富士電機低壓變頻器 位置控制及行業(yè)應用

　　1 應用背景和意義

　　在工業(yè)自動化和精密控制領域中，隨著設備運行精度的 不斷提高，對驅動控制設備提出了更高的要求。在小功率電 機的控制上，伺服驅動系統(tǒng)已擁有廣泛的應用;但是在大功 率電機的控制上， 目前還是以變頻驅動為主，并且變頻器已 從之前單一的電機調速功能，發(fā)展出擁有位置控制、簡單邏 輯處理等功能，如圖1為富士電機FRENIC-MEGA G2變頻器。

　　同時，傳統(tǒng)的開環(huán)控制方式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代工業(yè)對高 精度、高效率和低能耗的要求。因此，使用電機編碼器進行 閉環(huán)控制勢在必行， 電機編碼器的使用也是變頻器能夠實現(xiàn) 位置控制的基礎。

　　位置控制是工業(yè)自動化系統(tǒng)中的一項重要技術，它能夠 實現(xiàn)對電機及其傳動機構的準確位置控制，從而滿足各種工業(yè) 應用場合對定位的精確要求。在現(xiàn)代工業(yè)生產中，實現(xiàn)電機的 精確位置控制，對于推動工業(yè)自動化的發(fā)展具有重要意義。

　　變頻器位置控制技術有以下優(yōu)勢：

　　(1)提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性：位置控制使用電機編碼 器，進行閉環(huán)矢量控制，提高整個生產系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

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

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

　　隨著變頻器控制技術的發(fā)展，可以拓展應用于更多領域 中，如新能源、軌道交通、航空航天等。這些領域的應用對 電機控制的精度和穩(wěn)定性要求極高，變頻器位置控制技術的 發(fā)展將為這些領域提供技術支持。這些行業(yè)的發(fā)展又可以反 過來推動變頻器控制技術的發(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)電機控制系統(tǒng)中，變頻器驅動電機通常采用開環(huán)

　　控制(無電機編碼器反饋)方式，在此方式下僅根據(jù)輸入速 度指令調節(jié)變頻器輸出，由于無法直接獲取電機的實際運行 狀態(tài)，所以無法對電機實際轉速進行調整補償。這導致開環(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)中增加電機編 碼器，并將編碼器的脈沖輸出信號輸入至變頻器，從而實現(xiàn) 電機的閉環(huán)控制。

　　在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電機編碼器根據(jù)電機旋轉狀態(tài)輸出 相應的脈沖信號(脈沖個數(shù)與電機旋轉量相對應) ，變頻器 根據(jù)編碼器的反饋信號，可以獲取到電機的實際運行狀態(tài)， 從而對電機的轉速和位置進行精確控制。

　　在定位控制過程中，變頻器可以實時比較期望位置和實 際位置，通過調整電機轉速和方向，將實際位置精確地移動 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或其他執(zhí)行機構，使其按照 預定的軌跡或位置進行運動的過程。在位置控制系統(tǒng)中，通 常需要對執(zhí)行機構的運動進行精確的位置控制。

　　2.2富士電機MEGA(G2)變頻器位置控制說明

　　富士電機MEGA(G2)變頻器支持位置控制，可以實現(xiàn)電機軸±1脈沖的定位精度。區(qū)別于傳統(tǒng)的速度控制是以電機轉 速為目標，位置控制是以電機軸旋轉量為目標，對電機的轉 速進行調整。

　　變頻器將實際位置反饋信號與設定的目標位置進行比 較，根據(jù)位置偏差，變頻器會實時調整電機的速度和方向， 運行到目標位置。如果實際位置滯后目標位置，變頻器將控 制電機繼續(xù)向前;如果實際位置超過目標位置，變頻器將降 低電機的速度或反向運行。

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

　　? 適用于異步電機的閉環(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。

　　為達到理想運行效果，建議使用閉環(huán)矢量控制并進行空 電機動態(tài)自學習。

　　2.3富士電機MEGA(G2)變頻器支持的位置控制模式

　　(1)內置定位數(shù)據(jù)模式：最多可設置8組內置定位數(shù) 據(jù)，通過定位數(shù)據(jù)選擇信號改變目標位置。

　　內置定位數(shù)據(jù)可以選擇以下兩種類型：

　　?絕對位置：目標位置始終以原點位置作為參考點進行定位;

