vfds：运动控制下一个最好的事情

对于预算有限的应用程序，vfd可以以合理的价格提供令人惊讶的良好性能。

曾经有一段时间，永磁电机和伺服驱动器是唯一的游戏在镇上的精确运动。今天，变速驱动器(vfd)被用于交流感应电机，是的，PM电机，以实现高精度运动。适当的指定和配置，基于vfd的运动轴对于具有更大性能规格的成本敏感应用程序是非常有效的解决方案。

VFD基础知识
VFDS，有时称为变速驱动器或交流变频器驱动器，产生不同频率的输出。

驱动频率之间的关系f和运动速度ω在交流感应电动机中由

在哪里ω为角速度，单位为RPM，f赫兹频率是频率，n为极点数，120为单位换算系数。频率越高，RPM值越高。

标准驱动器产生一个信号在频率的交流墙壁插头电源- 60赫兹，在美国。当一个标准驱动器被用于运行一个交流感应电机，电机运行在最高速度。要以较低的速度运行电机，驱动器需要提供一个较低的频率信号。vfd能够修改驱动电机的信号的频率。因此，它们提供了一种方法来调整输出速度，扭矩，和马力的电机。

变频驱动器使用各种技术来改变频率。可能最有效和最常见的方法是脉宽调制(PWM)。

PWM变频由三个基本部分组成:交流直流转换块(整流器),过滤块(直流总线)和直流到交流的转换块发生频率调制(逆变器,见图1)。整流器直流将生成一个涟漪,这是被过滤。在逆变器中，一组绝缘栅双极晶体管(igbt)将信号切割成电压方波，并将其组合成特定频率的交流信号。

VFD包括一个由专业固件运行的板载微处理器。用于运动控制的vfd还包括用于反馈的高速I/O端口，内置连接，如MODBUS, CC链路和以太网/IP。微处理器使VFD能够单轴或主从结构进行简单运动。更复杂的操作需要PLC或专用运动控制器。

vfd在行动
vfd最初的用途是为用于旋转设备(如风扇、泵和鼓风机)的定速交流感应电机提供节能和延长使用寿命。当时，实现可变速度或体积的方法是让电机以最高速度运行，并使用机械手段，如节流阀、气门、凸轮和齿轮来调整最终结果。这种方法浪费了能量，增加了电机的磨损，增加了复杂性，增加了维护和故障点。vfd提供了一种替代方案。

vfd使用户可以直接调整电机的速度，减少功耗、电机磨损、维护和停机时间。vfd易于部署、可靠，并且在适当的规模和选择时，可以提供快速的ROI。

变频控制方案
vfd控制电机使用四种方法之一:

• 每赫兹电压(V/f)开环
• V / f闭环
• 闭环矢量控制
• 开环矢量控制

每赫兹伏特(V / f）
每频率伏特控制，有时称为每赫兹伏特控制，是一种标量控制方法，命令驱动器提供一个特定的频率，对应所需的速度。交流感应电动机依靠定子绕组中的电流来产生磁场分布。这些绕组起着电感器的作用。我们可以表示电感电抗X_L.部分阻抗，如

其中L为线圈电感。公式2意味着增加频率也会增加线圈的阻抗，反之亦然。利用欧姆定律，我们可以将其与电流和电压联系起来:

降低频率，同时保持电压升高电流绘图。这可以增加扭矩，但也有可能烧掉绕组。V / fvfd包含电压限制器，保持电压与频率的固定比率。

V / f控制只能用来控制速度，它做到了几个百分点以内。

V / fVFD通常用于泵，风扇，鼓风机和输送机的可变速度操作。在这些应用中，少数RPM的空气不会产生差异。驱动器非常便宜，不需要反馈。它们通常不需要调整。它们不应以低速或在需要零速度的完全扭矩的应用中使用。

V / f编码器
注意，在基本的V / f控制，系统在没有反馈的情况下运行。驱动器向下递减指令，但没有确认电机正常运行，或者电机轴是否甚至转动。更苛刻的应用可以从添加外部编码器来监视电动机轴的更高。

闭环反馈显著提高了性能:V / fvfd可以在最高频率的百分之几的百分之几量级上实现速度调节。像开环的版本一样，它们不能用来控制扭矩或位置。常见的应用包括机床、主轴、滚子床和其他横移架。

闭环矢量控制
矢量控制，或磁场定向控制，是一种控制方案能够提供高度精确的定位性能。矢量控制是基于这样一个事实，即感应电动机是基于两种电流运行的:在定子绕组中产生磁通的电流在转子中产生磁场，和在转子绕组中产生转矩的电流由定子诱导。一个矢量控制VFD的作用是保持这两个电流90°的相位，以最大的转矩。电机的操作类似于直流电机，其中电刷的机械作用，以最大的扭矩。

矢量控制可提供更紧密的速度控制和定位，以及更高的起始扭矩和更高的低速扭矩。

交流感应电机不包括磁铁。相反，定子的磁场在转子中引起磁场。转子场始终追逐定子场，其依次从线圈移动到线圈。此滞后称为滑动，并导致异步操作。由于滑动，交流感应电动机的实际速度低于其额定速度。例如，在1800 rpm的电机可能以1750rpm运行。滑动随扭矩负荷增加。由于滑动，交流感应电动机操作开环，甚至与VFD一起使用，无法提供精密运动。已经制定了赔偿计划，显着提高了重要事项，但问题仍然存在。

