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4.4 输出端子勿冷清
4.4.1 状态显示常常用
4.4.1.1 状态输出端子
大部分变频器的多功能输出信号都是晶体管集电极开路输出的，如图4-16所示。主要的应用方式如下。
图4－16 多功能输出端子
（1）继电器方式
即由低压继电器KA接受信号。当输出端子Y1－GND导通时，KA线圈得电，其触点用以控制相关的电路。
为了保护变频器内的输出晶体管，KA线圈的两端应反并联一个二极管VD，为线圈在断电时的反电动势提供释放回路。
（2）光耦方式
即由光电耦合管VB的二极管接受信号。当输出端子Y2－GND或Y3－GND导通时，VB的二极管部分得到电流，其三极管部分用以控制相关的电路。
可供选择的状态输出功能有:
·变频器准备就绪
当变频器的各项准备工作都已经准备就绪，电动机可以起动时，端子为“ON”。
·变频器运行中
当变频器正在运行时，端子为“ON”。
·零转速运行中
变频器的输出频率为0Hz，但输出电压不为0，电动机仍保持足够大的转矩时，端子为“ON”。
·程序运行中
变频器在程序控制的运行过程中，端子为“ON”。
·程序运行一个周期结束信号
变频器处于程序控制方式，每一个运行周期结束时，端子为“ON”。
·程序运行换步信号
变频器在每个程序段结束，转入下一步时，端子为“ON”。
·程序运行结束
程序控制全部结束时，端子为“ON”。
·定时器到达
变频器内部定时器的指定值到达时，端子为“ON”。
·设定计数值到达
变频器内部计数器的指定值到达时，端子为“ON”。
·过载预置报警
变频器已经处于过载状态，但尚未跳闸时，端子“ON”。
·外部故障停机
变频器因外部故障而停机时，端子为“ON”。
4.4.1.2 应用实例
某起升机构，希望显示“零速运行”和“停止”，以及“上升”和“下降”，变频器为安川G7A系列。
根据上述用户要求，这里提供一个参考电路，如图4－17所示。
由于G7A系列变频器的多功能输出中，只有“运行中”的信号，没有停止中的信号;只有“反转中”信号，没有正转中信号。所以，借助中间继电器的动合（常开）触点和动断（常闭）触点来区分。图中，KA1为“运行中”继电器，KA2为“反转中”继电器。
将功能码H2－02预置为“0”，则输出端子P1－PC间在变频器运行过程中导通;
将功能码H2－03预置为“1A”，则输出端子P2－PC间在反转运行时导通;
将功能码H2－04预置为“1”，则输出端子P3－C3间在变频器零速运行时导通;
变频器在停机状态下，输出端子P1无信号，继电器KA1断电，发光二极管VH2点亮，显示“停机”;
当变频器运行时，P1－PC导通，KA1得电，其动断触点使VH1熄灭，动合触点闭合。如正在上升（正转），则P2无信号，继电器KA2断电，其动断触点使VH4点亮;如正在下降（反转），则P2－PC导通，KA2得电，动断触点断开，VH4熄灭;动合触点闭合，VH3点亮;
当变频器处于零速运行状态时，P3－C3导通，VH1点亮。
图4－17 多功能输出的应用实例
4.4.2 频率检测灵活用
4.4.2.1 频率到达与频率检测
两种功能都是说明变频器的输出频率是否到达某一水平的信号。但在“到达频率”的设定方式上则有所区别，说明如下。
（1）频率到达 指变频器的输出频率fX是否已经到达由给定信号给定的频率fG，如图4－18（a）所示。图中，Δf为允许误差范围。当fX≥fG±Δf时，输出端子（如Y1）将处于“ON”（导通）状态;当fX≤fG±Δf时，端子Y1处于“OFF”（截止）状态。
（2）频率检测 频率检测与频率到达的区别主要有二。
●频率检测并非以给定频率作为检测的依据，而可以任意设定一个频率值fset作为检测的依据。当fX到达fset时，输出端子（如Y1）将处于“ON”（导通）状态，如图4－18（b）所示。
