富士電機(jī)低壓變頻器 位置控制及行業(yè)應(yīng)用

　　1 應(yīng)用背景和意義

　　在工業(yè)自動(dòng)化和精密控制領(lǐng)域中，隨著設(shè)備運(yùn)行精度的 不斷提高，對(duì)驅(qū)動(dòng)控制設(shè)備提出了更高的要求。在小功率電 機(jī)的控制上，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已擁有廣泛的應(yīng)用;但是在大功 率電機(jī)的控制上， 目前還是以變頻驅(qū)動(dòng)為主，并且變頻器已 從之前單一的電機(jī)調(diào)速功能，發(fā)展出擁有位置控制、簡(jiǎn)單邏 輯處理等功能，如圖1為富士電機(jī)FRENIC-MEGA G2變頻器。

　　同時(shí)，傳統(tǒng)的開環(huán)控制方式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高 精度、高效率和低能耗的要求。因此，使用電機(jī)編碼器進(jìn)行 閉環(huán)控制勢(shì)在必行， 電機(jī)編碼器的使用也是變頻器能夠?qū)崿F(xiàn) 位置控制的基礎(chǔ)。

　　位置控制是工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要技術(shù)，它能夠 實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確位置控制，從而滿足各種工業(yè) 應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)定位的精確要求。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的 精確位置控制，對(duì)于推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展具有重要意義。

　　變頻器位置控制技術(shù)有以下優(yōu)勢(shì)：

　　(1)提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性：位置控制使用電機(jī)編碼 器，進(jìn)行閉環(huán)矢量控制，提高整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

　　(2)保證產(chǎn)品一致性：位置控制可以實(shí)現(xiàn)高精度的定位， 可以確保相同產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的一致性，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

　　(3)提高安全性：位置控制可以減少由于設(shè)備失控或位置 不當(dāng)造成的意外事故，提高生產(chǎn)過程的安全性。

　　隨著變頻器控制技術(shù)的發(fā)展，可以拓展應(yīng)用于更多領(lǐng)域 中，如新能源、軌道交通、航空航天等。這些領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì) 電機(jī)控制的精度和穩(wěn)定性要求極高，變頻器位置控制技術(shù)的 發(fā)展將為這些領(lǐng)域提供技術(shù)支持。這些行業(yè)的發(fā)展又可以反 過來推動(dòng)變頻器控制技術(shù)的發(fā)展，形成良性循環(huán)。

　　2 變頻系統(tǒng)位置控制原理

　　2.1控制原理

　　在傳統(tǒng)電機(jī)控制系統(tǒng)中，變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常采用開環(huán)

　　控制(無電機(jī)編碼器反饋)方式，在此方式下僅根據(jù)輸入速 度指令調(diào)節(jié)變頻器輸出，由于無法直接獲取電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行 狀態(tài)，所以無法對(duì)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償。這導(dǎo)致開環(huán) 控制系統(tǒng)在位置控制方面存在一定的局限性，難以實(shí)現(xiàn)精確 的位置控制。

　　為了克服這一局限性，可以在變頻器系統(tǒng)中增加電機(jī)編 碼器，并將編碼器的脈沖輸出信號(hào)輸入至變頻器，從而實(shí)現(xiàn) 電機(jī)的閉環(huán)控制。

　　在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電機(jī)編碼器根據(jù)電機(jī)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)輸出 相應(yīng)的脈沖信號(hào)(脈沖個(gè)數(shù)與電機(jī)旋轉(zhuǎn)量相對(duì)應(yīng)) ，變頻器 根據(jù)編碼器的反饋信號(hào)，可以獲取到電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)， 從而對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置進(jìn)行精確控制。

　　在定位控制過程中，變頻器可以實(shí)時(shí)比較期望位置和實(shí) 際位置，通過調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向，將實(shí)際位置精確地移動(dòng) 到期望位置。這種控制方式大大提高了定位控制的精度，能 夠滿足高精度定位控制的需求。

　　位置控制是指通過控制電機(jī)或其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使其按照 預(yù)定的軌跡或位置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的過程。在位置控制系統(tǒng)中，通 常需要對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確的位置控制。

