1　引言　 　高動(dòng)態(tài)響應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)是在保證輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，快速響應(yīng)速度給定量，系統(tǒng)能穩(wěn)定快速跟隨負(fù)載變化，從負(fù)載變動(dòng)等外界急劇干擾引起的過(guò)渡性速度恢復(fù)得快。以前主要采用直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，考慮直流調(diào)速系統(tǒng)的功率，維護(hù)等方面的原因，嘗試采用矢量變頻控制技術(shù)控制異步電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的調(diào)速系統(tǒng)。 　　異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線(xiàn)形、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，通過(guò)坐標(biāo)變換可以實(shí)現(xiàn)在三相交流電機(jī)上模擬直流電機(jī)的控制轉(zhuǎn)矩規(guī)律[1]。矢量控制是以旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為準(zhǔn)則，建立三相交流繞組電流、兩組交流繞組電流和在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)上的正交繞組直流電流之間的等效關(guān)系，來(lái)實(shí)現(xiàn)定子電流的解耦和系統(tǒng)的降階以及線(xiàn)形化。 2　控制策略 　　磁鏈開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)是將采用磁鏈開(kāi)環(huán)控制，避免轉(zhuǎn)子磁鏈反饋信號(hào)的不準(zhǔn)確而對(duì)控制精度的影響，磁場(chǎng)定向由磁鏈和轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)確定，并不用實(shí)際計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈和相位，而是通過(guò)參數(shù)辨識(shí)和自適應(yīng)控制來(lái)間接磁場(chǎng)定向，而轉(zhuǎn)速的控制仍然是閉環(huán)的，這樣繼承了基于異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，又利用了基于異步電機(jī)動(dòng)態(tài)模型的矢量控制規(guī)律，在良好的穩(wěn)定性基礎(chǔ)上大大提高了動(dòng)態(tài)性能，如今在參數(shù)辨識(shí)和自適應(yīng)控制方面做的比較好的變頻器很多，選擇合適的類(lèi)型，控制高性能的異步電機(jī)，通過(guò)一些參數(shù)設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)調(diào)速系統(tǒng)，控制系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。 [align=center] 圖1　磁鏈開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)[/align] 　　根據(jù)這一思想基于西門(mén)子6se70變頻器設(shè)計(jì)了一個(gè)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)，控制一臺(tái)60kw 1ph7系列異步電機(jī)，在空載時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速10%階躍響應(yīng)時(shí)間不大于200ms的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求，在過(guò)渡過(guò)程中系統(tǒng)無(wú)振蕩和超調(diào)量不大于2%。 3　系統(tǒng)組成 　　整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)由一臺(tái)75kw變頻器6se7031-5ef60，加上必要的外圍硬件組成，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)本地和遠(yuǎn)程啟動(dòng)、停止、給定和監(jiān)控等功能。系統(tǒng)選用合適的制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻用來(lái)消耗降速制動(dòng)時(shí)電機(jī)回饋的能量，改善降速過(guò)程的動(dòng)態(tài)性能。異步電機(jī)型號(hào)為1ph7184-2hf300bc0，60kw，主要參數(shù)為:額定速率為1750r/min，最大轉(zhuǎn)速為5000r/min，基頻為59.0hz，額定電流為120.0a，額定電壓為388v，轉(zhuǎn)矩為327n.m，功率系數(shù)cosφ=0.78。電機(jī)自帶冷卻風(fēng)機(jī)、轉(zhuǎn)速編碼器（1024）、溫度傳感器。系統(tǒng)原理框圖見(jiàn)圖2。 [align=center] 圖2　系統(tǒng)原理框圖[/align] 4　系統(tǒng)調(diào)試 　　調(diào)試前對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行電氣檢查，確保所有的電氣線(xiàn)路連接正確可靠，所有的熱過(guò)載保護(hù)都合理設(shè)置;然后上電檢查，確認(rèn)主回路、輔助控制回路都在正常狀態(tài)，冷卻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)向正確。先進(jìn)行簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置，初步檢查整個(gè)系統(tǒng)可以正常工作;然后進(jìn)行專(zhuān)家應(yīng)用參數(shù)設(shè)置，這個(gè)過(guò)程是設(shè)置基本功能，并把電機(jī)參數(shù)輸入變頻器，由變頻器進(jìn)行自整定，獲得電機(jī)參數(shù)。 　　按照6se7031-5ef60說(shuō)明書(shū)要求進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，組合運(yùn)用變頻器內(nèi)部的自由功能模塊，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)/手動(dòng)模擬量給定及計(jì)算機(jī)/手動(dòng)給定選擇、階躍給定、給定和反饋量的模擬量輸出等功能。 　　