張曉愛(ài)

（河鋼唐鋼微爾自動(dòng)化有限公司，河北 唐山 063000）

SINAMICS S210系列變頻器，主要采用矢量控制，根據(jù)設(shè)定值的給定方式不同，矢量控制又可分為轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制，不管哪種控制方式，均能實(shí)現(xiàn)較高的穩(wěn)態(tài)精度、較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，具有完美的控制特性。

1 轉(zhuǎn)速控制

轉(zhuǎn)速控制的目標(biāo)量是電機(jī)速度，又可分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制?？刂骗h(huán)節(jié)中電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)，速度環(huán)的輸出作為電流環(huán)的輸入。而在轉(zhuǎn)速環(huán)中有三個(gè)核心：轉(zhuǎn)速控制器、前饋控制和軟化功能。簡(jiǎn)要控制原理如圖1。

圖1 轉(zhuǎn)速控制

1.1 轉(zhuǎn)速控制器

轉(zhuǎn)速設(shè)定值通道r0062與反饋值通道r0063的轉(zhuǎn)速偏差值，直接作用于轉(zhuǎn)速控制器。轉(zhuǎn)速控制器最重要的兩個(gè)變量是比例增益Kp和積分時(shí)間Tn。

Kp：增大時(shí)，響應(yīng)變快，超調(diào)會(huì)減輕，但是轉(zhuǎn)速控制環(huán)中的信號(hào)振動(dòng)也會(huì)增大。

Tn：減小時(shí)，控制器的相應(yīng)也會(huì)變快，但超調(diào)會(huì)增大。

在手動(dòng)調(diào)節(jié)或優(yōu)化轉(zhuǎn)速控制時(shí)，最簡(jiǎn)單的方法是：先通過(guò)Kp確定動(dòng)態(tài)響應(yīng)，這樣就可以盡可能地減少積分時(shí)間，再調(diào)整積分時(shí)間Tn。為了抑制轉(zhuǎn)速控制器中發(fā)生的振動(dòng)，在調(diào)整PI參數(shù)的同時(shí)通常還需要提高速度控制器的濾波時(shí)間，以此來(lái)減小轉(zhuǎn)速波動(dòng)。

通過(guò)比例積分調(diào)節(jié)后，最終表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速控制器模擬量互聯(lián)輸出，即比例環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值r1481和積分環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值r1482。

相關(guān)參數(shù)：①變頻器運(yùn)行方式p1300；②轉(zhuǎn)速控制器轉(zhuǎn)速實(shí)際值的濾波時(shí)間p1442、比例增益p1460、積分時(shí)間p1462；③無(wú)編碼器的轉(zhuǎn)速控制器轉(zhuǎn)速實(shí)際值的濾波時(shí)間p1452、比例增益p1470、積分時(shí)間p1472等。

1.2 前饋控制

在前饋控制中，轉(zhuǎn)速設(shè)定值通過(guò)加速度模型計(jì)算出一個(gè)附加控制量mv，它繞過(guò)轉(zhuǎn)速控制器直接作用到轉(zhuǎn)矩控制器上，實(shí)現(xiàn)預(yù)先控制。

附加的控制量mv計(jì)算如下：

式中，p1496是使能前饋控制，也叫加權(quán)系數(shù)，數(shù)值在0～100%之間，可根據(jù)應(yīng)用情況調(diào)節(jié)前饋控制變量的控制效果；J為電機(jī)和負(fù)載的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，它與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量存在一定比例關(guān)系，比例系數(shù)表現(xiàn)在參數(shù)p0342上；單電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為p0341，可通過(guò)設(shè)定參數(shù)p0340計(jì)算得到，而加速度由dn/dt時(shí)間段內(nèi)的轉(zhuǎn)速差計(jì)算得出。

通過(guò)預(yù)加轉(zhuǎn)矩設(shè)定值對(duì)轉(zhuǎn)速控制器進(jìn)行前饋控制時(shí)，轉(zhuǎn)速設(shè)定值r0062與轉(zhuǎn)速實(shí)際值r0063以相同的濾波時(shí)間p1442或p1452延遲，這樣可以確保在控制器輸入上不存在加速度的設(shè)定-實(shí)際差值r0064，該差值只和信號(hào)運(yùn)行時(shí)間有關(guān)。

相關(guān)參數(shù)：①總轉(zhuǎn)量與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比例系數(shù)p0342；②單電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量p0341，可通過(guò)設(shè)定參數(shù)p0340計(jì)算得到；③加速度前饋控制的信號(hào)源p1400.2，為0時(shí)為內(nèi)部設(shè)定，為1時(shí)為外部輸入；④使能加速度前饋控制p1496，也叫加權(quán)系數(shù)；⑤加速度前饋控制的外部信號(hào)輸入源p1495等。

