楊林果　李哲

【摘 要】八一鋼鐵股份公司冷軋廠彩涂、鍍鋅生產(chǎn)線電氣傳動(dòng)控制均采用了SIEMENS公司6SE70系列矢量變頻器。本文簡(jiǎn)單介紹了矢量控制的基本原理，介紹了異步電機(jī)三相交流繞組物理模型等效為直流電機(jī)的物理模型的過(guò)程，并針對(duì)矢量控制淺析了6SE70系列變頻器的控制模型結(jié)構(gòu)。

【關(guān)鍵詞】矢量；變頻器；控制模型結(jié)構(gòu)

1.前言

直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性能好、調(diào)節(jié)范圍寬廣，便于實(shí)現(xiàn)控制，異步交流電機(jī)與直流電機(jī)相比較結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、易于維護(hù)，所以很早人們就想象控制直流電機(jī)一樣去控制交流電機(jī)。異步交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，通過(guò)傳統(tǒng)的單變量、線性控制很難實(shí)現(xiàn)對(duì)其精確控制，針對(duì)此情況，許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行潛心的研究，形成了現(xiàn)已得到普遍應(yīng)用的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)。

2.矢量控制通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換完成電機(jī)繞組物理模型的等效

2.1 矢量控制的原理

直流電動(dòng)機(jī)的磁通Φ和電樞電流Ia可以獨(dú)立進(jìn)行控制，是一種典型的解耦控制，異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制就是仿照直流電動(dòng)機(jī)的控制方式，把定子電流的磁場(chǎng)分量和轉(zhuǎn)矩分量解耦開(kāi)來(lái)，分別加以控制。這種解耦實(shí)際上是把異步電動(dòng)機(jī)的物理模型設(shè)法等效變換成類(lèi)似于直流電動(dòng)機(jī)的模式，這種等效變換是借助于坐標(biāo)變換來(lái)完成的，等效的原則是，在不同坐標(biāo)系下電動(dòng)機(jī)模型所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相同。

2.2 異步電機(jī)三相交流繞組物理模型等效為直流電機(jī)的物理模型

2.2.1 三相交流繞組等效為兩相交流繞組

交流電機(jī)三相對(duì)稱(chēng)的靜止繞組A、B、C通以三相平衡的正弦電流iA、iB、iC時(shí)所產(chǎn)生的合成磁勢(shì)是旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F，它在空間呈正弦分布，并以同步轉(zhuǎn)速ω1，順A-B-C相序旋轉(zhuǎn)，其模型如圖1（a）所示。產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)并不一定非要三相，如圖1（b）所示，兩個(gè)互相垂直的靜止繞組α和β通入兩相對(duì)稱(chēng)電流可以產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F，由此可見(jiàn) iα、iβ和iA、iB、iC之間存在某種確定的換算關(guān)系，通過(guò)這種換算關(guān)系可以完成三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)、B、C軸系到兩相靜止坐標(biāo)系α、β軸系之間的坐標(biāo)變換。

2.2.2兩相交流繞組等效為直流旋轉(zhuǎn)繞組

如圖1（c）所示，在兩個(gè)匝數(shù)相等且互相垂直的繞組M和T，其中分別通以直流電流im和it，也可以產(chǎn)生與圖1（b）相同的合成磁動(dòng)勢(shì)F，顯然im、it和iα、iβ之間存在著確定的變換關(guān)系，通過(guò)這種變換關(guān)系可以完成α、β兩相靜止坐標(biāo)系到M和T兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換，如果人為控制磁通Φ的位置在M軸上，就等效出直流電動(dòng)機(jī)物理模型，繞組M相當(dāng)于勵(lì)磁繞組，T相當(dāng)于偽靜止的電樞繞組。

結(jié)論：通過(guò)以上分析，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，求出iA、iB、iC與iα、iβ和im、it之間的準(zhǔn)確關(guān)系，這就將異步電動(dòng)機(jī)等效成直流電動(dòng)機(jī)，模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得等效直流電動(dòng)機(jī)的控制量，再經(jīng)過(guò)相應(yīng)的反變換，就可以按控制直流電動(dòng)機(jī)的方式控制異步電動(dòng)機(jī)了。

