基于Starter平臺實現三相異步電動機矢量控制的設計與應用

羅紅明

摘 ?要：文章在電機矢量控制原理基礎上，搭建矢量控制數學模型。基于數學模型和Starter平臺下，設計異步電機矢量控制實驗，利用Starter軟件的trace功能，采集并記錄電動機在S120傳動裝置的矢量控制模式下的動態響應實驗數據，以此驗證矢量控制生產應用中具備優越的響應能力。

關鍵詞：矢量控制原理;矢量控制數學模型;三相異步電動機;Starter;S120

中圖分類號：TM343.2 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）01-0024-03

Abstract： In this paper， based on the principle of motor vector control， the mathematical model of vector control is built. Based on the mathematical model and Starter platform， the vector control experiment of induction motor is designed. The trace function of Starter software is used to collect and record the dynamic response experimental data of the motor under the vector control mode of S120 drive device， so as to verify that the vector control has superior response ability in the production and application of vector control.

Keywords： principle of vector control; mathematical model of vector control; three-phase asynchronous motor; Starter; S120

1 概述

二十世紀七十年代初，西門子工程師F.Blaschke率先提出三相電機磁場定向控制方法，基于異步電機矢量控制理論解決了交流電機轉矩控制問題，為異步電機同樣可以達到直流電機控制精度奠定了理論基礎。

直流電機維護成本高，圓棒車間為響應降本節能號召且降低維護成本，采用變頻器驅動高效節能三相異步電機。為保證設備快速響應，提高生產效率，大部分生產設備電機采用矢量控制模式，其中包含冷床電機、卸料小車電機、排鋼鏈電機等設備。

2 異步電動機的矢量控制

2.1 矢量控制原理

通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。

2.2 變換控制的基本思路

把三相靜止坐標系下的定子交流電流，通過3/2 Clark變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流。然后，再把兩相靜止電流，通過轉子磁場定向的旋轉變換VR，等效成兩相旋轉坐標系下的電流即類似于直流機的轉矩電流分量和磁場電流分量，這樣就實現了解耦控制，加快了系統的響應速度。

最后經過脈寬調制，產生三相交流電去控制電機，以期獲得等效于直流電機的響應能力。

2.3 Clarke變換

將基于3軸、2維的定子靜止坐標系的各物理量變換到2軸的定子靜止坐標系中，這個過程稱為Clarke變換。

因Clarke變換將三相繞組上電壓回路方程式變換為兩相繞組的電壓回路方程式，從三相定子a、b、c坐標轉化為兩相定子α、β坐標，也被稱為3/2變換。如圖1所示，將電壓映射至α、β軸上。

6.4 實驗結果

采用Starter軟件的控制面板調試功能，設定不同轉速，在Timediagram窗口中觀察并記錄電機實驗數據，得到電機轉速設定（線1）與反饋（線2）、電流（線3）、轉矩（線4）四者綜合曲線（圖4），反饋的轉速帶有振蕩。

此時PI的設定值分別為P=3，Ti=20ms，通過多次調節PI參數，將P設定為20，Ti=200ms電機降低振蕩周期乃至消除，如圖5，保證電機穩定運行;圖6中，轉速設為額定轉速之下，轉矩與電流成正比，速度設定為額定轉速之上時，弱磁升速，轉矩與電流成反比，驗證了基速之下，電機恒轉矩運行，基速之上，電機恒功率運行。而且變頻控制參數不同，機械軟硬特性表現也不一致，可根據實際需要，調整參數，達到控制最佳需求。

7 結論

矢量控制模式下，讓異步電動機的調速效果獲得和直流電動機相媲美的高精度和快速響應性能。較于直流電動機，異步電動機的機械結構簡單、易維護，轉子無碳刷、滑環等電氣接觸點，降低設備維護成本低。綜合上述，采用矢量模式控制三相異步電機驅動設備，成為了生產企業中實現高精度控制設備運行的首選。

參考文獻：

[1]胡壽松.自動控制原理[M]（第五版）.北京：科學出版社，2007.

[2]徐清書.SINAMICS S120變頻控制系統應用指南[M].北京：機械工業出版社，2014.