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西门子变频器大多为电压源型直流母线的PWM变频器（AC-DC-AC），变频器的输入端为整流单元，整流单元通过三相交流电供电，整流单元输出经过直流回路的电容滤波后成为稳定的直流母线电压，输出端的逆变器采用PWM（脉宽调制）方式，将直流母线电压转换成电压和频率都可变的三相交流电，通过改变电压和频率就可以连续而准确地改变所连接的三相电机的速度。直流母线电压的稳定不仅关系到变频器电子开关元器件的寿命，也关系到输出电压和频率的稳定，因此直流母线电压过高或者过低都会输出故障停机。
V dc 控制器通过调节电机速度控制直流母线电压，延缓停机时间。当电源断电时，直流母线就会欠电压，由于电容的存在，直流母线电压会逐渐下降，到达欠电压阈值后输出欠电压故障。当电机运行在发电状态时，变频器回馈式运行，供给直流母线的电能过多，直流母线就会过电压，到达过电压阈值后输出过电压故障。V dc 控制器在使用矢量控制或者V/F控制模式时，是默认激活的，而在伺服控制模式下V dc 控制器是默认不激活的。
V dc 控制器会自动调节直流母线电压，从而避免发生故障，其分为V dc_max 控制器和V dc_min 控制器。两者采用共同的PID调节器，借助动态系数可以单独设置V dc_max 和V dc_min 控制，当变频器工作在V/F控制模式下，其控制功能如图3-61所示。
1. V dc_max 控制器
对于没有回馈能力的电源模块，当电机在制动过程中，可能会导致直流母线电压增大到故障阈值，此时可激活V dc_max 控制器，以避免因直流母线过电压而导致故障停机。
激活V dc_max 控制器后，当直流母线电压达到V dc_max 接通电压后，变频器会通过增加速度设定值从而延长下降时间，消耗直流母线能量如图3-62所示。当一台电源模块为多台电机模块供电时，只能在具有大转动惯量的电机模块上激活V dc_max 控制器，如果在多台电机模块上激活，在参数设置不理想的情况下，可能会使V dc_max 控制器的功能相互冲突，驱动可能会变得不稳定，各驱动可能会不按计划加速。
图3-61 V dc 控制功能图
图3-62 V dc_max 控制器的激活时序
2. V dc_min 控制器
V dc_min 控制器也称为动能缓冲，在出现短暂的电源断电时，可通过控制电机减速，将电机中的动能回馈到直流母线，延缓直流母线电压的下降，从而延迟驱动器报直流母线欠电压故障，以便进行可控的紧急停机或者等待电源恢复。V dc_min 控制器的激活时序如图3-63所示。
图3-63 V dc_min 控制器的激活时序
电源断电后，直流母线电压低于V dc_min 接通电压时，V dc_min 控制激活，此时变频器会控制电机速度不断降低，向直流母线回馈能量，从而调节直流母线电压，使它保持稳定。电源一旦恢复，直流母线电压再次上升，超过V dc_min 接通电压5%后，V dc_min 控制再次失效，电机继续运行。如果电源没有恢复，电机速度会继续降低，一旦达到参数设定阈值，便根据参数设定做出反应。若在时间阈值到达后电源电压没有恢复，会触发故障F07406，在该故障中可以设定所需响应，默认响应为OFF3。
3. 西门子变频器相关参数
在V/F控制模式下，通过参数p1280选择激活相关的V dc 控制器。但在矢量控制模式下，通过参数p1240选择激活相关的V dc 控制器，如图3-64所示。
图3-64 V dc 控制器的激活
▪p1240[0...n]：V dc 控制器或V dc 监控的配置；
▪r1242：V dc_max 控制器的接通电平；
▪p1243[0...n]：V dc_max 控制器的动态系数；
▪p1245[0...n]：V dc_min 控制器的接通电平（动能缓冲）；
▪r1246：V dc_min 控制器的接通电平（动能缓冲）；
▪p1247[0...n]：V dc_min 控制器的动态系数（动能缓冲）；