2.3在功率不變條件下的坐標(biāo)變換陣

坐標(biāo)變換的總原則是：變換前后功率不變。

2.3.1 三相/兩相變換（3/2）

由圖2所示，當(dāng)進(jìn)行三相/兩相變換時(shí)，三相總磁動(dòng)勢(shì)應(yīng)和兩項(xiàng)總磁動(dòng)勢(shì)相等，即兩相繞組瞬時(shí)總磁動(dòng)勢(shì)在α、β軸上的投影應(yīng)該相等，所以有如下計(jì)算公式：

將兩相靜止坐標(biāo)系α、β和二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系M和T畫(huà)在一起分析如圖3所示。圖中，靜止坐標(biāo)系的二相交流電流iα、iβ和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的二個(gè)直流電流im、it產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速ω1旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢(shì)F1。為了便于分析，假定各繞組匝數(shù)都相等，可以消去磁動(dòng)勢(shì)中的繞組匝數(shù)，而直接標(biāo)上電流，例如合成磁動(dòng)勢(shì)F1可直接標(biāo)成i1。圖3中，M軸、T軸和矢量i1都以ω1轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此分量im、it的大小不變，相當(dāng)于M、T繞組的直流磁動(dòng)勢(shì)。但α軸和β軸是靜止的，α軸和M軸的夾角ψ隨時(shí)間而變化，因此，i1 在α軸和β軸上的分量iα、iβ的大小也隨時(shí)間變化，相當(dāng)于α，β繞組交流磁動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值。

2.3.3直角坐標(biāo)/極坐標(biāo)變換（K/P變換）

3. Siemens公司6SE70系列矢量變頻器的控制模型結(jié)構(gòu)

3.1 八鋼冷軋廠鍍鋅線的傳動(dòng)基本配置

八鋼冷軋廠鍍鋅線的傳動(dòng)采用了帶編碼器反饋的矢量控制，基本配置：采用公用直流母線，由一臺(tái)整流單元供電，下帶多個(gè)逆變單元，在逆變器箱體中安裝有CBP2通訊板、CUVC矢量控制板。由CBP2通訊板通過(guò)Profibus DP網(wǎng)絡(luò)接收PLC的指令，將控制指令傳到CUVC矢量控制板，所有的矢量控制均在CUVC板中完成。在變頻器控制過(guò)程中應(yīng)用了大量的數(shù)字控制，其控制精度高、調(diào)試方式靈活、設(shè)置參數(shù)較多。

3.2 6SE70 系列矢量變頻器的簡(jiǎn)化控制模型

如圖4所示， 6SE70系列矢量變頻器的控制內(nèi)容與本文第二章節(jié)是一致的，經(jīng)歷了坐標(biāo)變換及等效過(guò)程，它的控制所需參數(shù)也是im、it來(lái)展開(kāi)的，下面分析一下它的特點(diǎn)。

3.2.1等效勵(lì)磁控制環(huán)節(jié)

從本文第二章節(jié)的知識(shí)可知，im相當(dāng)于直流調(diào)速系統(tǒng)的勵(lì)磁電流，所以系統(tǒng)必須盡量保證im的恒定。在圖4中，我們通過(guò)分析可以看出勵(lì)磁磁通是根據(jù)電機(jī)銘牌的參數(shù)，經(jīng)過(guò)變頻器內(nèi)的數(shù)學(xué)模型描出勵(lì)磁磁通曲線，并通過(guò)特定的曲線函數(shù)發(fā)生器變換成勵(lì)磁電流給定值isd。為了保證im的穩(wěn)定，系統(tǒng)引用了負(fù)反饋來(lái)協(xié)調(diào)，其負(fù)反饋的反饋值是運(yùn)用檢測(cè)到的實(shí)際定子電流通過(guò)專(zhuān)門(mén)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出來(lái)的。im的控制其根本分為給定勵(lì)磁環(huán)節(jié)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，勵(lì)磁負(fù)反饋環(huán)節(jié)等三大核心部分組成。

