西门子模块6ES7223-1PL22-0XA8售后无忧
自上世纪80年代末，变频调速技术登上工业传动的历史舞台以来，变频调速技术就以其调速范围宽、调速精度高、工作效率高、控制灵活和使用方便等优点，成为具影响力的工业自动化调速技术。基于该技术发展的变频器一直延续着采用无控或半控器件来进行电网侧的整流，这种模式导致了变频器只能工作在电动状态，无法实现真正的制动，因此这类变频器被称为两象限变频器。两象限变频器的弱点在于无法实现制动回馈，导致电能的浪费；此外功率因数较低，DCBUS上的电流无法形成真正的正弦，间接地造成了电能不必要的浪费。
两象限变频器大的问题就是整流侧的器件无法实现全控，导致无法进行能量回馈操作。因此，高频PWM整流技术孕育而生了。高频PWM整流技术分为直接电流控制PWM整流和间接电流控制PWM整流两种方式，间接PWM整流是依据PWM整流器的稳态电压平衡关系得到的控制方式，具有良好的静态特性，控制简单方便，但是同时由于没有检测输入交流电流，造成动态响应慢、稳态性差。因此，在实际的设计中往往在间接电流PWM整流的基础上增加电压外环，组成双闭环结构，保证动态响应。
1 三相PWM整流器工作原理
1.1 主回路工作模式
三相电压型PWM整流器主回路如图1所示。
图1 三相电压型PWM整流器主回路
当整流器进入稳态工作状态，输出直流电压恒定，整流桥的三相桥臂按正弦的脉宽调制规律驱动。当PWM整流器处于整流状态时，三相交流电源将会通过IGBT或二极管向DC端进行整流。当PWM整流器处于逆变状态，即需要进行能量回馈的时候，DC端电流将会通过IGBT或整流器向电网回馈。
为了讨论三相PWM整流器的整流与逆变过程，采用图2所示的空间电压矢量来描述三相桥臂的开关状态。
图2 空间电压矢量
图2表明，当电网电压信号经过一个周期后，空间电压矢量已经从U1-U5-U4-U6-U2-U3-U1旋转了一周，并且在每个状态的变换中，包含了U0和U7两个状态。结合图2，将三相电流空间坐标定义为如图3所示的状态。
图3 空间电流坐标
我们将U1-U5定义为Ⅰ区域，U5-U4定义为Ⅱ区域，U4-U6定义为Ⅲ区域，U6-U2定义为Ⅳ区域，U2-U3定义为Ⅴ区域，U3-U1定义为Ⅵ区域。各个区域内的电流空间矢量变化共同造就了合成磁势的旋转，从而形成正弦电流。其结果见图4。
图4 合成磁势一周状态
以第Ⅰ区域为例，结合三相电压型PWM整流器来进一步描述三相桥臂的导通与电流流向状况，如图5所示。
图5第Ⅰ区域电流变化与IGBT导通状况
在U1状态时，V4、V6、V5导通，此时电流 由VD4流通，电流由VD6流通，电流 由VD5流通。在状态U2时，V1、V6、V5导通，此时电流 由V1流通，电流 由VD6流通，电流由VD5流通。其他状态可参考相同方式进行分析。由此可见三相PWM整流器的IGBT即使导通电流也不一定会进行流通，这是由于压差造成的，而并联二极管则可配合流通电流。这是三相PWM整流器IGBT工作的大特点。
1.2控制算法原理
从三相PWM整流器的主回路驱动状况可以分析出，开关频率很高时，由于电感的滤波作用，高次谐波电压产生的谐波电流非常小，只考虑电流和电压的基波，整流桥可以看作是一个理想的三相交流电压源。适当的调节控制量的大小和相位，就能控制输入电流的相位，以达到改变功率因数的目的，而控制输入电流的大小以控制传入整流器的能量，也就控制了直流侧电压，可见PWM整流器的控制目标是输入电流和输出电压，而输入电流的控制是整流器控制的关键。输入电流的控制目标是使电流波形为正弦波，且与输入电压同相位。
三相PWM整流器的具体控制思想是通过SVPWM控制超前角，以控制功率因数的调节，在此定义超前角为，因此功率因数在一定范围内可以通过 来控制。DC-BUS侧直流电压可以在一定范围内通过调制深度 来控制。对于PWM控制电路，调制深度和控制器角 可任意设定。其控制原理图如图6所示。
图中整流器采用SVPWM控制，通过调节相位差 和调制深度，可以独立控制功率因数 和直流电压。图中黄色和绿色点画线框，分别为相位控制控制环和电压控制环，只要使用相位控制环就可以使PWM整流器运行，使用直流电压控制环可实现DC-BUS电压恒定，从而实现过电压状态的能量回馈，保证电压恒定。下面来深入分析一下相位和电压控制过程。
（1） 相位控制
相位控制部分也可称为功率因数控制，实质为调节功率因数的大小，保证实现电流与电压的同相位。相位控制环通过检测相电流的基波相位，经低通滤波后得相位角 ，再与指令 比较，并经PI调节器后用于调节PWM调制的相位差，使系统工作在任意的功率因数角下。相位检测的精度对控制特性有很大影响，因此，要求有稳定工作的基波电流相位检测电路。LPF的输出信号电平决定了的控制，一般要附加限幅电路，使限制在之内。
