通用型交流变频调速器的伺服功能及应用

概述

进入20世纪90年代，由于电力电子器件、微型处理器的发展，以及先进控制理论(如磁场定向矢量控制、直接转矩控制)的应用等原因，使交流变频调速系统在诸如调速范围、驱动能力、调速精度、动态响应、输出性能、运行效率及使用方便性等方面有了很大的提高。目前，交流变频器的性能已经可以和直流调速性能相媲美，再加上交流电机固有的优点，更适用于直流调速系统无法比拟的场合，如高速化、大容量的旋转机械。交流变频器已在钢铁、冶金、矿山、石油、化工、医药、纺织、机械、电力、轻工、建材、造纸、印刷等传统工业的改造和发展中得到了广泛应用，取得了巨大的经济效益和社会效益[1-4]。

然而，随着工业场合中生产工艺的不断改进和升级，对通用变频器的功能和性能也提出了更高的要求，尤其是一些需要定向、定位的场合，使用伺服系统进行控制成本较高，因此通用变频器设计相应的简易伺服功能成为必要的需求。简易伺服功能在通用变频技术的前提下，对于控制方法内部的电流环和速度环，都进行了比一般变频更精确的控制技术和算法运算，在功能上也比通用变频器强大很多，最主要是增加了位置环，可以进行精确的位置控制，通过给定的脉冲序列来控制速度和位置。

以电主轴的控制为例，电主轴是数控机床的重要部件，传统机床主轴是通过传动装置带动主轴旋转而工作的，而电主轴的主要特点是将电动机置于主轴内部，通过驱动电源直接驱动主轴进行工作，实现了电动机、主轴的一体化功能，进行切削加工，具有结构紧凑、效率高、噪声低、振动小、精度高、运行平稳、冲击小等特点，能够使主轴轴承寿命得到延长。使用通用变频器的伺服功能，可完成动态高精度同步跟踪、分度、准停及零速锁定等功能，其优异的性能、丰富的功能完全能够满足数控加工中心主轴控制的工艺和精度要求。一般来说，对位置，速度和力矩的控制精度要求比较高的场合，都可以采用通用变频器的简易伺服功能，如机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、电子、制药、金融机具、自动化生产线等[5-9]。但是，通用变频器的简易伺服功能与专用伺服驱动器相比，在性能和功能方面还有一定的差距，因此通用变频器的伺服功能通常应用于一些对于伺服性能要求不高的场合，而一些高端应用则需要使用专用伺服驱动器。

2 通用变频器、简易伺服变频器、伺服驱动器的区别

变频器的控制对象是感应电机，它可分为通用型与专用型两类。通用型变频器就是人们平常说的变频器，只要容量允许，它对感应电机的生产厂家、电气参数原则上无要求。简易伺服变频器主要应用于数控机床的主轴控制，这样的变频器需要配套专门的主轴电机，也可以用于对定位、调速性能有较高要求的其它控制系统[10]。

1)通用变频器

通用变频器是用于普通感应电机的调速控制的控制器，它可以用于不同生产厂家、不同电气参数的感应电机控制。从系统控制的角度看，建立控制对象的数学模型是实现精确控制的前提条件，它直接决定了系统的控制性能。由于变频器是一种通用控制装置，其控制对象为来自不同厂家生产、不同电气参数的感应电机，依靠目前的技术水平，还不能做到通过控制器本身来精确测试、识别任意控制对象的各种技术参数，因此，变频器在设计时需要进行大量的简化与近似处理，它的调速范围较小。

随着技术的发展，先进的矢量控制变频器一般设计有自动调整(自学习)功能，它可通过自动调整操作来自动测试一些必需的、简单的电机参数，可在一定范围内提高模型的准确性，其性能与早期的V/f控制变频器相比，已经有了很大的提高。

2)简易伺服变频器

简易伺服变频器是一种专用变频器，通常与专用交流主轴电机配套，用于金属切削数控机床的主轴等大范围、高精度调速。实现感应电机的大范围、高精度变频调速控制的前提是建立精确的控制对象数学模型，因此，变频器在设计时就必须预知控制对象的参数，并对此进行专门的控制，它只能通过特定的感应电机和专用变频器才能实现。

