变频器起动制动运行相关知识

1、变频器的控制方式1引言我们通常意义上讲的低压变频器，其输出电压一般为220650v、输出功率为0.2400kw、工作频率为0800hz左右，变频器的主电路采用交直交电路。根据不同的变频控制理论，其模式主要有以下三种:（1）v/f=c的正弦脉宽调制模式（2）矢量控制（vc）模式（3）直接转矩控制（dtc）模式针对以上三种控制模式理论，可以发展为几种不同的变频器控制方式，即v/f控制方式（包括开环v/f控制和闭环v/f控制）、无速度传感器矢量控制方式（矢量控制vc的一种）、闭环矢量控制方式（即有速度传感器矢量控制vc的一种）、转矩控制方式（矢量控制vc或直接转矩控制dtc）等。这些控制方式在变频器

2、通电运行前必须首先设置。2v/f控制方式2.1基本概念我们知道，变频器v/f控制的基本思想是u/f=c，因此定义在频率为fx时，ux的表达式为ux/fx=c，其中c为常数，就是“压频比系数”。图1中所示就是变频器的基本运行v/f曲线。图1基本运行v/f曲线由图1可以看出，当电动机的运行频率高于一定值时，变频器的输出电压不再能随频率的上升而上升，我们就将该特定值称之为基本运行频率，用fb表示。也就是说，基本运行频率是指变频器输出最高电压时对应的最小频率。在通常情况下，基本运行频率是电动机的额定频率，如电动机铭牌上标识的50hz或60hz。同时与基本运行频率对应的变频器输出电压称之为最大输出电压，

3、用vmax表示。当电动机的运行频率超过基本运行频率fb后，u/f不再是一个常数，而是随着输出频率的上升而减少，电动机磁通也因此减少，变成“弱磁调速”状态。基本运行频率是决定变频器的逆变波形占空比的一个设置参数，当设定该值后，变频器cpu将基本运行频率值和运行频率进行运算后，调整变频器输出波形的占空比来达到调整输出电压的目的。因此，在一般情况下，不要随意改变基本运行频率的参数设置，如确有必要，一定要根据电动机的参数特性来适当设值，否则，容易造成变频器过热、过流等现象。2.2预定义的v/f曲线和用户自定义v/f曲线由于电动机负载的多样性和不确定性，因此很多变频器厂商都推出了预定义的v/f曲线和用户

4、自定义的任意v/f曲线。预定义的v/f曲线是指变频器内部已经为用户定义的各种不同类型的曲线。如艾默生ev2000变频器有三种特定曲线（图2a），曲线1为2.0次幂降转矩特性、曲线2为1.7次幂降转矩特性、曲线为1.2次幂降转矩特性。罗克韦尔abpowerflex400变频器有4种定义的曲线（如图2b），其定义的方式是在电动机额定频率一半（即50fn）时的输出电压是电动机额定电压的30时（即30vn）为曲线1，35vn为曲线2，40vn为曲线3，vn为曲线4。这些预定义的v/f曲线非常适合在可变转矩（如典型的风机和泵类负载）中使用，用户可以根据负载特性进行调整，以达到最优的节能效果。a）艾默生e

5、v2000b）abpoweflex400图2预定义v/f曲线对于其他特殊的负载，如同步电动机，则可以通过设置用户自定义v/f曲线的几个参数，来得到任意v/f曲线，从而可以适应这些负载的特殊要求和特定功能。自定义v/f曲线一般都通过折线设定，典型的有三段折线和两段折线。用户自定义v/f曲线以三段折线设定为例，如图3所示，f通常为变频器的基本运行频率，在某些变频器中定义为电动机的额定频率，;v通常为变频器的最大输出电压，在某些变频器中定义为电动机的额定电压。如果最大输出电压等于额定电压或者基本运行频率等于额定频率，则两者是一回事，如果两者之间数值不相等，就必须根据变频器的用户手册来确定具体的数据。

6、图中给出了三个中间坐标数值，即（f1，v1）、（f2，v2）、（f3，v3），用户只需填入相应的电压值或电压百分比以及频率值或频率百分比即可。如果将其中的两点重合就可以看成是二段折线设定。虽然用户自定义v/f曲线可以任意设定，但是一旦数值设定不当，就会造成意外故障。比如说低频时转矩提升电压过高，造成电动机起动时低频抖动。所以，v/f曲线特性必须以满足电动机的运行为前提条件。2.3v/f曲线转矩补偿变频器在启动或极低速运行时，根据v/f曲线，电动机在低频时对应输出的电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，这就导致励磁不足而使电动机不能获得足够的旋转力，因此需要对转矩进行补充补偿，这称为转矩补

7、偿。通常的做法是对输出电压做一些提升补偿，以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电动机的输出转矩。图4转矩补偿图4中，v0表示手动转矩提升电压、vmax表示最大输出电压、f0表示转矩提升的截止频率、fb表示基本运行频率。对于v0的设置原则一般有以下几点:（1）当电动机与变频器之间的距离太远时，由于线路压降增大，应适当增大v0值;（2）当电动机容量小于变频器额定容量时，由于此容量电动机的绕组电阻比大容量电动机大，电阻压降也大，应适当增大v0值;（3）当电动机抖动厉害时，说明转矩过大，转矩补偿增益调得过高，应适当减小v0值。这里必须避免这样一个误区:即使提高很多输出电压，电动机转矩并不

