西門子代理商-廣東省一級代理-PLC伺服電機驅動變頻器代理

西門子S120產品對于電機的伺服控制是基于矢量控制的原理。如下圖所示，變頻器測量電機的三相電流，經過3/2變換后得到電機的實際扭矩電流與勵磁電流。扭矩電流id 、勵磁電流iq 與電流設定值進行比較，構成電流環。同時經過編碼器反饋電機的實際轉速，與速度設定值比較，構成速度閉環。

基于矢量分解的伺服控制方式

相對于矢量控制，伺服控制有更高的動態特性需求。對于S120驅動器（集矢量控制與伺服控制于一身的驅動器），二者又有哪些區別呢？首先，伺服控制的采樣周期更短。當然，驅動器采樣周期與PWM控制脈沖頻率以及Zui大輸出頻率都有制約關系。另外，對于電機模型，伺服控制較為簡化、直接，這一點在無傳感器閉環控制中體現明顯。

伺服控制與矢量控制比較

驅動器的過載能力

需要根據負載的大小來考慮驅動器的過載能力，因為大多數的伺服應用場合，負載都會周期性變化，選擇多大的驅動器能夠滿足Zui大加速度控制的需求，是選擇驅動器的重要因素。各個產品的過載能力有所不同，S120的過載能力如下圖所示。

S120驅動器的過載能力

驅動器的技術參數包括Zui大電流Imax 、額定電流Irated 以及重載電流IH 等。過載系數越大，所能持續的時間越短。過載能力不足會導致驅動器產生過溫故障。

數字濾波器

在全數字化的高精度伺服控制中，數字濾波器是必不可少的設計環節，主要針對控制回路以及反饋回路的噪聲、擾動以及諧振等。根據不同的應用場合，濾波器的種類也不盡相同，例如機床主軸里面的共振追隨型HRV濾波器是為了防止機床產生的機械振動。因此，要恰當地選擇與設計數字濾波器，必須對電機與機械系統的振蕩類型有所了解。

振蕩類型有以下幾種。

（1）調整振蕩

調整振蕩為低頻振蕩，振蕩頻率為幾赫，振蕩幅度為幾度到幾十度，有時超出控制區。低頻振蕩由位置控制頻率帶寬和速度控制頻率帶寬失衡引起，如速度控制頻率帶寬為位置控制頻率帶寬的1/3；也可能是自動調整時慣量力矩值不合適，如大于1.5倍時。處理方法是反復執行自動調整操作并檢查慣量值，其誤差不能大于20%；或降低伺服剛度設置參數。

（2）爬行

振動現象類似于調整振蕩。當執行低速運行指令時，反復一走一停，是靜摩擦力大于低速時的動摩擦力所致。原因是位置積分限制值太大，位置偏差太大，從而使控制系統不穩定。處理方法是調整積分限制值或增加系統剛度。

（3）相移振蕩

振蕩頻率為幾十赫到200Hz，振蕩幅度不低于幾十度。原因是速度輸出信號相位落后于速度輸入信號相位180°，由控制理論可知這時系統無穩定余量。當各種濾波器使用相同的頻率或速度控制帶寬和濾波器頻率帶寬相同時都可產生這種振蕩。處理方法為降低伺服剛度設置參數。

（4）諧振

振蕩頻率為幾十赫到2kHz，振蕩幅度至多為幾度，依結構而定。諧振時振幅小而頻率高，常可聽到震顫噪聲。系統剛度小易引起這種現象。另外，負載與電機慣量比過大也會引起高頻的諧振，負載的機械諧振擾動進入速度控制環，多數情況下有幾個諧振頻率。所以設計系統時，機械諧振頻率應盡量高，至少要高于系統控制帶寬的5倍。結構設計時應注意剛性設計，避免細長桿結構，盡量減小負載與電機的慣量比。還可以調整濾波器抑制頻率諧振點增益。

為了更好地抑制干擾與消除諧振，S120驅動器設計了以下幾種濾波器：①編碼器反饋濾波器；②電流環濾波器；③速度環濾波器。

編碼器反饋濾波器為平滑濾波器，用戶僅需要設置平滑時間，如下圖所示。

編碼器濾波時間設置

電機編碼器

由于編碼器的反饋信號含有噪聲信號，導致電機在運行過程中產生嘯叫聲，以至于故障停機，驅動器的輸出電流發生自激現象，如下圖所示。

由編碼器引起的自激振蕩

上述問題是通過在編碼器的反饋通道上設置濾波時間得以解決的。但是需要注意的是：濾波時間不宜過長，否則會給系統帶來相位上的較大延遲，從而引起系統不穩定。

電流環數字濾波器

如上圖所示，在速度閉環與電流閉環的前端有2個速度數字濾波器與4個電流數字濾波器，濾波器的模型基于二階系統函數，如下式所示。

可以設置濾波器類型如下：

（1）二階低通濾波器

二階低通濾波器幅頻、相頻曲線

式中，  為二階特征頻率，   為阻尼。

低通濾波器可以消除信號在高頻的噪聲信號，通常被加在電流環的前端。

（2）帶阻濾波器

帶阻濾波器幅頻、相頻曲線

（3）帶削減的低通濾波器

低通濾波器幅頻、相頻曲線