高性能矢量变频器在AC伺服系统中的运用

介绍了矢量型变频器在感应式异步电动机伺服系统的运用, 该系统采用PLC控制、高性能变频器调速以及上位机监控技术, 提高了系统的灵活性与工作可靠性, 取得了良好的效果。 Application of vector inverter in asynchronous motor servo system are introduced, the system has adopted PLC control, variable frequency speed regulation and graphical monitor technology, advancing flexibility and reliability for system, acquiring better effect. 一 伺服系统的发展过程 伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程, 电气伺服系统根据所驱动电机类型分为直流(DC)伺服系统和交流(AC)伺服系统。交流伺服系统按其采用的驱动电机类型又可分为永磁同步(SM型)电动机交流伺服系统和感应式异步(IM型)电动机交流伺服系统。 由于直流伺服电动机存在机械结构复杂, 维修工作量大包括电刷、换向器等则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。随着微处理技术、大功率电力电子技术的成熟和电机永磁材料的发展和成本降低, 交流伺服系统得到长足发展并将逐步取代直流伺服系统。 二 交流感应式异步伺服系统 直流伺服系统的动态性能平稳、低速转矩高、调速范围宽是它的优点, 一般普通交流驱动系统是无法做到的。随着变频技术的发展, 在二十世纪七十年代后期出现了矢量控制(VC)理论即磁场定向控制理论。由于矢量控制变频调速系统技术的开发使用, 使异步电动机的调速可获得和直流电动机调速相媲美的高精度和快速响应性能。 电动机调速的任务是控制转速, 而速度的变化是通过转矩来实现的, 除转矩外再没有其它控制量可影响速度, 所以调速的关键是转矩控制。 直流电动机因其特殊功能保证了Φ(磁通量与励磁电流If有关)和Ia(电枢电流与负载大小有关)的正交关系, 故可近似认为夹角Ø=90度不变, 则转矩T=CmΦIa ,例如, 让Φ不变则, 转矩T仅和Ia电枢电流成正比。控制过程中转矩能迅速响应电流的变化, 转矩控制和调节十分方便。 异步电动机与直流电动机在转矩产生原理上有很大区别, 异步电动机的励磁是由三相旋转磁场产生的, 它不能像直流电动机一样固定Φ和Ia的夹角为90度。异步电动机可供检测的定子电流I=Im(励磁电流)+It(转矩电流)混交在一起, 因此要使异步电动机与直流电动机一样地产生转矩并易于控制, 就必须设法将定子电流I按矢量变换分解为Im和It, 并使I与Φ的矢量夹角始终保持90度。 矢量型变频器利用对电动机的参数坐标进行变换, 使电动机定子电流分解成励磁电流和转矩电流并分别加以控制。这就使得矢量型变频器在异步电动机伺服控制系统中完全近似于直流电动机伺服系统的控制策略。 矢量控制系统的优点: (1)动态响应速度快; (2)低频转矩大调速比宽; (3)控制比直流伺服系统更加灵活。 矢量控制系统的运用范围: (1)适应恶劣的工作环境; (2)四象限运转, 电动机运行平稳; (3)高精度的电力拖动, 调速精度为最大速度的0.005%; (4)要求高速响应的工作机械, 保证驱动系统快速,精确地工作。 三 矢量型变频器在挤压机应用实例 在物料挤压生产线上采用A-B公司的高性能变频电机、1336IMPACT高性能变频器和SLC-504可编程控制器等构成的AC伺服控制系统。(见所附控制图) A-B公司产品1336IMPACT变频器采用FORCE技术即磁场定向控制技术, 使得IMPACT变频器可以像直流电动机一样, 独立控制交流电动机的转矩和磁通。使用光电编码器时变频器调速范围为1000:1, 调速精度为最高速度的0.001%, 转矩调整率为2%。 1336IMPACT变频器的FORCE技术是使变频电动机真正获得“类似直流调速”性能的最先进的变频技术。 挤压线伺服控制系统由SLC-504可编程控制器的上位机来监控, 控制系统分为自动和手动方式。 当挤压设备温度等条件满足后在上位机选择自/手动方式启动程序SLC发出命令, 挤压电动机正向驱动自动跟踪给定速度, 随着喂料系统的启动,电动机转矩随之变化以保证平稳的电机转速。在电动机转轴和挤压杆连接处装有转矩保护装置-离合器, 当电机转矩大于保护值时离合器自动分离充分保护设备, 当位置接近开关检测到离合器动作后会发出一个开关信号给SLC-504控制系统停车。确定故障后可在上位机操作通过SLC发出命令, 变频器低速反向驱动使离合器复位, 当接近开关条件满足变频器反转停止, 电气系统恢复正常。 四 无光电编码器反馈的矢量控制变频器简介 随着传感技术的发展和现代控制理论在变频调速技术的应用, 人们发现可以用磁通观测的间接方式得到磁通量。变频器是通过检测电动机端电压和电流, 经过推算和PI运算等方法求得磁通量。所以在没有光电编码器反馈的情况下, 新一代矢量变频器仍可以对异步电动机进行精确的速度和转矩控制。前面所介绍的1336IMPACT变频器在无编码器反馈的情况下调速范围可达120:1, 调速精度可为0.5%, 转矩调整率可为5%。除此之外还有像ABB公司的ACS600和日立的SJ300等系列变频器都有此项功能, 这样可以在许多运用中省去电动机所装昂贵的光电编码器同时可以简化系统接线等。