8、能和其电流相对应的提高。这是因为电动机电流包含电动机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。关于截止频率f0，在有些变频器中是固定的频率值，如abbacs550变频器f020hz、罗克韦尔abpowerflex400变频器f025hz;有些变频器是可以设置的，如艾默生ev2000变频器f0=050%基本运行频率。转矩补偿可以根据变频器的参数设置选择手动和自动，如手动设置则允许用户v0在020%或30umax之间任意设定，如自动设置则是变频器根据电动机启动过程中的力矩情况进行自动补偿，其参数是随着负载变化而更改的。2.4闭环v/f控制闭环v/f控制就是在v/f控制方式下，设置转速反馈环节。测速装

9、置可以是旋转编码器，也可以是光电开关，安装方式比较自由，既可以安装在电动机轴上，也可以安装在其他相关联的位置。同样，通常所说的不带转速反馈的v/f控制，也称之为开环v/f控制。闭环v/f控制选用速度反馈信号可以选用一相或者二相信号，一相信号如接近开关或是旋转编码器的a相和b相之一。旋转编码器是一种测量旋转角度的测量器件，它集机、光、电技术于一体，通过光电转换，将角位移转换成相应的电脉冲或数字信号输出。旋转编码器通常采用两个相位差90的方波编码方式，其旋转方向由两个波形的相位差决定。旋转编码器有很多种型号，通常的速度反馈则选用增量型编码器，电动机的运动速度由一定时间内编码器所产生的脉冲信号决定。

10、脉冲信号输出即可与变频器的pg接口相连接，就可以得到测量值。编码器的精度由旋转一周产生方波数决定，当旋转一周可产生2000个方波时，每一个方波周期表示为360/2000，其最大的响应频率达到100khz左右。a）pg接口示意b）速度增益曲线图5闭环v/f控制接线图和速度增益示意图图5所示为旋转编码器pg与变频器vf组成的闭环v/f控制。图5a中，ps+/ps-为编码器的工作电源，a+信号为a相信号或b相信号，本控制方式采用一相反馈。闭环v/f控制为了获得良好的速度控制性能，还必须设置比例增益p值和积分时间i值，图5b所示为参数设置情况。2.4.1调整参数必须遵循以下原则（1）最低输出频率的增益

11、调整。请用最低输出频率控制电动机运行，在此状态下，在无振动的范围内增大p02值，然后，在无振动范围内减小设定i02值。监视变频器的输出电流，并且确认达到变频器额定电流50以下的输出电流，超过50时，请减小p02值，增大i02值（2）最高输出频率的调整。请用最高输出频率控制电动机运行，在此状态下，在无振动的范围内增大设定p01值，然后，在无振动范围内减小设定i01值（3）增益的微调。在增益更细微调整时，可以边观察速度波形边微调。在加速完成时发生上冲超调，请减小p01值，增大i01值，停止时发生下冲超调，请减小p02值，增大i02值。2.4.2带pg闭环v/f控制系统要注意以下几点（1）一般编码器

12、为536v工作电源，因此必须要选用合适的pg接口电源，确保编码器正常工作（2）编码器的工作方式有许多中，包括集电极开路、推挽式和线驱动，集电极开路还分npn或pnp，因此必须在选配合适pg接口的基础上，还必须选用正确的接线方式和跳线方式（npn或pnp方式）（3）编码器与变频器的距离一般以不超过100m为宜，必须采用屏蔽和抗干扰处理（4）闭环v/f控制多用于简易速度控制，且安装位置可以不在电动机轴端，因此在参数设置上必须加以区别，设定转速计算值必须折算到电动机侧（5）转速的设定和反馈一般都以转/分（r/min）为单位，一般而言设定值在面板上可以数字输入，若是用模拟信号作为给定量时，模拟给定最大

13、值对应于电动机的同步转速。3无速度传感器矢量控制方式3.1基本概念在高性能的异步电动机矢量控制系统中，转速的闭环控制环节一般是必不可少的。通常，采用旋转编码器等速度传感器来进行转速检测，并反馈转速信号。但是，由于速度传感器的安装给系统带来一些缺陷:系统的成本大大增加;精度越高的编码器价格也越贵;编码器在电动机轴上的安装存在同心度的问题，安装不当将影响测速的精度;安装在电动机轴上的体积增大，而且给电动机的维护带来一定困难，同时破坏了异步电动机的简单坚固的特点;在恶劣的环境下，编码器工作的精度易受环境的影响。而无速度传感器的控制系统无需检测硬件，免去了速度传感器带来的种种麻烦，提高了系统的可靠性，

14、降低了系统的成本;另一方面，使得系统的体积小、重量轻，而且减少了电动机与控制器的连线。因此，无速度传感器的矢量控制方式在工程应用中变得非常必要。无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的，但人们发现，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了无速度传感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照一定的关系式分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电

