概述

進入20世紀90年代，由于電力電子器件、微型處理器的發(fā)展，以及先進控制理論(如磁場定向矢量控制、直接轉矩控制)的應用等原因，使交流變頻調速系統(tǒng)在諸如調速范圍、驅動能力、調速精度、動態(tài)響應、輸出性能、運行效率及使用方便性等方面有了很大的提高。目前，交流變頻器的性能已經可以和直流調速性能相媲美，再加上交流電機固有的優(yōu)點，更適用于直流調速系統(tǒng)無法比擬的場合，如高速化、大容量的旋轉機械。交流變頻器已在鋼鐵、冶金、礦山、石油、化工、醫(yī)藥、紡織、機械、電力、輕工、建材、造紙、印刷等傳統(tǒng)工業(yè)的改造和發(fā)展中得到了廣泛應用，取得了巨大的經濟效益和社會效益[1-4]。

然而，隨著工業(yè)場合中生產工藝的不斷改進和升級，對通用變頻器的功能和性能也提出了更高的要求，尤其是一些需要定向、定位的場合，使用伺服系統(tǒng)進行控制成本較高，因此通用變頻器設計相應的簡易伺服功能成為必要的需求。簡易伺服功能在通用變頻技術的前提下，對于控制方法內部的電流環(huán)和速度環(huán)，都進行了比一般變頻更精確的控制技術和算法運算，在功能上也比通用變頻器強大很多，最主要是增加了位置環(huán)，可以進行精確的位置控制，通過給定的脈沖序列來控制速度和位置。

以電主軸的控制為例，電主軸是數控機床的重要部件，傳統(tǒng)機床主軸是通過傳動裝置帶動主軸旋轉而工作的，而電主軸的主要特點是將電動機置于主軸內部，通過驅動電源直接驅動主軸進行工作，實現了電動機、主軸的一體化功能，進行切削加工，具有結構緊湊、效率高、噪聲低、振動小、精度高、運行平穩(wěn)、沖擊小等特點，能夠使主軸軸承壽命得到延長。使用通用變頻器的伺服功能，可完成動態(tài)高精度同步跟蹤、分度、準停及零速鎖定等功能，其優(yōu)異的性能、豐富的功能完全能夠滿足數控加工中心主軸控制的工藝和精度要求。一般來說，對位置，速度和力矩的控制精度要求比較高的場合，都可以采用通用變頻器的簡易伺服功能，如機床、印刷設備、包裝設備、紡織設備、激光加工設備、機器人、電子、制藥、金融機具、自動化生產線等[5-9]。但是，通用變頻器的簡易伺服功能與專用伺服驅動器相比，在性能和功能方面還有一定的差距，因此通用變頻器的伺服功能通常應用于一些對于伺服性能要求不高的場合，而一些高端應用則需要使用專用伺服驅動器。

2 通用變頻器、簡易伺服變頻器、伺服驅動器的區(qū)別

變頻器的控制對象是感應電機，它可分為通用型與專用型兩類。通用型變頻器就是人們平常說的變頻器，只要容量允許，它對感應電機的生產廠家、電氣參數原則上無要求。簡易伺服變頻器主要應用于數控機床的主軸控制，這樣的變頻器需要配套專門的主軸電機，也可以用于對定位、調速性能有較高要求的其它控制系統(tǒng)[10]。

1)通用變頻器

通用變頻器是用于普通感應電機的調速控制的控制器，它可以用于不同生產廠家、不同電氣參數的感應電機控制。從系統(tǒng)控制的角度看，建立控制對象的數學模型是實現精確控制的前提條件，它直接決定了系統(tǒng)的控制性能。由于變頻器是一種通用控制裝置，其控制對象為來自不同廠家生產、不同電氣參數的感應電機，依靠目前的技術水平，還不能做到通過控制器本身來精確測試、識別任意控制對象的各種技術參數，因此，變頻器在設計時需要進行大量的簡化與近似處理，它的調速范圍較小。