●当fX从fset下降时，可以预置一个滞后频率fh，当fX≤fG－fh时，端子Y1处于“OFF”（截止）状态。
图4－18 频率到达与频率检测
4.4.2.2 应用示例
搅拌机与传输带之间实现联动时，为了防止物料在传输带上堆积，要求:
（1）传输带工作频率大于30Hz时，搅拌机才能起动;
（2）如传输带工作频率小于25Hz，搅拌机必须停机。
搅拌机与传输带之间的联动关系如图4－19（b）所示。
图4－19 搅拌机与传输带联动控制
M1—拖动搅拌机的电动机;
UF1—控制M1的变频器;
M2—拖动传输带的电动机;
UF2—控制M2的变频器;
KA—控制UF1是否运行的继电器，其动作由UF2的Y2输出端控制。
将变频器UF2的Y2输出端的功能预置为“频率检测”，并将检测频率fset预置为30Hz，滞后频率fh预置为5Hz，则Y2的输出信号如图4-19(a)所示，系统的工作情况如下:
当UF2的输出频率上升至30Hz以上时，Y2导通，继电器KA得电，其动合触点闭合，UF1开始起动;如果UF2的输出频率下降到（30－5＝25）Hz以下时，Y2截止，KA断电，UF1降速并停止。
4.5 闭环控制P、I
4.5.1 自动调整用闭环
4.5.1.1 闭环控制的目的
以空气压缩机的恒压控制系统为例，如图4－20所示。其基本工作过程是:电动机拖动空气压缩机旋转，使之产生压缩空气，并储存于储气罐中。储气罐中空气压力的大小取决于空气压缩机产生压缩空气的能力（在本系统中，就是取决于电动机的转速nM）和用户用气量之间的平衡状况。
为了保证供气质量，要求储气罐的空气压力稳定在某一个数值上。这个数值，是我们的控制目标，称之为目标压力，用pT表示。
恒压控制对拖动系统的具体要求是:
当用户的用气量增加，储气罐内的实际压力pX小于目标压力pT时，要求电动机加速，使储气罐内的压力上升至目标值，如图4－20（a）所示。
图4－20 闭环控制的目的
反之，当用户的用气量减少，储气罐内的实际压力pX大于目标压力pT时，要求电动机减速，使储气罐内的压力下降至目标值，如图4－20(b)所示。
图4－21 目标信号与反馈信号
这就是闭环控制所要达到的目的。
4.5.1.2 目标信号和反馈信号
如图4－21，与目标压力对应的电信号，称为目标信号，用XT表示。在变频器中，XT也称为目标值或给定值。
与储气罐内的实际压力对应的电信号，称为反馈信号，由压力传感器测出，用XF表示。在变频器中，XF也称反馈量或当前值。
在恒压控制系统中，要求XF永远无限接近于XT:XF≈XT。
4.5.1.3 恒压控制的工作过程
要使拖动系统中的某一个物理量（例如压力）稳定在所希望的数值上，变频器的工作过程具有两个方面。
一方面，系统将根据给定的目标信号来控制电动机的运行;
另一方面，又必须把反馈信号反馈给变频器，使之与目标信号不断地进行比较，并根据比较结果来实时地调整电动机的转速。
仍以空气压缩机的恒压控制系统为例，如图4－22所示。
图4－22 闭环控制系统示意图
（1）闭环控制的信号安排
·目标信号
在图中，目标信号由电位器RP根据需要人为地给定，接至变频器的给定输入端VI1。
·反馈信号
通过传感器SP测得，接至变频器的反馈输入端II。
（2） 闭环控制的工作过程
·空气压力pX不足→XF＜XT→（XT－XF）＞0
→变频器的输出频率fX↑
→电动机的转速nX↑
→空气压力pX↑，直至pX与目标压力pT相等为止;
·空气压力pX过大→XF＞XT→（XT－XF）＜0
→变频器的输出频率fX↓
→电动机的转速nX↓
→空气压力pX↓，直至pX与目标压力pT相等为止。
4.5.2 又快又稳PID搬
4.5.2.1 问题的提出
变频器的输出频率fX既然取决于目标信号XT和反馈信号XF之间的偏差ΔX＝（XT－XF）。那么，能否直接把偏差ΔX直接作为频率给定信号XG呢？
如上述，闭环控制的目的是使XF≈XT，或ΔX≈0。如果XG＝ΔX≈0，则变频器的输出频率必下降为fX≈0，如图4－23所示，空气压缩机将停止运转。显然，这将不可能使储气罐的压力保持稳定。于是出现了明显的矛盾。
