基于Starter平台实现三相异步电动机矢量控制的设计与应用

罗红明

摘  要：文章在电机矢量控制原理基础上，搭建矢量控制数学模型。基于数学模型和Starter平台下，设计异步电机矢量控制实验，利用Starter軟件的trace功能，采集并记录电动机在S120传动装置的矢量控制模式下的动态响应实验数据，以此验证矢量控制生产应用中具备优越的响应能力。

关键词：矢量控制原理;矢量控制数学模型;三相异步电动机;Starter;S120

中图分类号：TM343.2       文献标志码：A         文章编号：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

二十世纪七十年代初，西门子工程师F.Blaschke率先提出三相电机磁场定向控制方法，基于异步电机矢量控制理论解决了交流电机转矩控制问题，为异步电机同样可以达到直流电机控制精度奠定了理论基础。

直流电机维护成本高，圆棒车间为响应降本节能号召且降低维护成本，采用变频器驱动高效节能三相异步电机。为保证设备快速响应，提高生产效率，大部分生产设备电机采用矢量控制模式，其中包含冷床电机、卸料小车电机、排钢链电机等设备。

2 异步电动机的矢量控制

2.1 矢量控制原理

通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。

2.2 变换控制的基本思路

把三相静止坐标系下的定子交流电流，通过3/2 Clark变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流。然后，再把两相静止电流，通过转子磁场定向的旋转变换VR，等效成两相旋转坐标系下的电流即类似于直流机的转矩电流分量和磁场电流分量，这样就实现了解耦控制，加快了系统的响应速度。

最后经过脉宽调制，产生三相交流电去控制电机，以期获得等效于直流电机的响应能力。

2.3 Clarke变换

将基于3轴、2维的定子静止坐标系的各物理量变换到2轴的定子静止坐标系中，这个过程称为Clarke变换。

因Clarke变换将三相绕组上电压回路方程式变换为两相绕组的电压回路方程式，从三相定子a、b、c坐标转化为两相定子α、β坐标，也被称为3/2变换。如图1所示，将电压映射至α、β轴上。

6.4 实验结果

采用Starter软件的控制面板调试功能，设定不同转速，在Timediagram窗口中观察并记录电机实验数据，得到电机转速设定（线1）与反馈（线2）、电流（线3）、转矩（线4）四者综合曲线（图4），反馈的转速带有振荡。

此时PI的设定值分别为P=3，Ti=20ms，通过多次调节PI参数，将P设定为20，Ti=200ms电机降低振荡周期乃至消除，如图5，保证电机稳定运行;图6中，转速设为额定转速之下，转矩与电流成正比，速度设定为额定转速之上时，弱磁升速，转矩与电流成反比，验证了基速之下，电机恒转矩运行，基速之上，电机恒功率运行。而且变频控制参数不同，机械软硬特性表现也不一致，可根据实际需要，调整参数，达到控制最佳需求。

7 结论

矢量控制模式下，让异步电动机的调速效果获得和直流电动机相媲美的高精度和快速响应性能。较于直流电动机，异步电动机的机械结构简单、易维护，转子无碳刷、滑环等电气接触点，降低设备维护成本低。综合上述，采用矢量模式控制三相异步电机驱动设备，成为了生产企业中实现高精度控制设备运行的首选。

参考文献：

[1]胡寿松.自动控制原理[M]（第五版）.北京：科学出版社，2007.

[2]徐清书.SINAMICS S120变频控制系统应用指南[M].北京：机械工业出版社，2014.