隨著技術的發(fā)展，先進的矢量控制變頻器一般設計有自動調整(自學習)功能，它可通過自動調整操作來自動測試一些必需的、簡單的電機參數，可在一定范圍內提高模型的準確性，其性能與早期的V/f控制變頻器相比，已經有了很大的提高。

2)簡易伺服變頻器

簡易伺服變頻器是一種專用變頻器，通常與專用交流主軸電機配套，用于金屬切削數控機床的主軸等大范圍、高精度調速。實現感應電機的大范圍、高精度變頻調速控制的前提是建立精確的控制對象數學模型，因此，變頻器在設計時就必須預知控制對象的參數，并對此進行專門的控制，它只能通過特定的感應電機和專用變頻器才能實現。

簡易伺服變頻器的控制對象是驅動器生產廠家專門設計的交流感應電機，這種電機經過嚴格的測試與實驗，其電氣參數非常接近。簡易伺服變頻器采用的是閉環(huán)矢量控制技術，它不但調速性能大大優(yōu)于通用變頻器控制普通感應電機的系統(tǒng)，而且還能夠實現較為準確的轉矩與位置控制。簡易伺服變頻器的調速性能好、生產成本高，但它一般需要與計算機數控系統(tǒng)(CNC)配套使用，且不同公司產品性能、使用等方面的差別較大，其專用性較強。

3)伺服驅動器

伺服驅動器是用于交流電機(交流伺服電機)位置、速度控制的裝置，它需要實現高精度位置控制、大范圍的恒轉矩調速和轉矩的精確控制，其調速要求比變頻器、簡易伺服變頻器等交流調速系統(tǒng)更高，因此，必須使用驅動器生產廠家專門生產、配套提供的專用伺服電機。

根據使用場合和控制系統(tǒng)要求的不同，伺服驅動器可分為通用型和專用型兩類。通用型伺服驅動器是指本身帶有閉環(huán)位置控制功能，可獨立用于閉環(huán)位置控制或速度、轉矩控制的伺服驅動器;專用型伺服驅動器是指必須與上級位置控制器(如CNC)配套使用，不能獨立于閉環(huán)位置控制或速度、轉矩控制的伺服驅動器。

3 變頻器如何擴展伺服功能

雖然通用變頻器與伺服驅動器相比，在性能和功能方面還有一定的差距，但是，通過將通用變頻器外擴位置控制板，或進一步升級功能，可以使其在不影響通用變頻器功能的同時，具有“簡易伺服”功能，主要應用在一些對定位要求不嚴格的場合。變頻器擴展伺服功能的方式可以總結為如下2種：

方案一：將帶PG矢量控制功能的通用變頻器外擴位置控制板，使其具有定位功能。例如，北京某公司曾基于艾默生TD3000為控制核心，開發(fā)出了與TD3000相匹配的位置控制板，結構圖如圖1所示。該方案實現簡單，在國內曾有較多應用，但是，位置控制精度對于通用變頻器的依賴性強、位置控制板與通用變頻器軟硬件匹配性不好等原因，隨著伺服驅動器的發(fā)展，目前該方式已較少使用。

圖1 外擴位置控制板+通用變頻器模式

方案二：在保持通用變頻器性能和功能的基礎上，通過對硬件和軟件進行升級，實現位置控制，該方案有2種實現方式：

a. 零伺服功能

在控制方式上增加零伺服位置環(huán)，可以實現電機對初始位置的記憶。以藍海華騰V6-H系列變頻器為例，零伺服功能框圖如圖2所示。對于異步電機，在零伺服命令有效時，當頻率指令為零，且電機速度小于零伺服閾值，位置控制環(huán)路便投入工作。此時的電機位置被記憶，對電機施加負載或釋放負載后，電機最終會保持在已記憶的位置上。零伺服的位置控制精度和動態(tài)響應，可通過位置環(huán)的比例增益、積分時間進行調整。

