6ES72882QT160AA0西門子數(shù)字量輸出模塊

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SIMATIC S7-200 SMART， 數(shù)字輸出 EM DT16， 16 個數(shù)字輸出端，24VDC，晶體管 0.75A

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• 1.1 SLVC控制模式概述

        矢量控制（Vector Control）也稱為磁場定向控制，是一種利用變頻器控制三相交流電機的技術。矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的。矢量控制分為有編碼器的矢量控制和無編碼器的矢量控制（SLVC：Sensorless Vector Control），而無編碼器的矢量控制是指沒有外部傳感器用于測量速度，其電機的實際轉(zhuǎn)速是通過電機電流、電壓的電氣模型計算出的，因此其精度低于帶編碼器矢量控制。

        SLVC控制方式在0Hz左右的低頻區(qū)，由于電氣模型無法精確的計算出轉(zhuǎn)速，因此在低頻范圍內(nèi)矢量控制會從閉環(huán)切換為開環(huán)。此時，對于異步電動機忽略定、轉(zhuǎn)子漏抗，其轉(zhuǎn)矩表達式以及固有機械特性如下所示：

        其中是轉(zhuǎn)差的函數(shù)，k為常量，為定子電流。

圖 1  異步電動機的固有機械特性（Is3 < Is2 < Is1）

        由異步電動機固有機械特性可知，當轉(zhuǎn)差率一定的情況下，增加定子電流可以增加轉(zhuǎn)矩，因此在開環(huán)控制中，對于靜態(tài)負載或在加速過程中，可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)矩上限以內(nèi)的p1610（靜態(tài)轉(zhuǎn)矩設定值）和p1611（加速附加轉(zhuǎn)矩）來保證電機的啟動和加速過程。當定子電流一定的情況下，當轉(zhuǎn)差率為時，轉(zhuǎn)矩達到大轉(zhuǎn)矩。SLVC控制模式在閉環(huán)控制運行時通過測量定子電流、電壓來計算出實際轉(zhuǎn)速，根據(jù)需要的轉(zhuǎn)差率來設定定子頻率，從而實現(xiàn)有效的轉(zhuǎn)矩控制。

        SLVC控制開環(huán)控制和閉環(huán)控制的切換條件是由時間條件和頻率條件（p1755、p1756和p1758）控制的。如下圖所示，

圖 2  SLVC的切換前提

        如果斜坡函數(shù)發(fā)生器輸入端的設定頻率和實際頻率同時低于“”，則時間條件p1758無效。

• 1.2 被動性負載的特性

        被動負載指只能被電機驅(qū)動而不能驅(qū)動電機的負載，例如：惰性質(zhì)量泵、風扇、離心機、擠出機、運行驅(qū)動、水平輸送裝置等。下圖為水平傳送帶帶載啟動到穩(wěn)定運行的一個狀態(tài)曲線，表示電機轉(zhuǎn)矩，表示負載轉(zhuǎn)矩，在0 — 時間段內(nèi)負載轉(zhuǎn)矩隨著電機轉(zhuǎn)矩的增加而增加，一直到時刻負載被拉動，拉動后負載轉(zhuǎn)矩驟降然后隨著轉(zhuǎn)速的增加負載轉(zhuǎn)矩慢慢增加一直達到穩(wěn)態(tài)達到恒定的負載轉(zhuǎn)矩，當系統(tǒng)達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后電機轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩。

        對于這類負載，電機可長時間處于靜止狀態(tài)，無需保持電流。

• 1.3 SLVC控制被動性負載的問題

        當使用SLVC（無編碼器矢量控制）控制被動性負載時，在 0 Hz 左右的低頻區(qū)內(nèi)，模型無法足夠精確地計算出電機轉(zhuǎn)速。因此在低頻范圍內(nèi)矢量控制會從閉環(huán)切換為開環(huán)，電機的輸出轉(zhuǎn)矩由p1610（靜態(tài)轉(zhuǎn)矩給定）來決定，如果p1610設置過大可能會導致靜止狀態(tài)下的電機過熱、電機速度不穩(wěn)定，那么能否使被動性負載在0Hz左右的低頻區(qū)保持速度閉環(huán)控制呢？

• 1.4 S120 SLVC模式被動負載功能設置

        異步電機在起動點上拖動的是被動負載時，可以在 0 頻率點（靜止）前一直在閉環(huán)控制中穩(wěn)定運行，不會中途切換到開環(huán)控制。參數(shù)設置如下所示：