　　2.2富士電機(jī)MEGA(G2)變頻器位置控制說明

　　富士電機(jī)MEGA(G2)變頻器支持位置控制，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)軸±1脈沖的定位精度。區(qū)別于傳統(tǒng)的速度控制是以電機(jī)轉(zhuǎn) 速為目標(biāo)，位置控制是以電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)量為目標(biāo)，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn) 速進(jìn)行調(diào)整。

　　變頻器將實(shí)際位置反饋信號(hào)與設(shè)定的目標(biāo)位置進(jìn)行比 較，根據(jù)位置偏差，變頻器會(huì)實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)的速度和方向， 運(yùn)行到目標(biāo)位置。如果實(shí)際位置滯后目標(biāo)位置，變頻器將控 制電機(jī)繼續(xù)向前;如果實(shí)際位置超過目標(biāo)位置，變頻器將降 低電機(jī)的速度或反向運(yùn)行。

　　使用富士電機(jī)MEGA(G2)變頻器進(jìn)行位置控制時(shí)，電 機(jī)必須帶編碼器進(jìn)行閉環(huán)控制，且需切換至位置控制模式， 同時(shí)支持使用異步電機(jī)和同步電機(jī)進(jìn)行位置控制。

　　? 適用于異步電機(jī)的閉環(huán)控制方式：帶編碼器的矢量控制 或帶編碼器的V/f 控制;

　　? 適用于同步電機(jī)的閉環(huán)控制方式：帶編碼器的矢量 控制，編碼器除了具有A 相、B 相反饋脈沖，還必須支持U 相、V 相、W 相磁極位置信號(hào)。

　　為達(dá)到理想運(yùn)行效果，建議使用閉環(huán)矢量控制并進(jìn)行空 電機(jī)動(dòng)態(tài)自學(xué)習(xí)。

　　2.3富士電機(jī)MEGA(G2)變頻器支持的位置控制模式

　　(1)內(nèi)置定位數(shù)據(jù)模式：最多可設(shè)置8組內(nèi)置定位數(shù) 據(jù)，通過定位數(shù)據(jù)選擇信號(hào)改變目標(biāo)位置。

　　內(nèi)置定位數(shù)據(jù)可以選擇以下兩種類型：

　　?絕對(duì)位置：目標(biāo)位置始終以原點(diǎn)位置作為參考點(diǎn)進(jìn)行定位;

　　? 相對(duì)位置：目標(biāo)位置以當(dāng)前位置作為參考點(diǎn)進(jìn)行定位。

　　(2)脈沖列定位模式：可將外部輸入的脈沖信號(hào)作為 位置指令，根據(jù)脈沖數(shù)量實(shí)現(xiàn)定位控制。支持的脈沖輸入方 式包括：

　　? 脈沖列符號(hào)/脈沖列輸入;

　　? 正轉(zhuǎn)脈沖/反轉(zhuǎn)脈沖;

　　? A 、B相90度相位差(B 相超前、A相超前)。

　　(3)通信定位模式：使用本體自帶的RS485或其他總線 通訊接口，實(shí)現(xiàn)通信控制定位運(yùn)行。通訊可實(shí)現(xiàn)的功能包括：

　　? 使用通訊設(shè)置定位數(shù)據(jù)。經(jīng)通訊設(shè)置定位數(shù)據(jù)時(shí)，需要 將定位數(shù)據(jù)通信指令設(shè)置成有效;

　　? 運(yùn)轉(zhuǎn)指令可以經(jīng)過通訊給定，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的遠(yuǎn)程運(yùn)行 控制;

　　? 實(shí)時(shí)監(jiān)視變頻器的運(yùn)行狀態(tài)。

　　2.4富士電機(jī)MEGA(G2)變頻器位置數(shù)據(jù)實(shí)例

　　圖2為富士電機(jī)MEGA(G2)變頻器使用內(nèi)置定位數(shù)據(jù) 進(jìn)行位置控制的波形，其中定位數(shù)據(jù)為“絕對(duì)位置”類型。使 用內(nèi)置定位數(shù)據(jù)模式時(shí)，需要在變頻器參數(shù)中預(yù)先設(shè)定好目 標(biāo)位置及運(yùn)行頻率等信息。運(yùn)行時(shí)，變頻器根據(jù)外部數(shù)字量 控制信號(hào)的選擇，會(huì)定位運(yùn)行到不同的目標(biāo)位置。