圖2 零伺服功能框圖

b. 簡易伺服功能

與方式a相比，位置控制功能除了能實現零伺服功能外，還能實現主軸定位，可以應用于中、低端數控機床等場合。以深圳四方電氣技術有限公司生產的A510系列閉環(huán)矢量變頻器為例，控制對象為專用交流主軸電機，它的主軸控制與分度定位控制可以實現簡易伺服功能，主要用于電液伺服、機床伺服主軸控制等大范圍、高精度調速。

4 主要生產廠家產品的技術指標

調速系統(tǒng)不但要滿足工作機械穩(wěn)態(tài)運行時對轉速調節(jié)與速度精度的要求，而且還應具有快速、穩(wěn)定的動態(tài)響應特性，因此，除功率因數、效率等常規(guī)經濟指標外，衡量交流調速系統(tǒng)技術性能的主要指標有調速范圍、調速精度、速度響應、過載能力等方面。

1) 調速范圍

調速范圍是衡量系統(tǒng)速度調節(jié)能力的指標。調速范圍一般以系統(tǒng)在一定的負載下，實際可達到的最低轉速與最高轉速之比(如1:100)或直接以最高轉速與最低轉速的比值(如D=100)來表示。通用變頻器、簡易伺服變頻器、伺服驅動器的調速范圍如表1所示。

2) 調速精度

調速精度與調速系統(tǒng)的結構密切相關，一般而言，在同樣的控制方式下，采用閉環(huán)控制的調速精度是開環(huán)控制1/10左右。通用變頻器、簡易伺服變頻器、伺服驅動器的調速精度如表1所示。

3) 速度響應

速度響應指負載慣量與電機慣量相等的情況下，當速度指令以正弦波形式給定時，輸出可以完全跟蹤給定變化的正弦指令頻率值。速度響應是衡量交流調速系統(tǒng)動態(tài)快速性的技術指標，也是不同形式的交流調速系統(tǒng)存在的主要性能差距。通用變頻器、簡易伺服變頻器、伺服驅動器的速度響應如表1所示。

4) 功率范圍

通用變頻器適用范圍廣，可控制的電機功率在三類產品中為最大，目前已可達1000kW;簡易伺服變頻器多用于數控機床的主軸控制，根據實際需要，功率范圍一般在100kW以下;而交流伺服則多用于高速、高精度位置控制，電機的功率范圍一般在15kW以下。

5) 過載能力

過載能力是由“過載倍數”和“過載周期”兩個指標決定的。所謂的過載倍數是指額定負載的百分比，過載周期是指過載倍數的通斷周期，過載能力是系統(tǒng)功率器件硬件決定的，與散熱面積、過載倍數的允許條件等參數有關。通用變頻器、簡易伺服變頻器、交流伺服的過載性能有較大差別，通常而言，三者可以承受的短時過載能力依次為100% ~ 150%、150% ~ 200%、200% ~ 350%。

6) 起動轉矩

起動轉矩可以反映變頻器的起動能力和快速響應能力，對于帶碼盤的系統(tǒng)而言，通用變頻器、簡易伺服變頻器、交流伺服的起動能力也有較大差別，通常而言，三者的起動能力依次為150%/0 rpm、150%~200%/0 rpm、200% ~ 350%/0 rpm。

7) 綜合比較結果

目前市場上各類交流調速裝置的產品眾多，由于控制方式、電機結構、生產成本與使用要求的不同，調速性能的差距較大，表1為一般情況下通用變頻器、簡易伺服變頻器、交流伺服的技術性能對比表。