    ①設置 p0500 = 2（工藝應用 = 無編碼器閉環(huán)控制中的被動負載，直至 f = 0）；

    ②設置 p0578 = 1（計算工藝相關參數(shù)），

        此時會自動設置以下參數(shù)：

        – p1574 = 2 V（使用異步電機時）

        – p1574 = 4 V（使用他勵同步電機時）

        – p1750.2 = 1，被動負載條件下在 0 Hz 前一直在閉環(huán)控制中運行

        – p1750.3 = 1，電機模型測定飽和特定曲線

        – p1802 = 4（RZM/FLB，不進行過調(diào)制）

        – p1803 = 106 %（出廠設置）

        或者直接設置參數(shù)p1750.2=1（p1750.3跟隨p1750.2自動設置為1）

        說明：如果在電機調(diào)試內(nèi)設置了 p0500，就可以通過 p0340 和 p3900 自動計算，p0578 不再需要單獨設置。

        這種連續(xù)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制只限電機拖動被動負載的應用，此時電機可長時間處于靜止狀態(tài)，無需保持電流，在靜止狀態(tài)下僅會向電機注入勵磁電流。下圖是SLVC中是否激活被動負載功能的曲線對比，在激活被動負載功能后電機在0Hz附近的電流只有勵磁電流，明顯低于開環(huán)控制時的電流。下圖1和圖2是未激活被動負載與激活被動負載功能的對比：

                                    圖 1未激活被動負載功能                                    圖 2激活被動負載功能

• 1.5 應用案例與分析

【案例一】

        S120應用于開卷機中，原來配置是帶編碼器的矢量控制，后因為編碼器出現(xiàn)故障，于是將S120的控制方式改為無編碼器的矢量控制，在SLVC控制模式下，通過速度控制加轉(zhuǎn)矩限幅的方式來建張，但是在建張過程中出現(xiàn)速度不穩(wěn)定，拉不緊，用對拖實驗模擬現(xiàn)場情況，電機1作為開卷機，為不帶編碼器的矢量控制模式，速度控制加轉(zhuǎn)矩限幅，電機2為帶編碼器的矢量控制方式，作為張力輥電機，電機1先以-50rpm轉(zhuǎn)速啟動轉(zhuǎn)矩限幅10%，電機2以0轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩限幅0%啟動，啟動后慢慢加轉(zhuǎn)矩先5%然后10%后加到15%，再加到100%，在轉(zhuǎn)矩慢慢增加的過程中，電機1的輸出轉(zhuǎn)矩慢慢增加，一直達到轉(zhuǎn)矩限幅值10%，同時速度慢慢降低趨于0速，由此張力建立，但是在穩(wěn)定狀態(tài)，電機的速度和轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，左右搖擺，如下圖3所示：

圖 3異常情

        原因分析：在鋼卷拉緊過程中，當開卷機實際轉(zhuǎn)速小于p1755*（1-p1756/100%）時經(jīng)過p1758的時間切換到開環(huán)控制模式，模型不準確造成了轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波動。

將電機1設置為被動性負載功能（p1750.2=1）后，在相同的啟動條件下，達到穩(wěn)定狀態(tài)后速度和轉(zhuǎn)矩相對穩(wěn)定，電機軸保持靜止。如下圖4所示：

圖 4激活被動性負載功能后的情況

【案例二】

        S120 SLVC控制模式，控制皮帶傳輸機，因在低頻范圍內(nèi)會切換到開環(huán)控制模式，為使皮帶機能夠正常啟動，經(jīng)常將p1610、p1611設置成較大的值，但是由于生產(chǎn)工作中皮帶機又經(jīng)常會在零速下長時間運行，電機零速下通入較大的電流可能會導致電機的過熱甚至燒壞繞組。

        實驗模擬現(xiàn)場情況，電機1為皮帶傳輸機的主電機，無編碼器的矢量控制方式，電機2作為皮帶或負載，帶編碼器的矢量控制方式。先啟動電機2，以零速20%的轉(zhuǎn)矩啟動，然后電機1先以零速啟動，然后以速度100RPM（小于p1755切換轉(zhuǎn)速）運行，如圖5所示，在零速時勵磁電流分量等于值電流等于3.3A，給定轉(zhuǎn)速后電流、速度波動很大。

圖 5  SLVC控制模式下啟動的情況

        當激活被動性負載功能（p1750.2=1）后，同樣的啟動方式，在零速時勵磁電流分量等于值電流等于2.6A等于電機的額定勵磁電流，給定速度后電流波動小，同時轉(zhuǎn)矩電流分量建立，如圖6所示：

圖 6  SLVC控制模式下激活被動負載功能后的啟動情況

• 1.6 SLVC模式激活被動性負載功能的優(yōu)點

        S120在實際應用中以SLVC模式控制被動性負載時，當激活被動負載功能后，有以下優(yōu)點：

        * 在閉環(huán)控制中沒有切換操作（工作穩(wěn)定、無頻率驟降、轉(zhuǎn)矩保持恒定）

        * 0 Hz 前可一直保持無編碼器的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制

        * 在進入 0 Hz 左右的低頻區(qū)前可一直保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制

        * 在靜止狀態(tài)下僅會向電機注入勵磁電流，電機可長時間處于靜止狀態(tài)

        * 相對于開環(huán)控制來說，動態(tài)響應更快

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