15、压的频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹敌，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，因此需要在使用时准确地输入异步电动机的参数，并对拖动的电动机进行调谐整定，否则难以达到理想的控制效果。无速度传感器矢量控制方式的基本技术指标定义如下:速度控制精度0.5，速度控制范围1:100，转矩控制响应150/0.5hz。其中启动转矩指标，根据不同品牌的变频器其性能有所高低变动，大致在150250之间。如图6所示为安川g7的无速度传感器矢量控制

16、方式下的启动转矩特性，在0.3hz极低速下能达到150%以上的转矩。图6无速度传感器矢量控制方式启动转矩特性有时为了描述上的方便，也把无速度传感器的矢量控制方式称为开环矢量控制或无pg反馈矢量控制。3.2电动机参数的调谐整定由于电动机磁通模型的建立必须依赖于电动机参数，因此选择无速度传感器矢量控制时，第一次运行前必须首先对电动机进行参数的调谐整定。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动调谐、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行调谐后存储在相应的参数组中，并根据调谐结果调整控制算法中的有关数值。自动调谐（因在电动机旋

17、转情况下进行，又称旋转式调谐）的步骤一般是这样的:首先在变频器参数中输入需要调谐的电动机的基本参数，包括电动机的类型（异步电动机或同步电动机）、电动机的额定功率（单位是kw）、电动机的额定电流（单位是a）、电动机的额定频率（单位是hz）、电动机的额定转速（单位r/min）;然后将电动机与机械设备分开，电动机作为单体;接着用变频器的操作面板指令操作，变频器的控制程序就会一边根据内部预先设定的运行程序自动运转，一边测定一次电压和一次电流，然后计算出电动机的各项参数。但在电动机与机械设备难以分开的场合却很不方便，此时可采用静止式调谐整定的方法，即将固定在任一相位、仅改变振幅而不产生旋转的三相交流电压

18、施加于电动机上，电动机不旋转，由此时的电压、电流波形按电动机等值回路对各项参数进行运算，便能高精度测定控制上必需的电动机参数。在静止式调谐中，用原来方法无法测定的漏电流也能测定，控制性能进一步提高。利用静止式调谐技术，可对于机械设备组合一起的电动机自动调谐、自动测定控制上所需的各项常数，因而显著提高了通用变频器使用的方便性。图7异步电动机稳态等效电路从图7所示的异步电动机的t型等效电路表示中可以看出，电动机除了常规的参数如电动机极数、额定功率、额定电流外，还有r1（定子电阻）、x11（定子漏感抗）、r2（转子电阻）、x21（转子漏感抗）、xm（互感抗）和i0（空载电流）。从上面已经知道，参数辨

19、识分电动机静止辨识和旋转辨识两种，其中在静止辨识中，变频器能自动测量并计算定子和转子电阻以及相对于基本频率的漏感抗，并同时将测量的参数写入;在旋转辨识中，变频器自动测量电动机的互感抗和空载电流。3.3速度调节器asr图8速度调节器简化框图速度调节器asr的结构如图8所示，图8中kp为比例增益，ki为积分时间。积分时间设为0时，则无积分作用，速度环为单纯的比例调节器。由于是无速度传感器矢量控制方式，速度环的实际速度来源于变频器内部的实际计算值。速度调节器asr的整定参数包括比例增益p和积分时间i，其数值大小将直接影响矢量控制的效果，其目标就是要取得动态性能良好的阶跃响应，如图9a所示。具体调节的

20、影响情况如下:（1）增加比例增益p，可加快系统的动态响应，但p值过大，系统容易振荡;（2）减小积分时间i值，可加快系统的动态响应，但i值过小，系统超调就会增大，且容易产生振荡;（3）通常先调整比例增益p值，保证系统不振荡的前提下尽量增大p值，然后调节积分时间i值使系统既有快速的响应特性又超调不大。a）参数整定情况之一b）参数整定情况之二c）参数整定情况之三图9速度调节器asr的阶跃响应与pi参数的关系图9b是比例增益p值与速度调节器asr的阶跃响应关系，图9c是积分时间i值与速度调节器asr的阶跃响应关系。一般的矢量变频器为了适应电动机低速和高速带载运行都有快速响应的情况，都设有两套pi参数值

21、（即低速pi值和高速pi值），同时设有切换频率。为了保证两套pi值的正常过渡，一些变频器还另外设置了两个切换频率，即切换频率1和切换频率2，如图10。其控制原理是:低于切换频率1的频率动态响应pi值取a点的数值，高于切换频率2的频率动态响应pi值取b点的数值，位于切换频率1和切换频率2的频率动态响应pi值取两套pi参数的加权平均值。如果pi参数设置不当，系统在快速启动到高速后，可能产生减速过电压故障（如果没有外接制动电阻或制动单元），这是由于在速度超调后的下降过程中系统再生制动状态能量回馈所致，因此合适的pi值对于系统的稳定性至关重要。图10pi参数与频率切换的关系3.4转差补偿增益和静差率静