5 簡易伺服應用實例

1)變頻器簡易伺服功能在電主軸上的應用

電主軸是數控機床的重要部件，傳統(tǒng)機床主軸是通過傳動裝置帶動主軸旋轉而工作的。電主軸是電動機內裝式主軸單元的簡稱。其主要特點是將電動機置于主軸內部，通過驅動電源直接驅動主軸進行工作，實現了電動機、主軸的一體化功能。它具有結構緊湊，機械效率高，噪聲低，振動小，精度高，運行平穩(wěn)，沒有沖擊等特點，能夠使主軸軸承壽命得到延長。通過型號A機床專用變頻器內置的機床專用功能，可完成動態(tài)高精度同步跟蹤、分度、準停及零速鎖定等功能，方便了用戶的使用，同時還可進行一些簡單的位置控制，很好控制動態(tài)位置精度，可控制在4個脈沖之內，穩(wěn)態(tài)位置精度可控制在一個脈沖之內。其優(yōu)異的性能、豐富的功能完全能夠滿足數控加工中心主軸控制的工藝和精度要求。

交流伺服主軸驅動系統(tǒng)由主軸控制器、主軸驅動單元、主軸電動機和檢測主軸速度與位置的編碼器4 部分組成，主要完成閉環(huán)速度控制。主軸驅動單元的位置控制與速度控制均由內部的高速信號處理器及控制系統(tǒng)實現，其原理框圖如圖3所示。圖3中計算機數控系統(tǒng)(CNC)向主軸驅動單元發(fā)出速度指令或位置指令，驅動單元根據該指令執(zhí)行相應的速度與位置控制。與此同時，CNC 控制器也接收來自于主軸電動機編碼器的分頻輸出(或終端傳感器的輸出信號)來對其指令進行校正，當然，此信號也用于系統(tǒng)過程偏差的檢測，如速度偏差檢測等。

圖3 電主軸驅動原理框圖

為方便起見，現以一實際的電主軸系統(tǒng)為例進行描述。在該系統(tǒng)中，C N C 控制器采用的是臺灣某品牌主軸控制器，驅動器使用A型號高性能機床專用版本變頻器，電動機出廠配置2048RPM 差分增量式編碼器。整個系統(tǒng)接線框圖如圖4所示。

圖4 基于A型號變頻器簡易伺服功能的電主軸接線框圖

主軸控制器通過PA + /PA -和PB+ /PB -正交脈沖信號向變頻器發(fā)出速度和位置信號，同時也包含方向信號。變頻器工作在伺服模式，既接收主軸控制器脈沖給定，又接收來自電動機的編碼器反饋信號，同時對編碼器信號進行分頻，反饋到主軸控制器。無論是速度同步跟蹤還是零速鎖定，整個系統(tǒng)邏輯都非常簡單，只需要將變頻器設置為伺服模式，調試主要工作是根據電動機的特性曲線來調整變頻器相關參數，以獲得驅動系統(tǒng)的最佳性能。

2)變頻器簡易伺服功能在油電驅動技術中的應用

油壓驅動技術是目前射出成型機使用最廣泛的驅動控制方式，具有功率重量比大、壓力和流量控制佳、壽命長及易維護等優(yōu)點;而交流伺服電機驅動技術則具有響應快、精度高、恒轉矩等優(yōu)點。某品牌B型號油電伺服驅動器利用交流伺服電機驅動的油壓系統(tǒng)，將伺服驅動技術、電機技術與油壓技術結合，且以精確的壓力與流量控制，消除高壓節(jié)流的能源損耗，將射出成型機油壓驅動技術再度創(chuàng)新。

伺服驅動器從射出成型機控制器獲得壓力機流量命令后，與實際壓力和轉速反饋進行PID運算，計算出最適合的控制量來驅動伺服電機與油泵，因此控制系統(tǒng)響應快、重復精度高，系統(tǒng)結構如圖5所示。

圖5 油電伺服驅動系統(tǒng)

傳統(tǒng)的注塑機使用油壓系統(tǒng)，其用電占注塑機的75%以上，在注塑機運行中，開模、射出、保壓、關模等過程需要不同的壓力和流量。當需求超過設定的流量及壓力時，會由溢流閥或比例閥來調整壓力流量，這個過程稱之為高壓節(jié)流，其所造成的能量損失高達40%-75%?；贐型號變頻器伺服功能的油電驅動接線框圖如圖6所示。