解决方案是使用外部反馈(见图2)。传感器输入使控制系统能够在打滑的情况下准确定位。应用工程师克雷格·达尔奎斯特(Craig Dahlquist)说:“并不是说没有滑移，而是你在计算脉冲，”伦茨美洲马萨诸塞州(中的)。“如果你移动一英寸，系统说，我需要移动一英寸，我每英寸有很多脉冲。它不关心给马达注入了多少正弦波以及有多少发生了滑移。它不在乎。它会一直持续，直到达到正确的计数。”

vfd在闭环矢量控制下运行，具有很高的精度和重复性。应用包括自动引导叉车、存储和检索单元、升降机、智能传送带、托盘机、货运电梯等(见图3)。

何时选择VFD
vfd对于预算敏感的应用来说是有效的，只需要适中的定位精度和分辨率。达尔奎斯特说:“一般来说，当你需要0.5毫米到2毫米之间的精度时，vfd是可行的。”“当精度达到0.1毫米或0.01毫米左右时，我们就会采用伺服系统。”

“伺服驱动器只是一种精确的控制类型，”Ortiz说。“VFD的精度约为1.5°，而伺服的0.05°。如果你想要真正高精度的控制类型，伺服仍然是最好的解决方案，但如果客户只是寻找基本的运动类型，那么VFD可以做这项工作。“

传感器不矢量控制
“无传感器矢量控制”这个术语有点用词不当。该方案得名于驱动器在没有外部反馈的情况下运行这一事实。相反，它从电机内部的电流传感器接收输入。该数据与一个数学模型相结合，创建一个自适应磁通量观测器，以跟踪电机的运动。

虽然使用无传感器矢量控制的vfd可以用于交流感应电机，但在实践中，它们用于永磁体直流电机。永磁电机的同步行为允许组合实现良好的定位精度和重复性，以及严格的速度控制。

虽然运行PM直流电机开环与VFD而不是带伺服驱动器的闭环似乎奇怪，但是这样做可能有几个非常好的原因。假设VFD可以为应用程序提供适当的性能，设计消除了编码器/解析器的成本和复杂性和与之相处的电缆。该系统具有较少的故障和减少维护。由于PM直流电机是同步的，因此对滑动并不担心，因此不需要反馈。

应用程序包括在闭环矢量控制下列出的许多相同的项目。

何时选择VFD
vfd对于预算敏感的应用来说是有效的，只需要适中的定位精度和分辨率。达尔奎斯特说:“一般来说，当你需要0.5毫米到2毫米之间的精度时，vfd是可行的。”“当精度达到0.1毫米或0.01毫米左右时，我们就会采用伺服系统。”

“伺服驱动器只是一种精确的控制类型，”Ortiz说。“VFD的精度约为1.5°，而伺服的0.05°。如果你想要真正高精度的控制类型，伺服仍然是最好的解决方案，但如果客户只是寻找基本的运动类型，那么VFD可以做这项工作。“

vfd的权衡
和往常一样，总会有取舍。同样马力的交流感应电动机更大。它们有更多的铜，因为重量更重。同样，vfd比伺服驱动器大。其结果是一个具有更大惯性的系统，这限制了系统可以实现的加速度和减速。

同样重要的是要记住，虽然vfd不涉及相同的编程水平作为伺服驱动器，他们需要相当详细的配置。一般来说，上面描述的应用类型将需要在vfd工作中具有丰富经验的工程师。“有很多参数，特别是当你做精确控制时，”Ortiz说。安装和编程可能需要了解vfd的中高级人员。也就是说，当涉及到伺服驱动器编程与VFD编程时，涉及的更多。有了VFD，你可能可以在键盘上做任何事情。”

成功需要正确选择电机和VFD。VFDS设计和配置为特定的控制方案。与您的供应商合作，以确保所选的VFD与电机匹配，可以执行应用程序的控制模式。

特别是在低速时，选择逆变电机是很重要的。感应电动机一般由与电动机轴相连的风扇来冷却。在低速时，冷却是不够的。逆变电机适用于更高的温度。它们包括更好的绝缘和主动热管理，如外部鼓风机，甚至水冷。在逆变负荷电机中，转子为内部传感器进行了优化。这使得传感器可以在无传感器矢量控制下更有效地工作。

以一定的复杂性提高VFD的速度和位置能力。因此，用户有时低估安装和佣金费用轴所需的内容。“将PM电机连接到VFD中的三相输出并不是那么简单，使其成为一个开始命令和速度，并且很好，”Ortiz说。“你必须拥有正确的编码器。您必须在VFD上有正确的选项卡来与编码器交谈，确保接线正确。“

vfds继续前进，给出更强大的微处理器和复杂的算法。安全功能，如安全扭矩断开和安全停止在过去几年中越来越普遍。

“这项技术已经取得了长足的进步，”乔治亚州卡明的AutomationDirect公司驱动和电机部门的产品经理杰夫·佩恩(Jeff Payne)说。“你能做的事情真的很惊人，特别是如果你有一个驱动和马达是一对匹配的系统。如果他们能说话，而你能得到反馈，那么你就能真正提高你的表现。不仅在扭矩上，而且在定位上。”

最终结果是VFD可能值得考虑一般的自动化项目。“传统上使用了许多应用程序，这些应用程序现在可以通过VFD与交流感应电机进行VFD，”Dahlquist说。“如果人们愿意考虑新的方式，他们可以降低机器的成本并变得更具竞争力，或者他们可以赚更多的资金。这完全是关于做更具成本效益的事情。“