（2） 电压控制
PWM整流器的输出直流电压基本上取决于交流线电压和调制深度 ，并与调制深度基本成反比关系，因此，可以与功率因数分开，独立控制直流电压。从控制特性上考虑，当直流电压需要稳定控制时，必须用到电压控制环，由于直流电压与成反比关系，因此，控制电路对电压控制信号好具有线性关系。而且，闭环控制时，好加调制深度限幅电路，使得调制深度不要小于。
1.3有功无功分解控制
了解到三相PWM整流器的控制原理后，在此基础上进行算法的深入研究。通过控制原理的了解，我们可以发现，PWM整流器的控制目标是输入电流和输出电压，而输入电流的控制是整流器控制的关键。输入电流的控制目标是使电流波形为正弦波且与输入电压同相位。
在PWM整流器控制方法上，将三相交流电流变换成d-q坐标系，从而进行对电流d、q的分量单独控制，这样有功功率和无功功率的单独调节将会十分简便。
2 台达AFE2000能量回馈单元
AFE2000是台达IABU提出的一款与变频器匹配的能量回馈装置，AFE2000采用有功无功电流解耦控制，通过CLARK-PARK变换达到有功和无功的解耦控制，从而实现功率因数调整和能量回馈控制。
能量回馈也分为两种方式，一种为只进行能量回馈，但是无法实现功率因数的改善；另一种为进行能量回馈，同时也进行功率因数的改善。AFE2000属于高层，即可以进行能量回馈，同时也能实现功率因数的改善，且控制参数简便，容易调整。
3 结语
三相PWM整流器因其所具备的功率因数改善和能量回馈等功能，越来越受到广大工程应用人员的青睐。台达AFE2000正是基于三相PWM整流器开发的能量回馈单元，其控制模式简单，功能强大，能同时进行功率因数与DCBUS电压的双重调整，将其与变频器连接后，真正实现了绿色调频的理念，抛弃传统的能耗很高的热能消耗方式，将回生能量充分利用，符合节能、环保、爱地球的理念
引言
微丝在纺织行业中有广泛的应用，微拉属于拉丝机行业，它是新兴的未来发展潜在空间极大的行业。近年来随着人们生活水平的不断提高，对于穿衣的要求也逐渐趋于理性。在体恤、衬衣、毛衣、手套、袜子等衣物中都会用到微丝，以减少电磁辐射和防止静电对人体的影响。该行业在国外已经趋于成熟，但在国内该行业还处于起步阶段，中国是纺织大国，可以预期在不远的将来随着生产关键技术的解决，该产业将会迅速发展。微拉拉出的微丝要能成为成品丝，必须经过退火这一道关键的工序，以去除不锈钢丝的张力。在为客户成功地开发出了微拉机后，紧接着又为客户成功地开发出了退火装置，生产实践表明，开发出的系统运行稳定可靠。以下对开发中的一些关键技术问题作粗略讨论。
微拉机控制相关技术
现在以设备的左右两边各20头的退火一边为例（另一边相同），系统框图如图1所示。系统中的硬件设备选型，如可编程控制器，步进电机、接近开关和开关电源等如表1所示。
对微拉机控制的要求有别于退火控制系统，尽管两个系统有一定的相似之处，退火系统在控制要求方面更加强调排线的效果，因为成品丝目前主要市场是在国外，国外厂家用户对于排线的要求非常高，以保证在倒丝时不会出现叠丝和绕丝的现象，相比之下微拉机则更加注重张力的控制，因此两个控制系统在控制要求谁是有差别的。但它们有相似之处，以往的微拉退火设备在电气传动方面要求比较简单，设备的左右两边一般各10个头，共20个单元。每边只有一套电气设备（收丝、排线），其它全部是机械联动，所以导致在生产过程中，如果有一个头断丝或者出现问题，该单元不能单独停止工作，要停止工作只能20个头或10个头都全部停止，以进行故障处理，排除故障后再启动机器运行，因此影响生产效率。此外不能同时将不同规格的丝进行同时退火，很不灵活，加上机械的磨损，使得排线参差效果不齐，控制效果极差。在这种情况下，设备厂家纷纷要求电气升级，要求做到单头单控，我们用台达工控套件产品开发出了性价比极高的系统。
从图1可见，电气设备的控制由PLC执行。控制中用到的相关术语解释如下：节距，指排线时每两根丝之间的距离,单位为丝；步距角，步进电机每接收一个脉冲所转动的角度，本系统所选KINCO的步进电机,步距角为1.8°,选择4细分。因此步进转动一圈需要800个脉冲，因为步进通过丝杆连接排线装置.丝杆的导程为4mm=400丝,所以1丝对应于两个脉冲。