1.3 軟化功能

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，軟化功能的作用是，隨著轉(zhuǎn)矩的增大，轉(zhuǎn)速設(shè)定值將減小，進(jìn)行負(fù)載補(bǔ)償。因此，當(dāng)它和轉(zhuǎn)速受控的主驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值綜合應(yīng)用時(shí)，合理設(shè)置參數(shù)可實(shí)現(xiàn)有效的負(fù)載分配。

軟化功能可直接軟化轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，也可軟化轉(zhuǎn)速控制器輸出或者軟化轉(zhuǎn)速控制器的積分輸出，由參數(shù)P1488實(shí)現(xiàn)選擇。

該方法只適用于經(jīng)常需要進(jìn)行急劇加速和制動(dòng)的驅(qū)動(dòng)。比如：在兩個(gè)或多個(gè)電機(jī)機(jī)械連接或者在同一軸上工作時(shí)，可使用軟化。該功能會(huì)調(diào)節(jié)單個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，限制由機(jī)械連接產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩差值，并且在轉(zhuǎn)矩過(guò)大時(shí)減輕驅(qū)動(dòng)負(fù)載。在負(fù)載變化大的場(chǎng)合中，也可通過(guò)軟化功能確保在負(fù)載力矩突變時(shí)轉(zhuǎn)速設(shè)定值按比例降低。

相關(guān)參數(shù)：①使能軟化功能p1492；②軟化功能的輸入源p1488；③軟化功能的比例系數(shù)p1489等。

2 轉(zhuǎn)矩控制

通過(guò)參數(shù)p1501可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制之間的轉(zhuǎn)換，參數(shù)為1時(shí)為轉(zhuǎn)矩控制，但通過(guò)p1300=22或23直接選擇了轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，不可在轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制間進(jìn)行切換。簡(jiǎn)要控制原理如圖2。

圖2 轉(zhuǎn)矩控制

轉(zhuǎn)矩控制時(shí)變頻器接受轉(zhuǎn)矩給定，最終要達(dá)到轉(zhuǎn)矩跟隨設(shè)定值的目的。轉(zhuǎn)矩控制方式下只有電流環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)不參與控制，因此速度是不受控制的，它與外部負(fù)載有關(guān)，在應(yīng)用中一般在速度環(huán)對(duì)速度進(jìn)行限定，防止超速。在電流環(huán)中，針對(duì)不同的運(yùn)行方式，也需要對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行各種限制。

主從控制時(shí)，電機(jī)之間既需要有相同或近似的速度，也要保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩的均勻分配，從站通常采用轉(zhuǎn)矩控制，來(lái)保證主從之間有相同的轉(zhuǎn)矩。主從控制常見(jiàn)的有兩種，一是通過(guò)P1300直接選擇轉(zhuǎn)矩控制，從站的轉(zhuǎn)矩設(shè)定源直接連接主機(jī)的轉(zhuǎn)矩實(shí)際值，保證彼此間轉(zhuǎn)矩近似或相等；常見(jiàn)的應(yīng)用是第二種，從站的控制模式在P1300中依然選擇轉(zhuǎn)速控制，通過(guò)連接變量實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)換，當(dāng)變量連接為通訊字時(shí)還也實(shí)現(xiàn)由上位機(jī)切換，轉(zhuǎn)矩設(shè)定值及附加設(shè)定值連接為主站的轉(zhuǎn)矩輸出。

相關(guān)參數(shù)：①設(shè)置變頻器運(yùn)行方式p1300；②轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制之間的轉(zhuǎn)換p1501；③轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值p1503；④轉(zhuǎn)矩控制的附加轉(zhuǎn)矩1的信號(hào)源p1511、比例系數(shù)p1512；⑤轉(zhuǎn)矩控制的附加轉(zhuǎn)矩1的信號(hào)源p1513、比例系數(shù)p1515；

3 常見(jiàn)故障

3.1 S120變頻器硬件的故障保護(hù)

（1）過(guò)流保護(hù)：功率單元檢測(cè)到過(guò)電流，當(dāng)超過(guò)第一個(gè)設(shè)定閾值時(shí)，出現(xiàn)過(guò)電流報(bào)警A30031～A30033，報(bào)警相的脈沖封鎖一個(gè)周期；當(dāng)頻繁出現(xiàn)超過(guò)第一個(gè)閾值的報(bào)警時(shí)，變頻器會(huì)產(chǎn)生過(guò)電流故障F30017；當(dāng)超過(guò)第二個(gè)設(shè)定閾值時(shí)，變頻器會(huì)產(chǎn)生過(guò)電流故障F30001。