圖6 基于B型號變頻器伺服功能的油電驅動接線框圖

3)變頻器簡易伺服功能在提花機中的應用

現有提花機龍頭動力傳動系統(tǒng)大部分都是一個異步電機帶一個龍頭，通過機械傳動來帶動提花主軸電機。由于只有一個異步電機拖動打緯軸和提花龍頭，使得異步電機需要很大的扭矩，那么電機的功耗就會上升，而且由于帶動兩個負載，異步電機的壽命會大大縮短。而在改用永磁同步電機的情況下，制造噪音大幅降低，提花編織效率提高了，簡化機械結構，降低了安裝成本和維護成本，因此，把永磁同步伺服電機應用到提花機伺服控制系統(tǒng)中已經成為現實的需要。

提花機龍頭伺服電控系統(tǒng)包括主軸伺服驅動系統(tǒng)、HMI參數設置面板、伺服電機，實物圖如圖7所示。

圖7 提花機龍頭伺服電控系統(tǒng)實物圖

提花機龍頭伺服電控系統(tǒng)提供了龍頭部分的整體解決方案，傳動采用高精度的交流伺服系統(tǒng)，克服傳統(tǒng)機械傳動結構的不足，安裝方便，維護工作量小，并且有一定的節(jié)能效果;龍頭伺服電機采用自然冷卻或水冷方式，更加適合紡織行業(yè)較惡劣的工作環(huán)境;由于整個系統(tǒng)采用了高運算速度和高精度的伺服系統(tǒng)，使得提花機龍頭伺服系統(tǒng)具有提花編織效率提高，可方便手動調整電子提花系統(tǒng)參數，簡化機械結構，降低安裝成本和維護成本等特點。

采用上海某公司自主研發(fā)的C型號伺服驅動器搭建的提花機龍頭伺服電控系統(tǒng)整體構架如圖8所示，該驅動器是以DSP為核心的程序控制器，運算速度非?？?，配合旋變控制板，抗干擾能力強、位置跟蹤精確。采用該系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點：1) 取消織機與提花機之間的機械傳動桿，簡化機械結構，降低了安裝成本和維護成本;2) 織造噪音大幅降低;3) 提高提花編織效率;4) 比傳統(tǒng)機械傳動系統(tǒng)省電10%~20%;5) 可方便手動調整電子提花系統(tǒng)參數，省時省力;6) 規(guī)格齊全、可滿足不同類型提花機的功率需求，可適用于噴水、劍桿和噴氣織機。

圖8 提花機龍頭伺服系統(tǒng)架構

提花龍頭伺服系統(tǒng)是紡織機行業(yè)內較為先進的設備之一，可同時滿足國內劍桿織機、噴氣織機、噴水織機以及提花機等通用型織機主軸伺服系統(tǒng)，使紡織機械的自動化程度取得了較大的進步，在提升企業(yè)技術水平，穩(wěn)定產品質量，提高生產效率等方面具有重大作用。這些年，隨著國內紡織行業(yè)的迅猛發(fā)展，用伺服電機帶動提花龍頭替代傳統(tǒng)機械傳動的方式肯定會得到廣泛應用。

6 結論

高端變頻技術在不斷發(fā)展，配合機電時間常數小的電機也能完成伺服的精確定位跟蹤，特別是在大功率場合，伺服本身的功能就是精確快速定位跟蹤，變頻器做到這個程度就是伺服了。從企業(yè)的發(fā)展來看，變頻器廠家推出伺服產品，無論是在技術基礎還是在銷售渠道都占據一定的優(yōu)勢，已經成為越來越多的變頻器廠家的發(fā)展方向，目前已有多個品牌的通用變頻器已開發(fā)出了簡易伺服功能，而且推廣應用較快。然而，通用變頻器的簡易伺服功能與專用伺服驅動器相比，在性能和功能方面還有一定的差距，因此通用變頻器的伺服功能通常應用于一些對于伺服性能要求不高的場合，而一些高端應用則需要使用專用伺服驅動器。