動(dòng)態(tài)響應(yīng)的參數(shù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)原則是保證系統(tǒng)的機(jī)械特性，獲取最小的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，對(duì)于磁通調(diào)節(jié)器一般采納自整定值，防止不適當(dāng)?shù)男薷挠绊懘磐康慕o定。主要是調(diào)整轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例增益kp和積分時(shí)間，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在自整定過(guò)程中，機(jī)器本身已經(jīng)自動(dòng)寫(xiě)入?yún)?shù)。對(duì)本系統(tǒng)，自整定后系統(tǒng)為自保護(hù)，把上升和下降過(guò)程信號(hào)加一個(gè)0.5s斜坡函數(shù)，并在斜坡函數(shù)加上初始和結(jié)束圓弧時(shí)間均為10s，此時(shí)kp=7.2，積分時(shí)間為400ms，在這種情況下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間是450ms左右，無(wú)超調(diào)量，運(yùn)行穩(wěn)定，但這遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的要求，為追求快速性，取消斜坡函數(shù)，將斜坡函數(shù)的時(shí)間設(shè)定為0，把初始和結(jié)束設(shè)定10ms圓弧時(shí)間用于保護(hù)，然后調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例增益kp和積分時(shí)間。 　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是一個(gè)pi調(diào)節(jié)器，當(dāng)積分時(shí)間一定，加大比例增益kp時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間加快，但超調(diào)量也加大;當(dāng)比例增益kp一定，積分時(shí)間加大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，對(duì)超調(diào)量有所抑制，過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性加強(qiáng)，積分時(shí)間減小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間變小，過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性變差，對(duì)超調(diào)量也沒(méi)有抑制。所以對(duì)比例增益kp和積分時(shí)間要進(jìn)行不斷的比較調(diào)整，獲得與系統(tǒng)匹配的最佳參數(shù)。 參數(shù)調(diào)整如下: p462=0; //取消上升斜坡函數(shù)// p463=0; //加速時(shí)間單位:s// p464=0; //取消下降斜坡函數(shù)// p465=0; //降速時(shí)間單位:s// p469=0.01 ;//給定斜坡函數(shù)初始圓弧時(shí)間// p470=0.01 ;//給定斜坡函數(shù)結(jié)束圓弧時(shí)間// p235=7.2; //轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的增益kp// p240=250 ;//轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間// 　　這些參數(shù)調(diào)整與變頻器、電機(jī)的性能有很大關(guān)系，要進(jìn)行不斷的試湊，測(cè)出系統(tǒng)在不同的參數(shù)的情況下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，最終選出最優(yōu)參數(shù)。 　　在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，用示波器在模擬量輸出端測(cè)量反饋信號(hào)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在使用了除法器功能后，模擬量輸出變成了76ms才變化一次的非連續(xù)值，檢查核對(duì)后，發(fā)現(xiàn)這是西門(mén)子變頻器內(nèi)部自由功能模塊應(yīng)用時(shí)采樣時(shí)間設(shè)定過(guò)高，調(diào)低后輸出波形便呈連續(xù);但為了滿(mǎn)足實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，應(yīng)在輸出通道中減少使用自由功能模塊。 5　系統(tǒng)制動(dòng) 　　當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)處于降速時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，逆變器將發(fā)出的交流電整流成直流電，存儲(chǔ)在電容中，當(dāng)直流母線(xiàn)電壓高于關(guān)機(jī)閾值，變頻器將自動(dòng)關(guān)機(jī)，因此需要合理選擇制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻來(lái)有效消耗直流母線(xiàn)線(xiàn)上的能量。對(duì)于高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的調(diào)速系統(tǒng)，快速制動(dòng)過(guò)程中，制動(dòng)單元必須在短時(shí)間（幾ms～幾十ms）內(nèi)igbt打開(kāi)，由制動(dòng)電阻消耗掉電機(jī)發(fā)出的能量，而且還能滿(mǎn)足反復(fù)制動(dòng)的要求，因此要對(duì)制動(dòng)過(guò)程中發(fā)出的能量進(jìn)行估算，并由此計(jì)算出制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻。參考安川變頻器給出的計(jì)算方法[6][7]，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)修改，獲得符合高動(dòng)態(tài)響應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)的要求的計(jì)算公式。 　　