您好,欢迎来到天津薄利特机电有限公司
首页>文章>天津薄利特机电带您了解:为什么有变频器保护,电机也会烧毁?(下)

文章

天津薄利特机电带您了解:为什么有变频器保护,电机也会烧毁?(下)

天津薄利特带您了解-变频电机为什么要用编码器?变频电机、异步伺服电机的双编码器闭环以及该怎么选型(下)

三、异步伺服控制模式需双编码器闭环——异步电机加减速的响应执行力延迟与减速机精度问题。

前面讨论了,异步电机不同于同步电机,在异步电机驱动环节没有位置闭环,是依赖速度对时间的积分得到位置。我们知道,伺服控制是指位置环、速度环、力矩环的三环闭环控制。位置环与速度环本应该是各自独立的,尽管有位置变化/时间=速度,而速度x时间=位置的计算,但是这样的计算在同步电机可行,在异步电机不可行——误差与执行响应延迟上的不同。因为是异步控制,速度反馈到执行响应的误差假设控制在千分之一以内、每秒,对于异步控制这已经是不错的精度了,那么一千秒钟的位置积分误差累加最大就可能达到了每秒误差的一千倍!(17分钟)。为此,在有的异步电机控制器里,用电机上安装的编码器直接做位置闭环计算,而不用速度环的积分得到电机位置,但这又遇到了另一个问题——实际要求的工艺端在机械传动末端,机械传动与减速机的误差与延迟影响位置控制执行力问题。

精密减速机问题

减速机的作用是一个杠杆原理,在减速机(支点)的输入端,用较小的力(用较小功率的电机)走较多的路(减速前电机转速高,走的圈数多),通过减速机的减速比,使得杠杆支点的另一端减速机输出端旋转走较少的路(减速后输出转速低,走的圈数少)却获得放大的输出力,这是杠杆原理。但是使用减速机不仅仅是杠杆减速比这么简单,它同时也带来了机械精度损失、机械磨损、机械摩擦等阻力效能损失、传动齿轮的精度使用寿命减少等问题,以及减速机输入输出时间响应的损失。

目前的同步伺服电机的大量普及,还大都在较小功率电机的使用,小型伺服电机的减速机设计的主要精力是在精密性上,而在减速机另外一些重要参数,如力矩效能、材料特性、机械磨损上要求并不突出。而异步电机常常用在较大功率输出要求上,减速机厂家把关注力放在了材料特性、机械磨损、输出力矩效能上,而在末端机械位置精度要同时达到像小型伺服电机减速机那样的精度已经很难了。除非是在机器人手臂上使用,机器人手臂减速机必须同时又有精度保证,又要有力矩与机械材料耐磨损特性。目前机器人减速机基本由日本两家减速机公司垄断,也是因为这种输出大力矩耐磨损,又要同时有高精度保证的减速机的难度。其他大部分的异步伺服电机不可能配备这种昂贵又被别人垄断的精密减速机,他们只能放弃在减速机末端的机械位置精度。

如果还要求达到异步伺服“位置环”的控制精度要求,解决的方案就是在机械末端再加装一个“位置编码器”,这个机械传动末端的编码器也称为“第二编码器”“负载端工艺轴编码器”

这样,在电机轴尾部有一个高速的“速度编码器”,在电机减速传动的机械末端有一个低速的“位置编码器”。根据编码器的应用特性,速度编码器选用增量脉冲编码器,脉冲频率与速度对应;位置编码器选用绝对值编码器(多圈量程),绝对值编码器的编码每一个位置唯一,无需计数器不担心干扰与误差累加,正好与位置环控制对应。

这就是本文开头提出的一个问题,双编码器闭环控制是怎么回事。

因为异步电机驱动没有位置环,减速机的误差与位置响应延迟,异步伺服控制(或者变频电机的位置环定位控制)需要有两个编码器,速度编码器与位置编码器是分开的(不同于同步电机),因为误差累加,速度编码器不可以用时间积分累加获得位置环;因为传动响应延迟,位置环编码器不可以对时间微分获得速度环,控制精度不够。

对于变频电机,如果想只用一个编码器既作为速度闭环,又作为位置闭环,那是徒劳的。当只有一个编码器时,或者是速度闭环,或者是位置闭环,而不能兼顾。

需要在两个位置上安装两个编码器,在变频电机轴上(后部)是速度编码器,在机械传动末端安装的第二编码器是位置编码器。

这种控制方式,为变频电机、异步伺服控制的“双编码器闭环”模式。

四、PLC+变频器+编码器的位置控制,变频电机也是可以做得好定位控制的。

在伺服电机还没有大量普及的时候,普通电机+编码器+PLC的位置闭环做定位就已经有很多应用了,在加入变频器后,这种应用更普及。钢厂的氧枪定位、送料小车定位、转炉倾动定位,在港口机械上的龙门吊起吊、双钩同步、大车行走同步纠偏,在注塑机上有开模合模定位,等等大量的变频器+编码器+PLC的应用实例。与同步伺服电机相比,就是速度响应与精度的要求在提高。