3.2.2 轉(zhuǎn)矩控制環(huán)節(jié)

it相當(dāng)于直流調(diào)速系統(tǒng)中的電樞電流， 它也同樣引用了負(fù)反饋，其控制過(guò)程和作用與im類(lèi)似。首先，速度給定與速度反饋經(jīng)過(guò)速度調(diào)節(jié)器的運(yùn)算，其速度調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過(guò)變換提供了電流調(diào)節(jié)器的給定輸入isq，它與電流分量中的電樞負(fù)反饋的值相作用經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器的運(yùn)算，得到電樞電流it。

3.2.3 滑差補(bǔ)償環(huán)節(jié)

通過(guò)了解前面的矢量控制的基本知識(shí)，可以知道，我們的im， it的控制方程是建立在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的基礎(chǔ)上的，im、it的精度很大程度上決定了控制系統(tǒng)品質(zhì)的好壞。也就是說(shuō)，M，T坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向是關(guān)鍵，它的定位是否精確是控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)好壞的核心。它可分為間接觀測(cè)和直接觀測(cè)。理論上直接觀測(cè)應(yīng)該比較準(zhǔn)確，但實(shí)際上埋設(shè)在電機(jī)里的測(cè)量元件受到的干擾太大，埋設(shè)也不方便，不宜推廣。所以多采用間接觀測(cè)的方法，即檢測(cè)出定子電壓，電流和轉(zhuǎn)速等容易測(cè)得的物理量，利用轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測(cè)模型，實(shí)時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值和相位。SIEMENS公司6SE70系列就是采用間接觀測(cè)法進(jìn)行控制的。

由于間接觀測(cè)法的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)模型依賴(lài)于電機(jī)參數(shù)，而影響電機(jī)參數(shù)的因素多而復(fù)雜，這也是間接觀測(cè)法的主要缺點(diǎn)。那么6SE70是怎么解決的呢？它提供了滑差補(bǔ)償環(huán)節(jié)。滑差補(bǔ)償環(huán)節(jié)由三部分組成：電流模型，電壓模型，及電流、電壓選擇模型。它的主要作用是補(bǔ)償由于電機(jī)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與銘牌參數(shù)之間有誤差。如下所述：

（1）電流模型是在電機(jī)低速時(shí)起作用的。由于電機(jī)在低速狀態(tài)，頻率低，輸出的定子電壓也低，由此產(chǎn)生的線圈電阻的壓降和干擾電壓等對(duì)電機(jī)控制影響很大，所以在低速時(shí)一般用電流量來(lái)計(jì)算滑差補(bǔ)償。

（2）電壓模型是在電機(jī)高速時(shí)起作用的模型。由于電機(jī)處于高速狀態(tài)，頻率高，輸出的定子電壓也高，此時(shí)產(chǎn)生的線圈電阻的壓降和干擾電壓等對(duì)電機(jī)控制影響不大，此時(shí)通過(guò)測(cè)量電機(jī)電壓，電流和轉(zhuǎn)速的實(shí)際值來(lái)計(jì)算滑差量，可以大大提高滑差補(bǔ)償?shù)木取?/p>

（3）滑差電流、電壓選擇模型起到控制電流模型和電壓模型平滑轉(zhuǎn)換的作用，它的好壞直接影響了電機(jī)啟動(dòng)階段的速度動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)定性，尤其是在沒(méi)有速度編碼器反饋的矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)中，影響特別明顯。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文第二章內(nèi)容介紹了矢量控制的基礎(chǔ)知識(shí)，為第三章介紹6SE70系列矢量變頻器提供理論依據(jù)。根據(jù)本文第三章所述內(nèi)容可以看出SIEMENS公司6SE70系列矢量變頻器大致可以分為三大主要部分：勵(lì)磁控制環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)矩控制環(huán)節(jié)，滑差補(bǔ)償控制環(huán)節(jié)，其它部分基本是對(duì)它們的補(bǔ)充，把握這三大部分，可以很清楚地理解它的控制結(jié)構(gòu)，對(duì)其它不同公司的同類(lèi)系統(tǒng)的理解也有一定的幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]《通用變頻器及其應(yīng)用》 韓安榮主編 機(jī)械工業(yè)出版社

[2] Siemens 《矢量大全》