西門子S120驅動器控制方式分享

1、概述

SINAMICS S120是西門子的一款高端驅動器，設計用于機械和設備工程的復雜應用，以及廣泛的運動控制任務。產品組合涵蓋的功率范圍廣，控制方式豐富，可用于各種驅動任務：

1）過程工業中的簡單泵類和風機應用

2）離心機、壓力機、擠壓機、升降機、傳送帶和運輸設備等單軸驅動

3）紡織機、薄膜機和造紙機以及軋鋼設備的多軸驅動系統

4）機床、包裝和印刷設備使用的高動態伺服驅動裝置

SINAMICS S120驅動器的各種控制方式是整個變頻器功能的核心。其負責電機的各種物理指標的連續控制，比如電流、扭矩、轉速，位置等?？刂品绞焦ぷ鞯男Ч胶?，則相關設備工作運行的速度越快和精度越高，從而對生產的產品質量和生產效率產生顯著影響。

2、S120驅動器控制方式

S120驅動器的控制方式從電機的內部計算方式上，可以分為：

1）開環控制：V/F控制

2）閉環控制：矢量控制（無編碼器矢量控制SLVC / 帶編碼器矢量控制VC）

3）閉環控制：伺服控制

可以針對不同的應用，選擇S120的不同控制方式。本文為大家介紹一下這些控制方式及其特點，供大家參考。

3、S120驅動器控制方式及特點

3.1 V/F控制方式

V/F特性曲線控制是異步電機最簡單的控制方式，該控制方式為開環，不具備速度反饋的控制，適合動態特性要求較低的場合，V/F控制方式適用于以下應用：

1）動態性能、速度控制范圍和精度要求較低的應用

2）成組控制的驅動結構，即多個電機連接到一個電機模塊進行控制

3）調試過程盡可能簡單快、速的場合，并且需要減少參數的復雜性的情況

在 V/F控制中，電壓幅值 V 被指定為實際電機頻率 f 的函數，該函數可以按不同的特性曲線類型定義，即V/F控制中的特征曲線是可調的。最常見的特征曲線類型是具有恒定扭矩的線性特征曲線或泵和風扇的拋物線特征曲線。

在低速情況下，S120提供電壓提升功能，以避免電機在 0 V 時可能無法產生轉矩的現象。并且S120集成了轉差補償功能，可使異步電機的轉速實際基本保持在轉速給定上，不受負載變化的影響。

3.2 矢量控制

矢量控制的名稱來源于：電機可以基于其等效電路圖中的數據建立一個電機模型，電機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流和產生轉矩的電流，并分別加以控制。這樣就可以將異步電機等效為直流電機來控制，因而獲得與直流調速系統同樣的靜、動態性能。在矢量模式下，電機的速度和扭矩可以精確的控制，具有非常好的性能。

電機數據越準確，模型計算工作則更加精確。因此矢量模式的重點是電機模型的精確計算或者說是電機參數的最準確的辨別。參數準確才可以通過這種控制方式在精度和控制質量方面達到最佳結果。在矢量控制中，控制的精度和質量優先于控制的動態特性。

矢量控制有2個版本 -無編碼器矢量控制（SLVC）和帶編碼器的矢量控制（VC）。

帶編碼器矢量控制的特點：

1）最佳的速度精度、扭矩精度和扭矩紋波

2）轉速可在閉環中降至 0 Hz（靜止狀態）

3）可在額定轉速范圍內保持恒定轉矩

4）相對于不帶編碼器的轉速控制，帶編碼器矢量控制由于直接測量轉速并且作用于電流矢量的觀測，驅動的動態特性顯著提升

5）非DRIVE-CliQ電機通常需要進行參數靜態以及動態辨識

6）適用于速度調節、負荷平衡、轉矩控制等場合

3.3 無編碼器矢量控制

在'無編碼器矢量控制'中，控制中的變量'速度'的實際值不是直接測量的，而是通過實際控制變量以及其他輔助變量計算出來的。因此，無傳感器矢量控制 （SLVC） 也稱為頻率控制，因為實際速度是根據電機中的實際頻率和從電壓和電流測量的電流模型等方式計算得來的。

在控制精度和動力特性方面，SLVC不如使用編碼器的矢量控制。

用于模型計算的電流和電壓等變量受干擾等因素的影響，需要使用軟件中的濾波算法進行處理，在轉矩控制方面會存在不足，并且對計算時間和實際值的準確性有影響，因此也會影響動態效果。

并且由于低速下模型無法足夠精確地得到相關的物理信息，因此在低頻范圍內矢量控制會從閉環切換為開環。

3.4 伺服控制

伺服控制同樣基于電機的等效電路圖的數據，即通過矢量模型控制連接到伺服控制模式下的電機。因此伺服控制也是矢量控制，區別在于伺服控制中會對矢量模型進行優化，在減少對控制精度和質量影響的前提下，提高計算的速度，以達到高動態響應的目標。

永磁同步電機應優先選擇伺服控制模式。

伺服控制模式的應用場合和特點為：

1）適合具有高動態運行控制特性的應用

2）適合具有高轉速精度和轉矩精度的應用（伺服同步電機帶編碼器）

3）適合與PLC的等時同步模式配合，實現動態伺服控制功能

4）可以達到非常高的輸出頻率，計算周期短

5）可以通過一鍵優化的方式進行速度和位置控制器的優化

6）適用于準確、快速定位，以及有位置同步等場合

審核編輯：湯梓紅