22、差就是从一个稳定的转速过渡到另一个稳定的转速之间的差值，静差率是指电动机空载与满载的速度差，这两个参数对于电动机的控制特性都是要求比较高的。由于无速度传感器的矢量控制方式对于转速的测量是间接的，一般都是通过容易测量的定子电压和电流信号间接求得转速。目前常用的方法有:（1）利用电动机模型推导出转速方程式，从而计算转速;（2）利用电动机模型计算转差频率，进行补偿;（3）根据模型参考自适应控制理论，选择合适的参考模型和可调整模型，同时辨识转速和转子磁链;（4）利用其它辨识或估计方法求得转速;（5）利用电动机的齿谐波电势计算转速;等等。但是，无论哪一种方法，对于电动机实际运行的速度计算或辨识精度都非常

23、有限，为了精确调整静差，确保电动机的静差率低于0.01%，就需要对转差补偿增益进行设置。所谓转差补偿增益，就是用于计算转差频率，设定值100表示额定的转矩电流对应额定的转差频率，因此设置合理的转差补偿增益系统可以精确调整速度控制的静差。其参数的设置原则是:当电动机重载时速度偏低，就应该加大该系数，反之就减小该参数。4有速度传感器矢量控制方式41基本概念有速度传感器的矢量控制方式，主要用于高精度的速度控制、转矩控制、简单伺服控制等对控制性能要求严格的使用场合。在该方式下采用的速度传感器一般是旋转编码器，并安装在被控电动机的轴端，而不是象闭环v/f控制安装编码器或接近开关那样随意。在很多时候，为了

24、描述上的方便，也把有速度传感器的矢量控制方式称为闭环矢量控制或有pg反馈矢量控制，本文为了不与运行方式中的pid闭环控制相混淆，以及与无速度传感器矢量控制相对应，基本采用“有速度传感器矢量控制方式”这种称呼。有速度传感器矢量控制方式的变频调速是一种理想的控制方式，它有许多优点:（1）可以从零转速起进行速度控制，即使低速亦能运行，因此调速范围很宽广，可达1000:1;（2）可以对转矩实行精确控制;（3）系统的动态响应速度甚快;（4）电动机的加速度特性很好等优点。42编码器pg接线与参数矢量变频器与编码器pg之间的连接方式，必须与编码器pg的型号相对应。一般而言，编码器pg型号分差动输出、集电极开

25、路输出和推挽输出三种，其信号的传递方式必须考虑到变频器pg卡的接口，因此选择合适的pg卡型号或者设置合理的跳线至关重要。前者的典型代表是安川vsg7变频器，后者的典型代表为艾默生td3000变频器。以安川vsg7变频器为例，其用于带速度传感器矢量控制方式安装的pg卡类型主要有两种:（1）pgb2卡，含a/b相脉冲输入，对应补码输出，如图1所示。图1pgb2卡与编码器接线图（2）pgx2卡，含a/b/z相脉冲输入，对应线驱动，如图2所示。图2pgx2卡与编码器接线图艾默生td3000变频器的pg卡是统一配置的，最高输入频率为120khz，它与不同的编码器pg接线时，只需注意接线方式和跳线cn4。

26、当跳线cn4位于di侧时，可以选择编码器信号由a+、a、b、b差动输出（如图3所示）或者a、b推挽输出（如图5所示）;当跳线cn4位于oci侧时，可以选择编码器信号由a、b开路集电极输出（如图4所示）。图3差动输出编码器接线图图4集电极开路输出编码器（加上虚线为电压型输出编码器）接线图在变频器的参数组中对于编码器pg都有比较严格的定义，这些定义包括:（1）编码器pg每转脉冲数。此参数可以查看编码器本身的技术指标，单位为p/r。（2）编码器pg方向选择。如果变频器pg卡与编码器pg接线次序代表的方向，和变频器与电动机连接次序代表的方向匹配，设定值应为正向，否则为反向。必须注意当方向选择错误时，变

27、频器将无法加速到你所需要的频率，并报过流故障或编码器反向故障。更改此参数可方便地调整接线方向的对应关系，而无须重新接线。图5推挽输出编码器接线图图6编码器pg的方向选择图6中所示为安川vsg7变频器的编码器pg方向选择示意。编码器pg从输入轴看时顺时针方向cw旋转时，为a相超前，另外，正转指令输出时，电动机从输出侧看时逆时针ccw旋转。然而，一般的编码器pg在电动机正转时，安装在负载侧时为a相超前，安装在与负载侧相反时b相超前。（3）编码器pg断线动作。如果编码器pg断线（即pgo），变频器将无法得到速度反馈值，将立即报警并输出电压被关闭，电动机自由滑行停车，在停车过程中，故障将无法复位，直到

28、停机为止。（4）编码器pg断线检测时间。一般为10s以下，以确认在此时间内编码器pg的断线故障是否持续存在。（5）零速检测值。本参数是为了检测编码器pg断线而定义的功能，当设定频率大于零速检测值，而反馈速度小于零速检测值，并且持续时间在编码器pg断线检测时间参数以上，则变频器确认为编码器pg断线故障（pgo）成立。（6）编码器pg与电动机之间的齿轮齿数。本参数是为了适应编码器安装在齿轮电动机上的情况，可设定齿轮齿数。由电动机转速公式可以得出:电动机速度（r/min）=（从编码器pg输入的脉冲数60）（负载侧齿轮齿数/电动机侧齿轮齿数）/编码器pg的每转脉冲数（7）检出电动机的过速度。电动机超过