控制工艺及要求可概括如下：（1）退火速度高达到15m/s以上,退火丝径:1.03-6丝；（2）退火的线速度恒定；（3）启动、停车要平稳，不能断丝；（4）排线要均匀，不能中间高两头低或中间低两头高；（5）斜排量要jingque,启动时排线从右极限开始向左极限运行,当运行至左极限,排线电机立即反向向右极限运行；（6）自动停车的功能,当实际收线的重量大于或等于在人机上设定的重量后,自动停车,同时保证定排线和收线电机同步减速停止，保证张力的恒定,不能断丝；（7）能实时根据材料密度,收线速度,运行时间计算出当前收线的重量,在人机上显示。
技术工艺说明
（1）线速度恒定
退火的速度要求从空芯卷径到满卷卷径的过程中，线速度保持恒定。这是为了保证退火的均匀，同时也使排线比较均匀。为了实现这样的效果，需要实时地计算卷径，其方法是通过每层进行叠加的方式进行，因此在HMI上需要让操作者输入微丝的线径、空芯卷径。当排线从一边排到另一边时，收卷的卷径增加2倍微丝的线径。所以在生产过程中，对排线电机从一端到另一端运行的次数要进行累计，然后将得到的该参数乘以2再加上空芯卷径，就能够实时地算出当前的收卷卷径。因为线速度是在HMI上设定的，在整个生产过程中始终保持恒定，因此可知，随着收卷卷径由小到大变化，收卷电机的转速是逐渐下降的。反应到变频器上就是运行频率是逐渐降低的。
（2）排线要求均匀
排线均匀是为了防止出现叠丝的现象。保证排线均匀的主要要求是排线的速度要随着收卷转速的变化而变化。同时要求跟随性能好，即排线的响应速度要快，一旦收丝电机的转速发生变化了，排线电机要立刻就能作出相应的反应。排线控制与以下因素有关:与收线电机的转速成正比；与线径成正比；与节距成正比。
其计算数学公式可以归纳为
上式中：Kd，排线速度系数，在调试中根据调试效果确定；F收线，收线电机的运行频率； D线径；丝的直径,单位为丝；τ节距，线轴上丝与丝之间的距离,单位为丝。
Kd的调整方法是将F收线、D线径和τ节距都换算成标准单位,因为收线的频率给定是通过模拟量给定的,在做运算时,5000对应50Hz.D线径换算成长度，单位为丝；τ节距换算成标准的长度，单位为丝，通过乘以Kd(0<Kd<=100),除以100得到佳值。在计算排线速度的时候,要考虑PLC允许发送脉冲的高频率，同时排线是通过步进电机控制的，要充分考虑步进电机的特性。高速时容易失步或者堵转,输出转矩小，因此在速度给定时如果频率较高,需要通过程序的方式对步进电机进行加减速的处理，即设定启动频率,高运行频率,加减速时间等参数，使得步进电机从启动频率到高频率加速平滑,减速也作同样处理，类似伺服系统中的平滑指令功能。
（3）排线步进高频率的计算
当收线速度达到大值,线径大,节距大,当线轴为空芯卷径时排线速度高，排线前进后退可通过1丝相应于2个脉冲转换，,因此可以计算出排线电机的高脉冲频率小于10K,PLC完全满足控制要求，KINCO步进电机性能为脉冲频率在2K左右时, 对速度命令的加减速处理的相当平滑,基本上不会出现失步现象。系统启动后, 加减速是通过点动按钮进行加减速的,加减速的过程比较慢并且比较平缓，所以通过公式算出来的N排线本身就是由小到大变化的,随着收线电机频率的升高而逐渐增大，巧妙地避开了步进电机升降速需要平滑的问题。因此不需要在程序中对排线电机进行加减速的处理，使得程序大大简化，只要将Kd调整好，就能保证排线电机速度严格地按照收线电机的速度由小到大或由大到小的变化。
（4）斜排量jingque
斜排量jingque可以保证在放丝时不会出现叠丝和断丝的情况，具体方法是将控制排线电机的脉冲输出接到PLC的高速计数的端子上，进行高速计数，当排线运行到一端时，就可计算出需要发送的脉冲数，这样处理后,可以消除斜排量的累计误差。因为每次排线总是先到极限位置后,然后才按照高速计数的设定值再运行相应的行程，不存在累计误差，同时为了用户能对斜排量进行手动微调,在上述基础上还加上一个可调节变量，该变量可正可负，对算出来的斜排量(以脉冲为单位)加一或减一，以使斜排量更加准确。
系统运行实现
系统运行操作是通过人机界面实现的。通过三个画面可完成是一个单元所有的操作，如图2、图3和图4所示。整个退火设备有20个单元，每个单元在人机界面上都有相同的这三个画面。只不过各元件对应的PLC的站号不同，其它均相同。通信方式采用COM2以RS-485的方式与PLC连接，一个人机可带10台PLC，两个人机共带20台PLC。
结束语
上述微拉机控制系统和退火装置控制系统的开发均采用台达工控套件产品，生产实践表明，开发出的系统运行稳定可靠，受到用户好评，说明台达工控产品是经得起市场考验的。