▪p1250[0...n]：V dc 控制器的比例增益；
▪p1251[0...n]：V dc 控制器的积分时间；
▪p1252[0...n]：V dc 控制器的预调时间；
▪p1254：V dc_max 控制器自动检测接通电平；
▪p1256[0...n]：V dc_min 控制器的响应（动能缓冲）；
▪p1257[0...n]：V dc_min 控制器的速度阈值；
▪r1258 CO：V dc 控制器输出。
V dc 控制器适用于要求平稳运行，对速度要求不高的应用场合，例如大惯量风机，要求停机时不触发过电压故障，可以使能V dc_max 控制器，减速过程中直流母线电压过高时可自动延长斜坡减速时间，或者在一些环保应用场合，要求电源故障时变频器能够不停机以便及时切换备用电源，此时可以使能V dc_min 控制器。
在大多数应用场合时对V dc 控制器应小心使用，因为当激活后变频器并不会按照给定的速度运行，此时负载速度是不可控的，在矢量控制和V/F控制模式下是默认使能，这也是很多应用场合输出速度曲线与给定速度曲线不一致的原因。
PID（Proportion Integration Differentiation比例、积分、微分）调节器的应用非常广泛，PID也是非常经典的控制算法，小到一个芯片的温度控制，大到运载火箭的飞行速度和飞行姿态，都可以使用PID控制。在运动控制中，大量采用了PID控制算法，除了常规的温度、压力、液位、流量等控制外，在张力、位置、速度等控制系统也都采用了PID控制算法。当无法得到被控对象精确的数学模型只能通过经验和现场调试来确定控制系统的参数时，最适合采用PID控制。PID控制示意图如图3-65所示。
图3-65 PID控制示意图
以简单的水箱液位控制系统为例，分别介绍比例调节、积分调节、微分调节的作用及影响。
1. 比例调节
向水箱中注水，假设水箱初始水位为0.2m，目标水位为1.0m，单纯的比例调节算法就是每次加水量为目标水位与当前水位差的比例倍数， U （ t ）= k p gap（ t ）。假设 k p 取0.5，那么第一次加水 t 1 时刻，gap（ t 1 ）=1.0-0.2=0.8，加水量就为 U （1）=0.5×0.8=0.4。下一个时刻 t 2 时，当前水位就是0.2+0.4=0.6，继续加水，加水量就为 U （2）=0.5×（1.0-0.6）=0.2。如此循环下去，就会将水位加到1.0m的目标水位，而 k p 的大小就决定了加水的快慢，也就是会影响系统的响应速度，如图3-66所示。
单纯的比例调节存在不足，它无法消除系统的稳态误差。依然通过上面的例子来说，如果在加水的过程中还存在一个水龙头同时在放水，假设每次加水的过程会放掉0.1m高度的水，还是采用上面的比例调节，当水位加到0.8m时，这一时刻比例调节的输出就为 U （ t ）=0.5×（1.0 -0.8）=0.1m，此时加水量与放水量相同，水箱的水位将不会再变化，无法达到目标的1.0m水位，这就是系统的稳态误差，也称为静态误差。要消除系统的稳态误差就需要引入积分调节。
图3-66 PID控制比例影响
2. 积分调节
U （ t I ）= k i ∫gap（ t ）d t
积分调节会将前面若干次的误差进行累积，所以可以很好地消除稳态误差。通过上面的例子来说，第一次的误差gap（ t 1 ）为0.8，第二次的误差gap（ t 2 ）为0.4，至此累积误差∫gap（ t ）d t =0.8+0.4=1.2，积分调节会将累积误差∫gap（ t ）d t 乘以积分环节系数 k i 叠加到系统输出上。
单纯的比例调节并不会产生超调，因为越靠近目标水位，比例调节的输出就会越小，加入积分调节后，当到达目标水位时，此时积分调节的累积误差最大，即输出最大就会产生超调。
积分时间常数 T I 越大，积分环节系数 k i 就越小，积分控制环节就越不敏感。增大积分时间有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但系统静态误差消除时间会变长，如图3-67所示。