29、规定以上的转速时，检出故障。通常设定100120的最大频率为检出过速度的基准值，如果在预定的时间内频率持续超出该值，则定义为电动机过速度故障（os）。如发生该故障，变频器自由停车。（8）检出电动机和速度指令的速度差。我们定义电动机的实际速度和设定速度的差值为速度偏差，如果在一定的时间内其速度偏差值持续超出某一范围值（如10时），则检出速度偏差过大（dev）。如发生该故障，变频器可以按照预先设定的故障停机方式停机。43带速度传感器矢量控制与闭环v/f控制的区别带速度传感器矢量控制与闭环v/f控制在安装编码器pg上有共同点，而且都有类似的pid环以及相应的参数设置，好像给人一种雷同的感觉。但两者存

30、在着很大的区别，主要一点在于前者是矢量控制，而后者属于传统的v/f控制。图7带速度传感器矢量控制原理框图图8闭环v/f控制原理框图我们对比一下带速度传感器矢量控制与闭环v/f控制的原理框图，如图7、图8中所示。矢量控制时的速度控制asr是把速度指令和速度反馈信号进行差值比较，然后进行pi控制后，经过一定的滤波时间，再经过转矩限定，输出转矩电流，进入转矩环控制;而闭环v/f控制是将速度指令和速度反馈信号的偏差调为零，pid的结果只是去直接控制变频器的频率输出。除了控制原理上的区分外，带速度传感器矢量控制与闭环v/f控制还有以下几点不同:（1）控制精度不同。带速度传感器矢量控制的速度控制精度能达到

31、0.05，而闭环v/f控制则只有0.5（相当于无传感器矢量控制的水平）。（2）启动转矩不同。带速度传感器矢量控制的启动转矩可达到200/0hz，而闭环v/f控制则只有180/0.5hz。（3）安装方式不一样。带速度传感器矢量控制的编码器安装要求非常严格，必须与电动机或者齿轮电动机的轴一致;而闭环v/f控制则可以安装在传动点的任意一个位置。（4）编码器选型不一样。带速度传感器矢量的编码器要求比较严格，通常都要求二相输入;而闭环v/f控制则可以只要求一相输入，甚至可以用高性能接近开关替代。（5）编码器断线停机方式不一样。带速度传感器矢量控制的编码器断线故障检出后，将不得不自由停车;而闭环v/f控制

32、还可以在频率指令下继续开环v/f控制运行。5转矩控制方式5.1基本概念采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相媲美，而且可以控制异步电动机产生的转矩。5.2转矩控制功能结构图9转矩控制功能框图转矩控制根据不同的数学算法其功能结构也不同，图9是一种典型的采用矢量方式实现的转矩控制功能框图。先是根据转矩设定值计算出转差频率，并与变频器获得的反馈速度（一般用编码器pg）或是直接推算的电动机速度相加，在速度限制下输出同步频率。很显然，在转矩控制方式下，速度调节器asr并不起直接作用，也无法控制速度。转矩控制时，变频器的输出频率自动跟踪负载速度的变化，但输出频率的变化受设定的加速和减

33、速时间影响，如需要加快跟踪的速度，需要将加速和减速时间设得短一些。转矩分正向转矩和反向转矩，其设定可以通过模拟量端子的电平来决定，该转矩方向与运行指令的方向（即正转和反转）无关。当模拟量信号为010v时，为正转矩，即电动机正转方向的转矩指令（从电动机的输出轴看是逆时针转）;当模拟量信号为10v0时，为负转矩，即电动机反转方向的转矩指令（从电动机的输出轴看是顺时针转）。5.3转矩控制和速度控制的切换由于转矩控制时不能控制转速的大小，所以，在某些转速控制系统中，转矩控制主要用于起动或停止的过渡过程中。当拖动系统已经起动后，仍应切换成转速控制方式，以便控制转速。切换的时序图如图10所示。图10转矩控

34、制和转速控制的时序图（1）t1时段:变频器发出运行指令时，如未得到切换信号，则为转速控制模式。变频器按转速指令决定其输出频率的大小。同时，可以预置转矩上限。（2）t2时段:变频器得到切换至转矩控制的信号（通常从外接输入电路输入），转为转矩控制模式。变频器按转矩指令决定其电磁转矩的大小。同时，必须预置转速上限。（3）t3时段:变频器得到切换至转速控制的信号,回到转速控制模式。（4）t4时段:变频器再次得到切换至转矩控制的信号,回到转矩控制模式。（5）t5时段:变频器的运行指令结束，将在转速控制模式下按预置的减速时间减速并停止。如果变频器的运行指令在转矩控制下结束，变频器将自动转为转速控制模式，并