简易伺服变频器的控制对象是驱动器生产厂家专门设计的交流感应电机，这种电机经过严格的测试与实验，其电气参数非常接近。简易伺服变频器采用的是闭环矢量控制技术，它不但调速性能大大优于通用变频器控制普通感应电机的系统，而且还能够实现较为准确的转矩与位置控制。简易伺服变频器的调速性能好、生产成本高，但它一般需要与计算机数控系统(CNC)配套使用，且不同公司产品性能、使用等方面的差别较大，其专用性较强。

3)伺服驱动器

伺服驱动器是用于交流电机(交流伺服电机)位置、速度控制的装置，它需要实现高精度位置控制、大范围的恒转矩调速和转矩的精确控制，其调速要求比变频器、简易伺服变频器等交流调速系统更高，因此，必须使用驱动器生产厂家专门生产、配套提供的专用伺服电机。

根据使用场合和控制系统要求的不同，伺服驱动器可分为通用型和专用型两类。通用型伺服驱动器是指本身带有闭环位置控制功能，可独立用于闭环位置控制或速度、转矩控制的伺服驱动器;专用型伺服驱动器是指必须与上级位置控制器(如CNC)配套使用，不能独立于闭环位置控制或速度、转矩控制的伺服驱动器。

3 变频器如何扩展伺服功能

虽然通用变频器与伺服驱动器相比，在性能和功能方面还有一定的差距，但是，通过将通用变频器外扩位置控制板，或进一步升级功能，可以使其在不影响通用变频器功能的同时，具有“简易伺服”功能，主要应用在一些对定位要求不严格的场合。变频器扩展伺服功能的方式可以总结为如下2种：

方案一：将带PG矢量控制功能的通用变频器外扩位置控制板，使其具有定位功能。例如，北京某公司曾基于艾默生TD3000为控制核心，开发出了与TD3000相匹配的位置控制板，结构图如图1所示。该方案实现简单，在国内曾有较多应用，但是，位置控制精度对于通用变频器的依赖性强、位置控制板与通用变频器软硬件匹配性不好等原因，随着伺服驱动器的发展，目前该方式已较少使用。

图1 外扩位置控制板+通用变频器模式

方案二：在保持通用变频器性能和功能的基础上，通过对硬件和软件进行升级，实现位置控制，该方案有2种实现方式：

a. 零伺服功能

在控制方式上增加零伺服位置环，可以实现电机对初始位置的记忆。以蓝海华腾V6-H系列变频器为例，零伺服功能框图如图2所示。对于异步电机，在零伺服命令有效时，当频率指令为零，且电机速度小于零伺服阈值，位置控制环路便投入工作。此时的电机位置被记忆，对电机施加负载或释放负载后，电机最终会保持在已记忆的位置上。零伺服的位置控制精度和动态响应，可通过位置环的比例增益、积分时间进行调整。

图2 零伺服功能框图

b. 简易伺服功能

与方式a相比，位置控制功能除了能实现零伺服功能外，还能实现主轴定位，可以应用于中、低端数控机床等场合。以深圳四方电气技术有限公司生产的A510系列闭环矢量变频器为例，控制对象为专用交流主轴电机，它的主轴控制与分度定位控制可以实现简易伺服功能，主要用于电液伺服、机床伺服主轴控制等大范围、高精度调速。

4 主要生产厂家产品的技术指标

调速系统不但要满足工作机械稳态运行时对转速调节与速度精度的要求，而且还应具有快速、稳定的动态响应特性，因此，除功率因数、效率等常规经济指标外，衡量交流调速系统技术性能的主要指标有调速范围、调速精度、速度响应、过载能力等方面。

1) 调速范围

调速范围是衡量系统速度调节能力的指标。调速范围一般以系统在一定的负载下，实际可达到的最低转速与最高转速之比(如1:100)或直接以最高转速与最低转速的比值(如D=100)来表示。通用变频器、简易伺服变频器、伺服驱动器的调速范围如表1所示。

2) 调速精度

调速精度与调速系统的结构密切相关，一般而言，在同样的控制方式下，采用闭环控制的调速精度是开环控制1/10左右。通用变频器、简易伺服变频器、伺服驱动器的调速精度如表1所示。

3) 速度响应

速度响应指负载惯量与电机惯量相等的情况下，当速度指令以正弦波形式给定时，输出可以完全跟踪给定变化的正弦指令频率值。速度响应是衡量交流调速系统动态快速性的技术指标，也是不同形式的交流调速系统存在的主要性能差距。通用变频器、简易伺服变频器、伺服驱动器的速度响应如表1所示。

