)行速度和位置控制器的優(yōu)化

6）適用于準(zhǔn)確、快速定位，以及有位置同步等場合

審核編輯：湯梓紅