35、按预置的减速时间减速并停止。5.4转矩控制与限转矩功能在转矩控制中，经常会与速度控制下的限转矩功能搞混淆。所谓转矩限定，就是用来限制速度调节器asr输出的转矩电流。定义转矩限定值0.0200为变频器额定电流的百分数;如果转矩限定100，即设定的转矩电流极限值为变频器的额定电流。图11所示为转矩限值功能示意图，f1、f2分别限制电动和制动状态时输出转矩的大小。图11转矩限制功能图再生制动状态运行时，应根据需要的制动转矩适当调整再生制动限定值f2，在要求大制动转矩的场合，应外接制动电阻或制动单元，否则可能会产生过压故障。对于转矩限制值，一般可以通过两种方式进行设定。一种是通过参数设定，变频器都提供

36、了相应的参数，如安川vsg7的l701到l704可以分别设定四个象限的转矩限定值。另外一种就是通过模拟量输入设定，用输入量的010v或420ma信号对应0200的转矩限值。6dtc方式6.1基本概念直接转矩控制也称之为“直接自控制”，这种“直接自控制”的思想是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。和矢量控制不同，直接转矩控制不采用解耦的方式，从而在算法上不存在旋转坐标变换，简单地通过检测电动机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电动机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动

37、机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器（bandband控制），把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生pwm脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，即不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型，没有通常的pwm脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、

38、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。与矢量控制方式比较，直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。与矢量控制方法不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，对转矩的直接控制或直接控制转矩，既直接又简化。直接转矩控制对交流传动来说是一个优秀的电动机

39、控制方法，它可以对所有交流电动机的核心变量进行直接控制。它开发出交流传动前所未有的能力并给所有的应用提供了益处。在dtc中，定子磁通和转矩被作为主要的控制变量。高速数字信号处理器与先进的电动机软件模型相结合使电动机的状态每秒钟被更新40,000次。由于电动机状态以及实际值和给定值的比较值被不断地更新，逆变器的每一次开关状态都是单独确定的。这意味着传动可以产生最佳的开关组合并对负载扰动和瞬时掉电等动态变化做出快速响应。在dtc中不需要对电压，频率分别控制的pwm调制器。6.2dtc直接转矩控制的速度控制性能abb的acs800能够对速度进行精确的控制，根据不同的速度精度可以选择无脉冲编码器和有脉

40、冲编码器两种，下表1给出了在使用dtc直接转矩控制时的典型速度性能指标。其中动态速度误差依赖于速度控制器的参数整定，图12为动态速度响应曲线。图12dtc直接转矩控制时的速度响应曲线tn:电动机额定转矩nn:电动机额定速度nact:实际速度nref:设定速度在参数组23中可以对速度控制器进行pid变量设定，速度控制器的原理见图13a，该控制器包含了比例、微分、积分和微分加速度补偿，其经过pid作用后的输出作为转矩控制器的给定信号。速度控制器的参数内容包括以下几方面:（1）增益参数:定义速度控制器的比例增益，如增益过大可能引起速度波动。（2）积分时间参数:定义速度控制器的积分时间，即在偏差阶跃信

41、号下，控制器输出信号的变化率。积分时间越短，连续偏差值的校正就越快，但是如果太短就会造成控制不稳定。（3）微分时间参数:定义速度控制器的微分时间，即在偏差值发生改变的情况下增加控制器的输出。微分时间越长，在偏差改变的过程中，控制器的输出速度就越快。微分作用使控制对扰动的敏感度增加。（4）加速补偿的微分时间:在加速过程中为了补偿惯性，将给定变化量的微分加到速度控制器的输出中。（5）滑差增益:定义了电动机滑差补偿控制的滑差增益，100表示完全滑差补偿、0表示零滑差补偿。速度控制器的参数值能在电动机辨识（与矢量控制的电动机辨识相同）整定期间进行自动调节，当然也可以手动整定控制器的相关参数，或是让变频

42、器单独执行一次速度控制器自动整定运行。要注意的是，最终速度控制器的控制效果取决于各个参数的综合作用，因此电动机带载运行进行自整定才是最合适的，同时可以在电动机额定转速的三分之一作用进行恒速度运行。6.3dtc直接转矩控制的转矩控制性能直接转矩控制技术对于转矩的控制非常出色，即使不使用任何来自电动机轴上的速度反馈，变频器也能进行精确的转矩控制。当然，由于在无脉冲编码器情况下的直接转矩控制，在零频附近运行时，线性误差和可重复性误差可能会较大，对于需用在此频段内的负载，建议采用有脉冲编码器的直接转矩控制。表2显示了在abb变频器acs800使用直接转矩控制时的典型转矩控制性能指标。（a）（b）图13

43、dtc直接转矩控制（a）dtc直接转矩控制时的速度控制器（b）dtc直接转矩控制时的转矩响应曲线tn:电动机额定转矩tref:设定转矩tact:实际转矩如图13（b）为直接转矩控制方式下的转矩响应曲线。表1直接转矩控制速度性能指标表2直接转矩控制转矩性能指标对于参数的设置，首先必须在参数99.02选择应用程序宏设定为tctrl转矩控制宏和参数99.04定义为dtc直接转矩控制，然后在参数组24中可以对转矩控制进行设定，参数内容包括:（1）转矩给定的斜坡上升时间:就是从零增加到电动机额定转矩的时间;（2）转矩给定的斜坡下降时间:就是从电动机额定转矩下降到零的时间。转矩控制宏一般应用于需要控制电动