图4－23 出现的问题
图4－24 引入比例增益
一方面，要求频率给定信号XG与偏差信号ΔX成正比;另一方面，偏差信号ΔX又不能直接作为频率给定信号XG。
4.5.2.2 比例增益的引入
根据频率给定信号XG与差值ΔX成正比的特点，如果将偏差信号ΔX放大KP倍后再作为频率给定信号XG，如图4－24所示。
即:XG＝KPΔX＝KP（XT－XF） （4－1）
式中:XG─变频器的频率给定信号;
KP─比例增益（放大倍数）
XT─目标信号;
XF─反馈信号;
ΔX—偏差信号。
则:当电动机以某一转速nX运行，其对应的频率和给定信号分别是fX和XG时，有:
（4－2）
由式（4－2）知，比例增益越大，则偏差ΔX越小，储气罐内的压力越接近于目标值，如表4－3所示。
4.5.2.3 比例环节存在的问题
（1）比例增益KP的大小，一方面决定了实际压力接近目标压力的快慢和偏差的大小，如图4-25（b）所示;另一方面，KP越大，虽然可使偏差ΔX迅速减小，但ΔX不能消除。就是说，实际压力将不可能达到目标压力，如表4-3所示。
表4-3 比例增益与静差的关系
（2）当实际压力发生改变，到空气压缩机作出修正之间，存在着若干个时间上的滞后环节，如:传感器测出压力变化并转换成电信号的环节、变频器得到反馈信号的变化到调整输出频率的环节、电动机的转速调整环节，以及储气罐内的压力变化环节等。当比例增益很大时，储气罐内的压力将很快地调整到目标压力，但滞后环节却不能迅速地“跟上”，等到滞后环节跟上来了，实际压力却“调过了头”，发生超调。于是又反方向调整，……。如此反复调整，导致系统的振荡，如图4－25（b）中之曲线②所示。
图4－25 P调节及其结果
4.5.2.4 积分与微分环节的引入
（1） 比例积分环节
为了防止超调，可以适当减小比例增益KP，而增加积分环节，使频率给定信号为:
（4－3）
如图4－26（a）所示。
KP减小后，减缓了实际压力接近目标压力的速度，避免了振荡。同时，只要有偏差存在，积分就不会停止，直到偏差等于0为止，从而有效地消除了偏差，如图4-26（b）所示。
图4－26 PI调节及其结果
（2） 比例微分环节
对于某些容易发生振荡的系统，KP只能设定得小一些，于是又会发生当用气量急剧变化时，被控量（压力）难以迅速恢复的情况。微分控制是根据偏差变化率 
的大小，提前给出一个相应的调节动作:
（4－4）
如图4－27（a）所示。
图4－27 PD调节及其结果
PD调节的结果，缩短了调节时间，如图4－27（b）所示。
（3）PID调节
把比例、积分和微分环节结合起来，如图4-28（a）所示。其结果是：
图4－28 PID调节及其结果
一方面，能够有效地消除偏差，得到较好的静态控制指标;
另一方面，又能在偏差出现时，使系统迅速地恢复到目标值，从而得到较好的动态控制指标，如图4-28（b）所示。
4.5.2.5 比例带的概念
比例增益的倒数，称为比例带:
（4－5）
式中:P—比例带。
比例带的物理意义，是在上、下限都相等的前提下，按比例放大的区域。
由式（4－5）知，比例带P越小，则比例增益KP越大。
4.5.2.6 PID有效后变频器功能的变化
当PID功能有效时，变频器功能的主要变化如下。
（1）给定信号
不论是键盘给定，或是外接给定，所给定的信号不再是频率给定信号，而是目标值给定信号XT。
（2）加、减速时间
当PID功能有效时，变频器所预置的加速时间和减速时间都不再起作用。其速度的改变仅仅根据P、I、D的运算结果来决定。
（3）显示内容
当PID功能有效时，显示屏上显示的目标信号和反馈信号都是百分数。
4.5.2.7 PID的工作过程
图4－29所示是变频调速恒压供气系统在正常工况下的PID调节过程。
图4－29（a）所示是用户用气量Q的变化情形;