图3-67 PID控制积分的影响
积分控制可以有效地消除系统稳态误差，进一步分析，假设放水量不是固定值而是时刻变化的值，此时系统就不再稳定，需要引入微分控制。
3. 微分调节
微分控制的主要作用就是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化。比例调节和积分调节都是事后调节，即发生误差后才进行调节，而微分调节则是事前预防调节，即一发现输出有变大或变小的趋势，马上输出一个阻止其变化的控制信号。微分常数不能过大，否则会使响应过程提前制动，延长调节时间，很容易引起系统的振荡，因此大多数情况下并不使用，如图3-68所示。
图3-68 PID控制微分的影响
4. PID控制
大多数情况下，PID控制应用在离散系统下，此时PID控制可以简化为
PID控制是一个系统控制过程，其参数整定互相影响，普遍经验总结的结论并不一定完全适用某个具体的系统。例如，通常情况下过大的比例系数会引起系统较大的超调，并产生振荡，但当积分调节出现超调时，增大比例系数也会对超调的抑制更加明显，如图3-69所示。因此，在实际应用中应根据负载不同的特性调整相应的PID参数。
图3-69 PID控制比例积分共同影响
5. 西门子驱动内PID工艺控制器
西门子变频器自带的PID工艺控制器（见图3-70）在运动控制中应用广泛，可以用来控制多种过程数据，如压力、温度、液位和流量等。
备注：同时满足两个条件时，工艺控制器会采用初始值：
▪工艺控制器提供主设定值；
▪工艺控制器的斜坡函数发生器输出端还没有达到初始值。
PID工艺控制器设置的主要参数包括：
▪p2200：工艺控制器使能（出厂设置：0）；
图3-70 PID工艺控制器简化示意图
▪r2294：工艺控制器的输出信号；
▪p2253：工艺控制器设定值1（出厂设置：0）；
▪p2264：工艺控制器实际值（出厂设置：0）；
▪p2257，p2258：工艺控制器的斜升时间和斜降时间（出厂设置：1s）；
▪p2274：工艺控制器的微分时间常数 T d （出厂设置：0.0s）；
▪p2280：工艺控制器的比例增益 K P （出厂设置：1.0）；
▪p2285：工艺控制器的积分时间 T I （出厂设置：30s）。
PID工艺控制器以其结构简单、稳定性好、调试方便、工作可靠等优势在工业控制中得到了广泛应用。有关各参数的详细说明，请参阅相关产品说明书。
在许多应用（如带齿轮电机或传送带的应用）中不能忽视负载的摩擦转矩，摩擦特性曲线可以补偿电机和工作设备产生的摩擦转矩，变频器提供在速度控制器条件下带摩擦转矩的前馈控制转矩设定值的方法，前馈控制根据速度变化降低了速度超调，提高了速度控制器的控制性能，如图3-71所示。
图3-71 带摩擦转矩补偿的转速控制器前馈控制
摩擦特性曲线由10个坐标点加以拟合而成，每个坐标点由速度值和转矩值组成。变频器会根据摩擦特性曲线上10个坐标点的值，在不同的速度下输出相对应的摩擦转矩，如图3-72所示。
图3-72 摩擦特性曲线
西门子驱动器可以自动地记录摩擦特性曲线，步骤如下：
①设置p3845=1：变频器先后在两个旋转方向上使电机加速，并计算正方向和负方向上的测量结果。
②接通电机（ON/OFF1=1）。
③变频器使电机加速。在测量期间，变频器发出报警A07961。当变频器计算出所有摩擦特性曲线上的控制点（无故障代码F07963）时，变频器停止电机。此时已成功记录了摩擦特性曲线。
如果激活了摩擦特性曲线（p3842=1），变频器会将摩擦特性曲线r3841的输出直接添加到转矩设定值上，如图3-73所示。
图3-73 摩擦特性曲线输出转矩
摩擦特性曲线也是运动控制系统中常用的功能，可以通过驱动系统本身计算，或在运动控制器内计算，不管用哪种方式都可以自动计算出负载在不同速度下的摩擦转矩，并将摩擦转矩直接输出至转矩设定值，以提高系统的动态响应性能。