44、机转矩的场合，如啮合辊控制、张力控制等。其默认的接线方式是:转矩给定值由模拟量输入口以电流信号提供，0ma对应0、20ma对应100的电动机额定转矩。变频器的起动制动方式变频器的起动制动方式是指变频器从停机状态到运行状态的起动方式、从运行状态到停机状态的制动方式以及从某一运行频率到另一运行频率的加速或减速方式。变频器的起动制动包含较多的内容，这里将逐一阐述。1起动运行方式变频器从停机状态开始启动运行时通常有以下几种方式:（1）从起动频率起动。变频器接到运行指令后，按照预先设定的起动频率和起动频率保持时间起动。该方式适用于一般的负载。起动频率是指变频器起动时的初始频率，如图1所示的fs，它不受变

45、频器下限频率的限制;起动频率保持时间是指变频器在起动过程中，在起动频率下保持运行的时间，如图1中的t1。图1起动频率与起动时间示意电动机开始起动时，并不从0hz开始加速，而是直接从某一频率下开始加速。在开始加速瞬间变频器的输出频率便是上述所说的起动频率。设置起动频率是部分生产设备的实际需要，比如:有些负载在静止状态下的静摩擦力较大，难以从0hz开始起动，设置了起动频率后，可以在起动瞬间有一点冲力，使拖动系统较易起动起来;在若干台水泵同时供水的系统里，由于管道里已经存在一定的水压，后起动的水泵在频率很低的情况下将难以旋转起来，故也需要电动机在一定频率下直接起动;锥形电动机如果从0hz开始逐渐升速

46、，将导致定子和转子之间的摩擦，所以起动频率，可以在起动时很快建立起足够的磁通，使转子和定子间保持一定的气隙，等等。起动频率保持时间的设置对于下面几种情况比较适合:对于惯性较大的负载，起动后先在较低频率下持续一个短时间t1，然后再加速运行到稳定频齿轮箱的齿轮之间总是有间隙的，起动时容易在齿轮间发生撞击，如在较低频率下持续一个短时间t1，可以减缓齿轮间的碰撞;起重机械在起吊重物前，吊钩的钢丝绳通常是处于松弛的状态，起动频率保持时间t1可首先使钢丝绳拉紧后再上升;有些机械在环境温度较低的情况下，润滑油容易凝固，故要求先在低速下运行一个短时间t1，使润滑油稀释后再加速;对于附有机械制动装置的电磁制动电

47、动机，在电磁抱闸松开过程中，为了减小闸皮和闸辊之间的摩擦，要求先在低速下运行，待电磁抱闸完全松开后再升速。从起动频率起动对于驱动同步电动机，尤其适合。（2）先制动再起动。本起动方式是指先对电动机实施直流制动，然后再按照方式（1）进行起动。该方式适用于变频器停机状态时电动机有正转或反转现象的小惯性负载，对于高速运转大惯性负载则不适合。图2先制动再起动功能示意如图2所示为先制动再起动的功能示意图，起动前先在电动机的定子绕组内通入直流电流，以保证电动机在零速的状态下开始起动。如果电动机在起动前，拖动系统的转速不为零，而变频器的输出是从0hz开始上升，则在起动瞬间，将引起电动机的过电流故障。它包含两个

48、参数:制动量和直流制动时间，前者表示应向定子绕组施加多大的直流电压，后者表示进行直流制动的时间。（3）转速跟踪再起动。在这种方式下，变频器能自动跟踪电动机的转速和方向，对旋转中的电动机实施平滑无冲击起动，因此变频器的起动有一个相对缓慢的时间用于检测电动机的转速和方向，如下图3所示。该方式适用于变频器停机状态时电动机有正转或反转现象的大惯性负载瞬时停电再起动。图3转速跟踪再起动功能示意2加减速方式2.1基本概念变频器从一个速度过渡到另外一个速度的过程称为加减速，如果速度上升则为加速，速度下降则为减速。加减速方式主要有以下几种:（1）直线加减速。变频器的输出频率按照恒定斜率递增或递减。变频器的输出

49、频率随时间成正比地上升，大多数负载都可以选用直线加减速方式。如图4a。加速时间为t1、减速时间为t2。一般定义加速时间为变频器从零速加速到最大输出频率所需的时间，减速时间则相反，变频器从最大输出频率减至零频率所需的时间。必须注意的是:在有些变频器定义中，加减速时间不是以最大输出频率fmax为基准，而是固定的频率（如50hz）;加减速时间的单位，可以根据不同的变频器型号选择为秒或分;一般大功率的变频器其加减速时间相对较长;加减速时间必须根据负载要求适时调整，否则容易引起加速过流和过压、减速过流和过压故障。（2）s曲线加减速。变频器的输出频率按照s型曲线递增或递减。如图4b所示。（a）直线加减速（