图4－29（b）所示是储气罐的压力p（与之对应的反馈量是XF）的变化情形，由于PID调节的结果，它的变化是很小的;图4－29（c）所示是用气量Q发生变化（从而储气罐的压力也变化）时，PID的调节量ΔPID，调节量ΔPID只是在压力反馈量XF与目标值XT之间有偏差时才出现。在无偏差的情况下，ΔPID＝0;图4－29（d）所示是变频器输出频率fX和电动机转速nX的变化情形。具体工作过程如下。
（1）稳态运行
用户的用气量无变化时，气压p稳定而无变化，反馈信号与目标信号相等（XF＝XT），PID的调节量ΔPID为0，电动机在频率fX下匀速运行，如图4－29中之0～t1段;
（2）用气量增加
当用气量增大时，储气罐的压力p有所下降，反馈信号XF减小，偏差信号（XT－XF）则增大，PID产生正的调节量（ΔPID为“＋”），变频器的输出频率fX和电动机的转速nX上升，压力回复，如图4－29中之t1～t2段。
当压力p由于电动机转速的升高而恢复到目标值时，PID的调节量减小为0（ΔPID＝0），变频器的输出频率fX和电动机的转速nX不再上升，储气罐的压力在新的平衡状态（QG＝QU）下稳定运行，如图4－29中之t2～t3段。
（3）用气量减小
当用气量减少时，储气罐的压力上升，反馈信号XF增大，偏差信号（XT－XF）则减小，PID产生负的调节量（ΔPID为“－”）。结果是变频器的输出频率fX和电动机的转速nX下降，压力又开始回复，如图4－29中之t3～t4段。
图4－29 恒压供水的正常工况
当压力大小由于电动机转速的降低而重又回复到目标值时，系统恢复稳定运行，如图4－29中t4以后的情形。
4.5.3 目标要由量程判
4.5.3.1 传感器的接线
传感器是各种物理量的检测装置，其任务是将被控量转换成电压信号或电流信号。
以压力传感器为例，其接线方法如图4－30所示，图4－30（a）是电压输出型，其输出电压与被测压力成正比，通常是1～5Ｖ或0～5Ｖ。图4－30（b）是电流输出型，其输出电流与被测压力成正比，通常是4～20mA或0～20mA。
图4－30 压力传感器接线图
4.5.3.2 反馈信号的接入
图4－31 空气压缩机变频调速系统图
以空气压缩机为例，接线方法如图4－31所示，其被控量是储气罐的空气压力，SP是压力传感器。由于该变频器并未配置＋24V的电源，故外接一个直流电源。接法如下:
SP的红线接至电源“＋”端;黑线接至变频器的电流信号输入端II，变频器的GND端接至电源的“－”端。这样，与被测压力成正比的电流信号，就从II端进入变频器，变频器就得到了压力反馈信号。
有的变频器为用户提供了24V的直流电源，接线就比较简单一些。
4.5.3.3 目标信号的确定
因为目标信号和反馈信号常常并不是同一种物理量，难以直接进行比较。所以，大多数变频器的目标信号和反馈信号都用传感器（SP）量程的百分数来表示。
例如，要求储气罐内的空气压力保持为0.6MPa，传感器的输出信号为4～20mA的电流信号，则:
当SP的量程为0～1Mpa时，与0.6Mpa对应的百分数为60％，对应的信号电流为:
XT＝4＋（20－4）×0.6
＝13.6mA
目标值定为60％，如图4－32（a）所示。
当SP的量程为0～5Mpa时，与0.6Mpa对应的百分数为12％，对应的信号电流为:
XT＝4＋（20－4）×0.12
＝5.92mA
目标值定为12％，如图4－32（b）所示。
图4－32 确定目标信号
4.5.4 控制逻辑分正反
4.5.4.1 负反馈
以图4－33（a）所示的空气压缩机恒压控制为例，当压力pX由于用气量增大而低于目标压力pT时，反馈信号下降（XF↓），要求变频器的输出频率上升（fX↑），以提高电动机的转速（nX↑），使储气罐内的压力保持恒定。
这种反馈量的变化趋势与变频器输出频率的变化趋势相反的控制方式，称为负反馈，如图4－33（b）所示。
由于闭环控制中，负反馈控制较多，故有的变频器把这种控制逻辑称为正逻辑。
4.5.4.2 正反馈