港口机械的自动化定位控制

从原理上讲,一台电机有四个输出内容----力量、速度、转角位置,和浪费的部分-无用的空间电磁场、反向电动势和热损。异步电机(变频电机)从一开始是一个力量输出(功率、力矩)设备作为设计的,后来加入了变频控制器可以调节速度。如果再加入机械末端位置编码器进PLC,可以通过PLC指令变频器调节速度(减速控制)制动定位,位置闭环走的是“外环线”,做的位置闭环好不好,取决于编码器信号反馈到PLC,再指令输出到变频器的“时间延迟”(响应);和变频器获得指令后,执行的减速制动定位的执行力到位能力(精度)的差别。第一项如果变频器内置了PG卡有双编码器闭环方案,可以节省这样的时间延迟性。如果编码器信号出来是到PLC,PLC指令再到变频器,那就要设计尽量快的信号传输方案,减少这种时间延迟。第二项变频器的减速制动执行力,这需要熟悉变频器手册的专家来告诉你,哪一种执行力更好。方案取决于如何减少时间延迟(响应)和如何提高变频器减速与制动的执行力(精度)。

双编码器闭环的方案,如果再加上矢量变频控制,安装在变频电机上的速度编码器信号进矢量变频,提高变频器加减速的控制执行力;安装在机械传动末端的位置编码器信号进PLC,可以提高位置控制精度与位置到位响应。

回到本文开头提出的问题,有人说"变频电机做不好定位,要换同步伺服电机去做“,那是因为只用了一个编码器,想当然的与同步伺服电机去比较,而变频电机是异步驱动的,位置环不在电机上,是在”外环“上。

事实上,即使去换了同步伺服电机,双编码器闭环方案同样适用于较大功率的同步伺服电机控制,如果用较大力矩输出的减速机,减速机损失的精度与响应的问题同样存在,在低速负载端加装第二编码器(位置编码器)同样的有必要。

展会上出现的低速端加装第二编码器的伺服控制系统。

五、多电机同步控制问题,是位置同步而不是速度同步

在上面的讨论中,我们已经知道变频电机是异步电机,速度环与位置环的控制是各自独立的,需要两个不同位置的编码器做反馈。多电机的“同步”问题,需要先搞明白,用户的题目要求:究竟是速度同步?还是位置同步?这是两种不同的控制策略,它们的“同步”效果是不一样的。而实际上大部分的多电机同步问题是位置同步要求,也就是电机角位移同步。当计算时分割的每个时间段以及累加的时间段,多个电机的角位移始终控制在一个偏差范围内,这就是位置同步。这也就是说,变频电机做同步应该选装第二编码器,也就是位置编码器作同步反馈信号。例如,输送带同步,升降机左右同步,变频电机与伺服电机的动作同步。

有关多电机的同步控制,以后会有文章再与大家一起专门讨论。

六、速度编码器与位置编码器的选型注意事项

变频电机的特别性,选型编码器须注意事项:

1,电机功率大,启动瞬间三相电压不平衡较为普遍,瞬间产生偏向磁场的交流感应电流冲击造成编码器的信号干扰与损坏。

2,电机大,驱动力强,启动轴向窜动较大,编码器轴机械冲量损伤。

3,在PLC+变频器+编码器的控制方案中,编码器信号进PLC的传输距离较长。

速度编码器就是增量脉冲编码器,一般以1024PPR的分辨率就足够了。

速度编码器应选用带有反相信号的增量编码器。由于电机启动瞬间的三相不平衡,会在空间产生离心的感应磁场,并对编码器有偏向的双向交流电流耦合干扰与冲击。单极性的直流集电极开路输出模式,其在反向电流截止时能量堆积,难以经受住长期的双向交流感应电流的冲击,较容易损坏。而且信号很容易被干扰,因此变频电机编码器不建议选用集电极开路输出信号的编码器(不建议使用NPN或者PNP型)。

变频电机编码器建议选择双极性的输出模式编码器(A+A-B+B-Z+Z-),对应于双向感应电流都有对0V的输出通道将感应冲击能量转走。没有冲击能量堆积而不太容易损坏编码器电路。同时,编码器的工作电压范围应该较宽,电源应带有反极性保护,信号线带有短路保护,以对应变频电机启动时双向的交流耦合冲击。

增量脉冲信号编码器,输出信号为5--24V的双向的A+A-B+B-,

另外,带有反相信号的双极性信号在双绞线上对于外部感应是共模的,可以在接收端用差分平衡方式消除,信号抗干扰强,也易于较远距离的信号传输。编码器信号传输距离参数应该选至少大于50米,这并不是实际现场也许只有几米就不需要看此参数,而是变频电机用的编码器,信号传输时的抗干扰能力要求比伺服电机高,可查看选用的编码器参数。

有关编码器信号传输电缆的选择,请看我前面的另一篇文章。

有关编码器信号电缆与传输抗干扰的十个问题讨论

位置编码器应选用绝对值多圈编码器。变频电机往往功率较大,现场干扰环境复杂,增量脉冲信号依赖于计数器,很容易计数时被干扰到而误差累加,包括用电池的或者用韦根脉冲计数器的伪绝对多圈计数器型,也很容易圈数计数时被干扰到而出现跳圈位置错误。前面介绍的在风力发电变桨叶双编码器闭环控制上,已有大量的进口品牌电子计圈式伪多圈绝对式编码器,因故障太多而被换了下来。因此,变频电机(异步伺服控制)应该选用机械齿轮箱式绝对值多圈编码器。如果编码器信号直接进变频器,一般以SSI信号进变频器(该变频器要有双编码器闭环方案)。例如,典型的如风力发电的变桨叶控制。如果是进PLC,或者以总线信号、以太网信号进PLC,例如Canopen、profibus-DP、profinet

总线型以太网EtherCat信号由于有同步时间戳特征,可以进PLC也可以进电机驱动器,在做多电机同步控制的效果最佳,尤其是不同类型的电机同步控制,例如变频电机与伺服电机的同步动作,可提高多电机同步联动的效率。


下一篇