　　在本例中，在變頻器啟動(dòng)后首先選擇的是位置指令1， 所以電機(jī)會(huì)運(yùn)行到目標(biāo)位置1完成第一次定位。等待一段時(shí)間 后，通過外部信號(hào)切換至位置指令2并確認(rèn)位置數(shù)據(jù)變更，此 時(shí)電機(jī)會(huì)繼續(xù)運(yùn)行至目標(biāo)位置2完成第二次定位。

　　3 變頻系統(tǒng)位置控制的行業(yè)應(yīng)用

　　大功率電機(jī)的定位控制主要應(yīng)用于需要高扭矩和高精度 控制的場(chǎng)景，以下是一些具體的應(yīng)用實(shí)例：

　　(1)重工業(yè)

　　如鋼鐵制造和重型機(jī)械制造，大功率電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)大型 軋機(jī)、壓力機(jī)等設(shè)備。這些設(shè)備需要精確的定位控制以確保 加工質(zhì)量和設(shè)備安全。例如，鋼板在軋機(jī)中的定位需要極高 的精度，以保證厚度和寬度的均勻性。

　　(2)港口和船舶

　　在港口的集裝箱起重機(jī)和船舶的裝卸系統(tǒng)中，位置控制 用于貨物的起重和轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)，確保設(shè)備精確定位集裝箱或其 他貨物，以優(yōu)化裝卸作業(yè)的效率和安全性。

　　(3)能源行業(yè)

　　在風(fēng)力發(fā)電中，大功率電機(jī)被用于調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉 片角度，以最大化捕獲能源。精確的位置控制確保了葉片在 不同風(fēng)速下都能維持最佳角度，從而提高發(fā)電效率。

　　(4)水壩和水閘控制

　　在水壩的閘門操作中，通過變頻器進(jìn)行高精度、高可靠 性的定位控制，對(duì)于防洪、灌溉以及水電站的水量調(diào)節(jié)至關(guān) 重要。

　　(5)采礦和資源開采

　　在采礦行業(yè)，大功率電機(jī)常用于驅(qū)動(dòng)破碎機(jī)、輸送帶和 其他重型采礦設(shè)備。定位控制應(yīng)用于此類設(shè)備中，可以增加 原料在生產(chǎn)過程中處理和轉(zhuǎn)移的穩(wěn)定性。

　　(6)建筑機(jī)械

　　在大型建筑行業(yè)中，塔吊和移動(dòng)式起重機(jī)是不可或缺的 設(shè)備，這些機(jī)械的位置控制對(duì)于精確放置重大構(gòu)件和保障施 工現(xiàn)場(chǎng)安全非常關(guān)鍵。

　　在上述應(yīng)用中，大功率電機(jī)的定位控制不僅提高了操作 的精度和效率，還有助于確保操作過程的安全性。隨著自動(dòng) 化和控制技術(shù)的進(jìn)步，這些應(yīng)用領(lǐng)域中的定位控制系統(tǒng)將變 得更加先進(jìn)和智能化。

　　4 變頻系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向

　　(1)智能化與自適應(yīng)控制

　　隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，未來的變頻器控制技術(shù)將更 加智能化。通過使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等人工智能算法， 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜工業(yè)應(yīng)用的自適應(yīng)控制，提高控制精度和穩(wěn) 定性。

　　(2)網(wǎng)絡(luò)化與遠(yuǎn)程控制

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，變頻器將更廣泛地被集成到遠(yuǎn) 程控制網(wǎng)絡(luò)中。通過使用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器 的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制，提高系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。

　　(3)模塊化設(shè)計(jì)

　　變頻器硬件通過使用模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn) 靈活配置，并且各個(gè)功能模塊相互獨(dú)立，可以單獨(dú)更換或升 級(jí)，大大提高了系統(tǒng)的整體可維護(hù)性。

　　(4)高效能與節(jié)能控制

　　變頻器在控制方面的高效能主要體現(xiàn)在其能夠精確控制 電機(jī)轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)不同的工作負(fù)載和工藝要求。通過智能算 法進(jìn)行優(yōu)化控制，確保電機(jī)始終在最佳工作點(diǎn)運(yùn)行，達(dá)到節(jié) 能控制的目的。

　　總之，變頻系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展方向?qū)⒊悄芑?、網(wǎng)絡(luò)化、 集成化、高效化等方向發(fā)展，以滿足不斷變化的市場(chǎng)需求和 提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。