4) 功率范围

通用变频器适用范围广，可控制的电机功率在三类产品中为最大，目前已可达1000kW;简易伺服变频器多用于数控机床的主轴控制，根据实际需要，功率范围一般在100kW以下;而交流伺服则多用于高速、高精度位置控制，电机的功率范围一般在15kW以下。

5) 过载能力

过载能力是由“过载倍数”和“过载周期”两个指标决定的。所谓的过载倍数是指额定负载的百分比，过载周期是指过载倍数的通断周期，过载能力是系统功率器件硬件决定的，与散热面积、过载倍数的允许条件等参数有关。通用变频器、简易伺服变频器、交流伺服的过载性能有较大差别，通常而言，三者可以承受的短时过载能力依次为100% ~ 150%、150% ~ 200%、200% ~ 350%。

6) 起动转矩

起动转矩可以反映变频器的起动能力和快速响应能力，对于带码盘的系统而言，通用变频器、简易伺服变频器、交流伺服的起动能力也有较大差别，通常而言，三者的起动能力依次为150%/0 rpm、150%~200%/0 rpm、200% ~ 350%/0 rpm。

7) 综合比较结果

目前市场上各类交流调速装置的产品众多，由于控制方式、电机结构、生产成本与使用要求的不同，调速性能的差距较大，表1为一般情况下通用变频器、简易伺服变频器、交流伺服的技术性能对比表。

5 简易伺服应用实例

1)变频器简易伺服功能在电主轴上的应用

电主轴是数控机床的重要部件，传统机床主轴是通过传动装置带动主轴旋转而工作的。电主轴是电动机内装式主轴单元的简称。其主要特点是将电动机置于主轴内部，通过驱动电源直接驱动主轴进行工作，实现了电动机、主轴的一体化功能。它具有结构紧凑，机械效率高，噪声低，振动小，精度高，运行平稳，没有冲击等特点，能够使主轴轴承寿命得到延长。通过型号A机床专用变频器内置的机床专用功能，可完成动态高精度同步跟踪、分度、准停及零速锁定等功能，方便了用户的使用，同时还可进行一些简单的位置控制，很好控制动态位置精度，可控制在4个脉冲之内，稳态位置精度可控制在一个脉冲之内。其优异的性能、丰富的功能完全能够满足数控加工中心主轴控制的工艺和精度要求。

交流伺服主轴驱动系统由主轴控制器、主轴驱动单元、主轴电动机和检测主轴速度与位置的编码器4 部分组成，主要完成闭环速度控制。主轴驱动单元的位置控制与速度控制均由内部的高速信号处理器及控制系统实现，其原理框图如图3所示。图3中计算机数控系统(CNC)向主轴驱动单元发出速度指令或位置指令，驱动单元根据该指令执行相应的速度与位置控制。与此同时，CNC 控制器也接收来自于主轴电动机编码器的分频输出(或终端传感器的输出信号)来对其指令进行校正，当然，此信号也用于系统过程偏差的检测，如速度偏差检测等。

图3 电主轴驱动原理框图

为方便起见，现以一实际的电主轴系统为例进行描述。在该系统中，C N C 控制器采用的是台湾某品牌主轴控制器，驱动器使用A型号高性能机床专用版本变频器，电动机出厂配置2048RPM 差分增量式编码器。整个系统接线框图如图4所示。

图4 基于A型号变频器简易伺服功能的电主轴接线框图

主轴控制器通过PA + /PA -和PB+ /PB -正交脉冲信号向变频器发出速度和位置信号，同时也包含方向信号。变频器工作在伺服模式，既接收主轴控制器脉冲给定，又接收来自电动机的编码器反馈信号，同时对编码器信号进行分频，反馈到主轴控制器。无论是速度同步跟踪还是零速锁定，整个系统逻辑都非常简单，只需要将变频器设置为伺服模式，调试主要工作是根据电动机的特性曲线来调整变频器相关参数，以获得驱动系统的最佳性能。