　　? 相對位置：目標位置以當前位置作為參考點進行定位。

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

　　? 脈沖列符號/脈沖列輸入;

　　? 正轉脈沖/反轉脈沖;

　　? 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，實現(xiàn)通信控制定位運行。通訊可實現(xiàn)的功能包括：

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

　　? 運轉指令可以經(jīng)過通訊給定，實現(xiàn)對變頻器的遠程運行 控制;

　　? 實時監(jiān)視變頻器的運行狀態(tài)。

　　2.4富士電機MEGA(G2)變頻器位置數(shù)據(jù)實例

　　圖2為富士電機MEGA(G2)變頻器使用內置定位數(shù)據(jù) 進行位置控制的波形，其中定位數(shù)據(jù)為“絕對位置”類型。使 用內置定位數(shù)據(jù)模式時，需要在變頻器參數(shù)中預先設定好目 標位置及運行頻率等信息。運行時，變頻器根據(jù)外部數(shù)字量 控制信號的選擇，會定位運行到不同的目標位置。

　　在本例中，在變頻器啟動后首先選擇的是位置指令1， 所以電機會運行到目標位置1完成第一次定位。等待一段時間 后，通過外部信號切換至位置指令2并確認位置數(shù)據(jù)變更，此 時電機會繼續(xù)運行至目標位置2完成第二次定位。

　　3 變頻系統(tǒng)位置控制的行業(yè)應用

　　大功率電機的定位控制主要應用于需要高扭矩和高精度 控制的場景，以下是一些具體的應用實例：

　　(1)重工業(yè)

　　如鋼鐵制造和重型機械制造，大功率電機用于驅動大型 軋機、壓力機等設備。這些設備需要精確的定位控制以確保 加工質量和設備安全。例如，鋼板在軋機中的定位需要極高 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和船舶的裝卸系統(tǒng)中，位置控制 用于貨物的起重和轉運環(huán)節(jié)，確保設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)

　　在風力發(fā)電中，大功率電機被用于調整風力發(fā)電機的葉 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，通過變頻器進行高精度、高可靠 性的定位控制，對于防洪、灌溉以及水電站的水量調節(jié)至關 重要。

　　(5)采礦和資源開采

　　在采礦行業(yè)，大功率電機常用于驅動破碎機、輸送帶和 其他重型采礦設備。定位控制應用于此類設備中，可以增加 原料在生產過程中處理和轉移的穩(wěn)定性。

　　(6)建筑機械

　　在大型建筑行業(yè)中，塔吊和移動式起重機是不可或缺的 設備，這些機械的位置控制對于精確放置重大構件和保障施 工現(xiàn)場安全非常關鍵。

　　在上述應用中，大功率電機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 化和控制技術的進步，這些應用領域中的定位控制系統(tǒng)將變 得更加先進和智能化。

　　4 變頻系統(tǒng)的技術發(fā)展方向

　　(1)智能化與自適應控制

　　隨著人工智能技術的發(fā)展，未來的變頻器控制技術將更 加智能化。通過使用神經(jīng)網(wǎng)絡、深度學習等人工智能算法， 可以實現(xiàn)對復雜工業(yè)應用的自適應控制，提高控制精度和穩(wěn) 定性。

　　(2)網(wǎng)絡化與遠程控制

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的進步，變頻器將更廣泛地被集成到遠 程控制網(wǎng)絡中。通過使用網(wǎng)絡通信技術，可以實現(xiàn)對變頻器 的遠程監(jiān)視和控制，提高系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。

　　(3)模塊化設計

　　變頻器硬件通過使用模塊化設計，可以根據(jù)需要實現(xiàn) 靈活配置，并且各個功能模塊相互獨立，可以單獨更換或升 級，大大提高了系統(tǒng)的整體可維護性。

　　(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 電機轉速，以適應不同的工作負載和工藝要求。通過智能算 法進行優(yōu)化控制，確保電機始終在最佳工作點運行，達到節(jié) 能控制的目的。

　　總之，變頻系統(tǒng)技術發(fā)展方向將朝著智能化、網(wǎng)絡化、 集成化、高效化等方向發(fā)展，以滿足不斷變化的市場需求和 提高系統(tǒng)運行效率。