最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩mbmax 　　mbmax=2mrmot （1） 　　其中:mrmot——電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 　　最大制動(dòng)功率pbmax 　　pbmax =mbmax（n1-n2）/9.55 （2） 　　其中:n1——制動(dòng)前轉(zhuǎn)速;n2——制動(dòng)后轉(zhuǎn)速 　　電氣制動(dòng)功率pe1 　　pe1 =ηgear pbmax-k prmot （3） 　　其中:ηgear——機(jī)械效率; prmot——電機(jī)額定功率; k——電動(dòng)機(jī)內(nèi)部損耗預(yù)估系數(shù)（見(jiàn)附表） 一般認(rèn)為機(jī)械損耗可以忽略，ηgear等于1，使得電氣制動(dòng)功率留有余量。 　　制動(dòng)電阻值rb 　　rb≤ub2/ pe1 （4） 　　其中:ub——制動(dòng)單元igbt斬波電壓。 　　對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)變頻器的關(guān)機(jī)閾值為820v，設(shè)定制動(dòng)單元的igbt斬波電壓為730v，按照上面的計(jì)算公式，代入電機(jī)參數(shù)計(jì)算過(guò)程如下: 　　最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 mbmax=2mrmot=2×327=654（n·m） 　　最大制動(dòng)功率 pbmax =mbmax（n1-n2）/9.55=654×5000/9.55=342400（w） 　　電氣制動(dòng)功率 pe1 =ηgear pbmax-k prmot=34240-0.05×60000=312400（w） 　　制動(dòng)電阻值 rb≤ub2/ pe1=7302/312400=1.7058（ω） 　　由于整個(gè)計(jì)算中都是取最大量，根據(jù)實(shí)際的產(chǎn)品情況，取制動(dòng)單元為300kw取制動(dòng)電阻為2ω，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證可以滿(mǎn)足快速制動(dòng)的要求，變頻器不會(huì)發(fā)生過(guò)壓過(guò)流等故障，系統(tǒng)也沒(méi)有出現(xiàn)制動(dòng)沖擊。 [font=黑體][color=#008284]6　動(dòng)態(tài)性能 [/color][/font]　　系統(tǒng)在空載情況下，轉(zhuǎn)速給定信號(hào)從的4000r/min階躍上升到4500r/min，實(shí)際轉(zhuǎn)速變化的過(guò)渡時(shí)間172ms，過(guò)渡過(guò)程超調(diào)量2%，無(wú)振蕩;波形見(jiàn)圖3。 [align=center][img=560,418]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/inv2008-3/zx03.jpg[/img] 圖3　轉(zhuǎn)速上升階躍過(guò)程的給定與反饋曲線(xiàn)[/align] 　　系統(tǒng)在空載情況下，轉(zhuǎn)速給定信號(hào)從的4500r/min階躍下降到4000r/min，實(shí)際轉(zhuǎn)速變化的過(guò)渡時(shí)間144ms，過(guò)渡過(guò)程無(wú)超調(diào)，無(wú)振蕩;波形見(jiàn)圖4。 [align=center][img=550,409]http://www.ca800.com/uploadfile/maga/inv2008-3/zx04.jpg[/img] 圖4　轉(zhuǎn)速下降階躍過(guò)程的給定與反饋曲線(xiàn) [/align] 　　從系統(tǒng)的上升階躍和下降階躍過(guò)程可見(jiàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)很快，并且沒(méi)有出現(xiàn)振蕩和大的超調(diào)，在轉(zhuǎn)速上升時(shí)出現(xiàn)微小的超調(diào)，這在帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)負(fù)載的阻尼效果會(huì)對(duì)此進(jìn)行抑制。轉(zhuǎn)速下降的過(guò)程是一個(gè)制動(dòng)的過(guò)程，此時(shí)制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻工作，使得轉(zhuǎn)速變化平穩(wěn)過(guò)渡，并嘗試了在短時(shí)間內(nèi)多次階躍降速，系統(tǒng)制動(dòng)正常，運(yùn)行平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)壓過(guò)流等故障。 7　結(jié)束語(yǔ) 　　本文主要是對(duì)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行探索，通過(guò)了實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試，得到了在空載情況下穩(wěn)定運(yùn)行的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置和制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻的選擇是系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。今后對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn): （1）對(duì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行仿真分析，以獲得更精確的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，減少反復(fù)試湊的調(diào)試時(shí)間，增加對(duì)磁通調(diào)節(jié)器的研究，探索對(duì)磁通對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。 （2）把變頻器的余量放大，選用大功率的變頻器拖動(dòng)電機(jī)，嘗試到2～2.5倍電機(jī)額定功率，制動(dòng)也可以采用回饋電網(wǎng)的制動(dòng)方式。 （3）對(duì)電機(jī)的選用也進(jìn)行考核，對(duì)異步電機(jī)的快速響應(yīng)性能，機(jī)械特性都要進(jìn)行研究，保證電機(jī)能夠適應(yīng)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的要求。