以图4－34（a）所示的房间恒温控制为例，当室内温度高于目标温度（θX＞θT）时，反馈信号上升（XF↑），要求变频器的输出频率也上升（fX↑），以提高电动机的转速（nX↑），加大冷空气吹入室内的风量，使室内温度保持恒定。
这种反馈量的变化趋势与变频器输出频率的变化趋势相同的控制方式，称为正反馈，如图4－34（b）所示。
图4－33 负反馈控制
有的变频器把这种控制逻辑称为负逻辑。
图4－34 正反馈控制
图4－35 电动机的起动控制
4.5.5 起动过程应减慢
某些拖动系统在刚起动时，反馈信号为“0”。和目标信号之间的偏差值ΔX很大，积分运算的结果迅速到达上限值，出现了积分饱和现象，使PID调节在一段时间内失去作用。结果，电动机将很快升速，有可能导致因过电流而跳闸。针对这种情况，处理方法有以下几种:
4.5.5.1在起动过程中切换成开环控制
以瓦萨CX系列变频器为例，如图4－35所示。
将端子8（DIA1）预置为“起动/停止”控制端，由继电器KA1控制:KA1闭合时起动，KA1断开时停止。
将端子16（DIB6）预置为“PID有效选择”控制端，由继电器KA2控制:KA2断开，PID功能有效;KA2闭合，PID功能无效。
在外接输出端子中，将端子“21、22、23”预置为“输出频率监控值”（频率到达），则当变频器的输出频率到达预置值后，内部继电器RO1动作。
其工作过程是:起动时，KA1动作，电动机因DIA1得到信号而起动，继电器KA2处于断电状态，其常闭触点使PID功能无效，电动机的起动过程由“加速时间”控制;当电动机已经起动起来，变频器的输出频率到达预置的“监控值”时，内部继电器RO1动作，输出端子“22－23”闭合，继电器KA2线圈得电，其常闭触点断开，PID功能有效，变频器转为闭环运行。电动机的加、减速由PID调节功能进行控制;同时，继电器KA2的常开触点闭合，使KA2线圈保持通电（自锁）。
4.5.5.2 变频器的PID起动功能
（1）安川CIMR－G7A系列变频器
预置PID加、减速时间:功能码b5－17用于预置“PID指令用加减速时间”。这样，当PID功能有效时，在起动过程中的加、减速时间将由b5－17功能独立决定。
（2）丹佛士VLT5000系列变频器
由功能码439预置“工艺PID起动频率”，则变频器在起动时，将按开环运行方式起动，直至上升到“工艺PID起动频率”后，才自动转为闭环控制。
4.5.6 功能预置把好关
4.5.6.1 需要预置的基本功能
（1）变频器的PID功能是否有效功能
当变频器的PID调节功能有效后，将完全按P、I、D调节的规律运行，其工作特点特点是:
变频器的输出频率（fX）只根据储气罐的实际压力（XF）与目标压力（XT）比较的结果进行调整，所以，频率的大小与被控量（压力）之间并无对应关系;
变频器的输出频率（fX）随时处于调整状态，因此，其显示的数值常不稳定。
（2）目标值的预置
目标信号的输入法有两种。
·键盘给定法
由于目标信号是一个百分数，所以可由键盘直接给定;
·电位器给定法
目标信号由外接的频率给定端输入。但这时，由于变频器已经预置为PID运行方式了，所以，在通过调节电位器来调节目标值时，显示屏上显示的仍是百分数。
（3）逻辑关系的预置
即电动机的转速与被控量的变化趋势。
4.5.6.2 P、I、D的预置
由于P、I、D的取值与系统的惯性大小有很大的关系，因此，很难一次调定。这里，根据笔者的经验，介绍一个大致的调试过程。
首先将D调为0。在许多要求不高的控制系统中，D可以不用。
保持变频器的出厂设定值不变，使系统运行起来，观察其工作情况:
如果在压力下降或上升后难以恢复，说明反应太慢，则应加大比例增益KP，直至比较满意为止;
在增大KP后，虽然反应快了，但却容易在目标值附近波动，说明系统有振荡。则适当减小KP而加大积分时间TI ，直至基本不振荡为止。
总之，在反应太慢时，应调大KP，或减小积分时间;在发生振荡时，应调小KP，或加大积分时间