（2）電壓保護(hù)：比較直流母線電壓和功率單元的斷路閾值，超出或低于設(shè)定值則出現(xiàn)過(guò)壓故障F30002或欠壓故障F30003。

（3）短路保護(hù)：針對(duì)裝機(jī)裝柜型變頻器，當(dāng)集電極-發(fā)射極電壓監(jiān)控U_ce出現(xiàn)異常時(shí)，可認(rèn)為發(fā)生短路故障。

（4）斷相保護(hù)：當(dāng)電機(jī)或主回路某一相電壓嚴(yán)重失真或熔斷器斷路時(shí)，出現(xiàn)主電路電源缺相故障F30011。

（5）熱監(jiān)控和過(guò)載相應(yīng)：對(duì)功率單元的溫度、熱過(guò)載率進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)?shù)陀趫?bào)警值15K時(shí)發(fā)出報(bào)警，報(bào)警閾值可通過(guò)參p0294設(shè)定，還可通過(guò)參數(shù)P0290自定義發(fā)出報(bào)警后變頻器可采取的響應(yīng)。相關(guān)報(bào)警：A05000～A05006，相關(guān)故障 ：F30024～F30025，F(xiàn)30034～F30037。

3.2 S120變頻器電機(jī)的故障保護(hù)

（1）堵轉(zhuǎn)保護(hù)：?jiǎn)⒂枚罗D(zhuǎn)監(jiān)控使能p2144后，當(dāng)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速低于設(shè)定值時(shí)，閉環(huán)調(diào)節(jié)將增大轉(zhuǎn)矩輸出使得速度保持很好的跟隨，但當(dāng)達(dá)到轉(zhuǎn)矩設(shè)定值時(shí)，實(shí)際速度仍低于設(shè)定閾值p2175且超出了設(shè)置的延時(shí)時(shí)間p2177，就會(huì)出現(xiàn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障F07900。在V/F控制中，還需要達(dá)到電流限幅值。

（2）失步保護(hù)：僅對(duì)于帶編碼器的轉(zhuǎn)速控制。

在低速區(qū)，檢測(cè)出的失步信號(hào)值超出了中設(shè)定的故障閾值p1745，則電機(jī)失速r1408.12置位。

非低速區(qū)，當(dāng)適配控制輸出超過(guò)了用于識(shí)別電機(jī)失速的轉(zhuǎn)速閾值p1744，則轉(zhuǎn)速自適配-轉(zhuǎn)速差r1408.11置位。

如果兩個(gè)信號(hào)中的某個(gè)信號(hào)置位，且經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間p2178后觸發(fā)電機(jī)失步故障F7902。

（3）電機(jī)溫度檢測(cè)保護(hù)：本文只針對(duì)溫度傳感器為KTY84做簡(jiǎn)要介紹。

KTY84溫度傳感器的特性曲線基本成線性變化，測(cè)量范圍大約在-140℃到+250℃，超出該范圍時(shí)系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)電機(jī)溫度傳感器報(bào)警A07015，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)溫度未恢復(fù)到正常范圍，系統(tǒng)判斷為電機(jī)溫度傳感器故障F07016。

電機(jī)過(guò)溫的閾值可通過(guò)參數(shù)設(shè)定，當(dāng)實(shí)際檢測(cè)的溫度超出此報(bào)警閾值p0604后會(huì)輸出過(guò)溫報(bào)警A07910，并開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)超過(guò)設(shè)定的延遲時(shí)間p0606后溫度仍高于報(bào)警閾值，或未到達(dá)延遲時(shí)間p0606時(shí)溫度已經(jīng)高于故障閾值p0605，輸出過(guò)溫故障F07011。用戶可通過(guò)參數(shù)p0601設(shè)置溫度傳感器類(lèi)型，還可通過(guò)參數(shù)P0610設(shè)置達(dá)到電機(jī)溫度報(bào)警閾值時(shí)變頻器的響應(yīng)。

（4）編碼器故障：F31100～F33999均為編碼器故障，需要檢查編碼器本體、編碼器接線、編碼器模塊等，逐一排除故障原因。

4 結(jié)語(yǔ)

SINAMICS S210系列變頻器采用的矢量控制，集成度高，且控制精度好，軟件功能強(qiáng)大，可達(dá)到良好的控制性能，在軋鋼領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

[1]SINAMICS S120功能手冊(cè).2013.01

[2]SINAMICS S120調(diào)試手冊(cè).2010.05

[3]如何實(shí)現(xiàn)S120主從控制方案.2012.12