50、b）s型曲线加减速图4加减速方式笔者将s曲线划分为3个阶段的时间，s曲线起始段时间如图4b中所示，这里输出频率变化的斜率从零逐渐递增;s曲线上升段时间如图4b中所示，这里输出频率变化的斜率恒定;s曲线结束段时间如图4b中所示，这里输出频率变化的斜率逐渐递减到零。将每个阶段时间按百分比分配，就可以得到一条完整的s型曲线。因此，只需要知道三个时间段中的任意两个，就可以得到完整的s曲线，因此在某些变频器只定义了起始段和上升段，而有些变频器则定义两头起始段和结束段。s曲线加减速，非常适合于输送易碎物品的传送机、电梯、搬运传递负载的传送带以及其他需要平稳改变速度的场合。例如，电梯在开始起动以及转入等速运

51、行时，从考虑乘客的舒适度出发，应减缓速度的变化，以采用s形加速方式为宜。（3）半s形加减速方式。它是s曲线加减速的衍生方式，即s曲线加减速在加速的起始段或结束段，按线性方式加速;而在结束段或起始段，按s形方式加速。因此，半s形加减速方式要么只有，要么只有，其余均为线性，如后者主要用于如风机一类具有较大惯性的二次方律负载中，由于低速时负荷较轻，故可按线性方式加速，以缩短加速过程;高速时负荷较重，加速过程应减缓，以减小加速电流;前者主要用于惯性较大的负载。（4）其他还有如倒l形加减速方式、u型加减速方式等。2.2加减速时间的切换通过多功能输入端子的组合来实现不同加减速时间的选择（共计4种）。将多功

52、能输入端子x1、x2定义为加减速时间端子1、加减速时间端子2就能按照表1中的逻辑组合实现4种不同加减速时间的切换，如图5所示。图5加减速时间的切换2.3加减速时间的衔接功能生产实践中，有时会遇到这样的情况:在拖动系统正在加速的过程中，又得到减速或停机的指令。这时，就出现了加速过程和减速过程的衔接问题。变频器对于在加速过程尚未结束的情况下，得到停机指令时减速方式的处理如图6所示。表1加减速时间的切换图6加减速的衔接功能图6是加、减速曲线。曲线是在运行指令时间较长情况下的形加速曲线;曲线和曲线是在加速过程尚未完成，而运行指令已经结束时的减速曲线。用户可根据生产机械的具体情况进行选择。2.4加减速时

53、间的最小极限功能某些生产机械，出于特殊的需要，要求加、减速时间越短越好。对此，有的变频器设置了加、减速时间的最小极限功能。其基本含义是:（1）最快加速方式。在加速过程中，使加速电流保持在变频器允许的极限状态（ia150%in，ia是加速电流，in是变频器的额定电流）下，从而使加速过程最小化。（2）最快减速方式。在减速过程中，使直流回路的电压保持在变频器允许的极限状态（ud95%udh,ud是减速过程中的直流电压，udh是直流电压的上限值）下,从而使减速过程最小化。（3）最优加速方式。在加速过程中，使加速电流保持在变频器额定电流的120%（ia120%in），使加速过程最优化。（4）最优减速方式

54、。在减速过程中，使直流回路的电压保持在上限值的93%（ud93%udh），使减速过程最优化。其中c和d统称为自动加减速方式，它能根据负载状况，保持变频器的输出电流在自动限流水平之下或输出电压在自动限压水平之下，平稳地完成加减速过程。3 停机方式变频器接收到停机命令后从运行状态转入到停机状态，通常有以下几种方式:（1）减速停机。变频器接到停机命令后，按照减速时间逐步减少输出频率，频率降为零后停机。该方式适用于大部分负载的停机。（2）自由停车。变频器接到停机命令后，立即中止输出，负载按照机械惯性自由停止。变频器通过停止输出来停机,这时,电动机的电源被切断,拖动系统处于自由制动状态。由于停机时间的长

55、短由拖动系统的惯性决定,故也称为惯性停机。（3）带时间限制的自由停车。变频器接到停机命令后，切断变频器输出，负载自由滑行停止。这时，在运行待机时间t内，可忽略运行指令。运行待机时间t，由停机指令输入时的输出频率和减速时间决定。（4）减速停机加上直流制动。变频器接到停机命令后，按照减速时间逐步降低输出频率，当频率降至停机制动起始频率时，开始直流制动至完全停机。如图7所示。图7减速停车加直流制动直流制动是在电动机定子中通入直流电流，以产生制动转矩。因为电动机停车后会产生一定的堵转转矩，所以直流制动可在一定程度上替代机械制动;但由于设备及电动机自身的机械能只能消耗在电动机内，同时直流电流也通入电动机

56、定子中，所以使用直流制动时，电动机温度会迅速升高，因而要避免长期、频繁使用直流制动;直流制动是不控制电动机速度的，所以停车时间不受控。停车时间根据负载、转动惯量等的不同而不同;直流制动的制动转矩是很难实际计算出来的;直流制动需要设置的参数为:p1230p1234;使用同步电动机时，不能使用直流制动！直流制动强度:即在定子绕组上施加直流电压udb或直流电流idb的大小，它决定了直流制动的强度。如图所示。预置直流制动电压udb（或制动电流idb）的主要依据是负载惯性的大小，惯性越大者，udb也应越大。直流制动时间:即施加直流制动的时间长短。预置直流制动时间tdb的主要依据是负载是否有“爬行”现象，以及对克服“爬行”的要求，要求越高者，tdb应适当长