2)变频器简易伺服功能在油电驱动技术中的应用

油压驱动技术是目前射出成型机使用最广泛的驱动控制方式，具有功率重量比大、压力和流量控制佳、寿命长及易维护等优点;而交流伺服电机驱动技术则具有响应快、精度高、恒转矩等优点。某品牌B型号油电伺服驱动器利用交流伺服电机驱动的油压系统，将伺服驱动技术、电机技术与油压技术结合，且以精确的压力与流量控制，消除高压节流的能源损耗，将射出成型机油压驱动技术再度创新。

伺服驱动器从射出成型机控制器获得压力机流量命令后，与实际压力和转速反馈进行PID运算，计算出最适合的控制量来驱动伺服电机与油泵，因此控制系统响应快、重复精度高，系统结构如图5所示。

图5 油电伺服驱动系统

传统的注塑机使用油压系统，其用电占注塑机的75%以上，在注塑机运行中，开模、射出、保压、关模等过程需要不同的压力和流量。当需求超过设定的流量及压力时，会由溢流阀或比例阀来调整压力流量，这个过程称之为高压节流，其所造成的能量损失高达40%-75%。基于B型号变频器伺服功能的油电驱动接线框图如图6所示。

图6 基于B型号变频器伺服功能的油电驱动接线框图

3)变频器简易伺服功能在提花机中的应用

现有提花机龙头动力传动系统大部分都是一个异步电机带一个龙头，通过机械传动来带动提花主轴电机。由于只有一个异步电机拖动打纬轴和提花龙头，使得异步电机需要很大的扭矩，那么电机的功耗就会上升，而且由于带动两个负载，异步电机的寿命会大大缩短。而在改用永磁同步电机的情况下，制造噪音大幅降低，提花编织效率提高了，简化机械结构，降低了安装成本和维护成本，因此，把永磁同步伺服电机应用到提花机伺服控制系统中已经成为现实的需要。

提花机龙头伺服电控系统包括主轴伺服驱动系统、HMI参数设置面板、伺服电机，实物图如图7所示。

图7 提花机龙头伺服电控系统实物图

提花机龙头伺服电控系统提供了龙头部分的整体解决方案，传动采用高精度的交流伺服系统，克服传统机械传动结构的不足，安装方便，维护工作量小，并且有一定的节能效果;龙头伺服电机采用自然冷却或水冷方式，更加适合纺织行业较恶劣的工作环境;由于整个系统采用了高运算速度和高精度的伺服系统，使得提花机龙头伺服系统具有提花编织效率提高，可方便手动调整电子提花系统参数，简化机械结构，降低安装成本和维护成本等特点。

采用上海某公司自主研发的C型号伺服驱动器搭建的提花机龙头伺服电控系统整体构架如图8所示，该驱动器是以DSP为核心的程序控制器，运算速度非常快，配合旋变控制板，抗干扰能力强、位置跟踪精确。采用该系统主要有以下优点：1) 取消织机与提花机之间的机械传动杆，简化机械结构，降低了安装成本和维护成本;2) 织造噪音大幅降低;3) 提高提花编织效率;4) 比传统机械传动系统省电10%~20%;5) 可方便手动调整电子提花系统参数，省时省力;6) 规格齐全、可满足不同类型提花机的功率需求，可适用于喷水、剑杆和喷气织机。

图8 提花机龙头伺服系统架构

提花龙头伺服系统是纺织机行业内较为先进的设备之一，可同时满足国内剑杆织机、喷气织机、喷水织机以及提花机等通用型织机主轴伺服系统，使纺织机械的自动化程度取得了较大的进步，在提升企业技术水平，稳定产品质量，提高生产效率等方面具有重大作用。这些年，随着国内纺织行业的迅猛发展，用伺服电机带动提花龙头替代传统机械传动的方式肯定会得到广泛应用。

6 结论

高端变频技术在不断发展，配合机电时间常数小的电机也能完成伺服的精确定位跟踪，特别是在大功率场合，伺服本身的功能就是精确快速定位跟踪，变频器做到这个程度就是伺服了。从企业的发展来看，变频器厂家推出伺服产品，无论是在技术基础还是在销售渠道都占据一定的优势，已经成为越来越多的变频器厂家的发展方向，目前已有多个品牌的通用变频器已开发出了简易伺服功能，而且推广应用较快。然而，通用变频器的简易伺服功能与专用伺服驱动器相比，在性能和功能方面还有一定的差距，因此通用变频器的伺服功能通常应用于一些对于伺服性能要求不高的场合，而一些高端应用则需要使用专用伺服驱动器。