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【摘 要】八一钢铁股份公司冷轧厂彩涂、镀锌生产线电气传动控制均采用了SIEMENS公司6SE70系列矢量变频器。本文简单介绍了矢量控制的基本原理，介绍了异步电机三相交流绕组物理模型等效为直流电机的物理模型的过程，并针对矢量控制浅析了6SE70系列变频器的控制模型结构。
【关键词】矢量；变频器；控制模型结构
1.前言
直流电动机动态性能好、调节范围宽广，便于实现控制，异步交流电机与直流电机相比较结构简单、造价低、易于维护，所以很早人们就想象控制直流电机一样去控制交流电机。异步交流电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，通过传统的单变量、线性控制很难实现对其精确控制，针对此情况，许多专家学者对此进行潜心的研究，形成了现已得到普遍应用的矢量控制变频调速系统。
2.矢量控制通过坐标转换完成电机绕组物理模型的等效
2.1 矢量控制的原理
直流电动机的磁通Φ和电枢电流Ia可以独立进行控制，是一种典型的解耦控制，异步电动机的矢量控制就是仿照直流电动机的控制方式，把定子电流的磁场分量和转矩分量解耦开来，分别加以控制。这种解耦实际上是把异步电动机的物理模型设法等效变换成类似于直流电动机的模式，这种等效变换是借助于坐标变换来完成的，等效的原则是，在不同坐标系下电动机模型所产生的磁动势相同。
2.2 异步电机三相交流绕组物理模型等效为直流电机的物理模型
2.2.1 三相交流绕组等效为两相交流绕组
交流电机三相对称的静止绕组A、B、C通以三相平衡的正弦电流iA、iB、iC时所产生的合成磁势是旋转磁动势F，它在空间呈正弦分布，并以同步转速ω1，顺A-B-C相序旋转，其模型如图1（a）所示。产生同样的旋转磁动势并不一定非要三相，如图1（b）所示，两个互相垂直的静止绕组α和β通入两相对称电流可以产生相同的旋转磁动势F，由此可见 iα、iβ和iA、iB、iC之间存在某种确定的换算关系，通过这种换算关系可以完成三相静止坐标系A、B、C轴系到两相静止坐标系α、β轴系之间的坐标变换。
2.2.2两相交流绕组等效为直流旋转绕组
如图1（c）所示，在两个匝数相等且互相垂直的绕组M和T，其中分别通以直流电流im和it，也可以产生与图1（b）相同的合成磁动势F，显然im、it和iα、iβ之间存在着确定的变换关系，通过这种变换关系可以完成α、β两相静止坐标系到M和T两相旋转坐标系之间的坐标变换，如果人为控制磁通Φ的位置在M轴上，就等效出直流电动机物理模型，绕组M相当于励磁绕组，T相当于伪静止的电枢绕组。
结论：通过以上分析，经过坐标变换，求出iA、iB、iC与iα、iβ和im、it之间的准确关系，这就将异步电动机等效成直流电动机，模仿直流电动机的控制方法，求得等效直流电动机的控制量，再经过相应的反变换，就可以按控制直流电动机的方式控制异步电动机了。
2.3在功率不变条件下的坐标变换阵
坐标变换的总原则是：变换前后功率不变。
2.3.1 三相/两相变换（3/2）
由图2所示，当进行三相/两相变换时，三相总磁动势应和两项总磁动势相等，即两相绕组瞬时总磁动势在α、β轴上的投影应该相等，所以有如下计算公式：
將两相静止坐标系α、β和二相旋转坐标系M和T画在一起分析如图3所示。图中，静止坐标系的二相交流电流iα、iβ和旋转坐标系的二个直流电流im、it产生同样的以同步转速ω1旋转的合成磁动势F1。为了便于分析，假定各绕组匝数都相等，可以消去磁动势中的绕组匝数，而直接标上电流，例如合成磁动势F1可直接标成i1。图3中，M轴、T轴和矢量i1都以ω1转速旋转，因此分量im、it的大小不变，相当于M、T绕组的直流磁动势。但α轴和β轴是静止的，α轴和M轴的夹角ψ随时间而变化，因此，i1 在α轴和β轴上的分量iα、iβ的大小也随时间变化，相当于α，β绕组交流磁动势的瞬时值。
2.3.3直角坐标/极坐标变换（K/P变换）
3. Siemens公司6SE70系列矢量变频器的控制模型结构
3.1 八钢冷轧厂镀锌线的传动基本配置
八钢冷轧厂镀锌线的传动采用了带编码器反馈的矢量控制，基本配置：采用公用直流母线，由一台整流单元供电，下带多个逆变单元，在逆变器箱体中安装有CBP2通讯板、CUVC矢量控制板。由CBP2通讯板通过Profibus DP网络接收PLC的指令，将控制指令传到CUVC矢量控制板，所有的矢量控制均在CUVC板中完成。在变频器控制过程中应用了大量的数字控制，其控制精度高、调试方式灵活、设置参数较多。
3.2 6SE70 系列矢量变频器的简化控制模型
如图4所示， 6SE70系列矢量变频器的控制内容与本文第二章节是一致的，经历了坐标变换及等效过程，它的控制所需参数也是im、it来展开的，下面分析一下它的特点。
3.2.1等效励磁控制环节
从本文第二章节的知识可知，im相当于直流调速系统的励磁电流，所以系统必须尽量保证im的恒定。在图4中，我们通过分析可以看出励磁磁通是根据电机铭牌的参数，经过变频器内的数学模型描出励磁磁通曲线，并通过特定的曲线函数发生器变换成励磁电流给定值isd。为了保证im的稳定，系统引用了负反馈来协调，其负反馈的反馈值是运用检测到的实际定子电流通过专门的数学模型计算出来的。im的控制其根本分为给定励磁环节，励磁调节器，励磁负反馈环节等三大核心部分组成。
3.2.2 转矩控制环节
it相当于直流调速系统中的电枢电流， 它也同样引用了负反馈，其控制过程和作用与im类似。首先，速度给定与速度反馈经过速度调节器的运算，其速度调节器的输出经过变换提供了电流调节器的给定输入isq，它与电流分量中的电枢负反馈的值相作用经过电流调节器的运算，得到电枢电流it。 3.2.3 滑差补偿环节
通过了解前面的矢量控制的基本知识，可以知道，我们的im， it的控制方程是建立在转子磁场定向的基础上的，im、it的精度很大程度上决定了控制系统品质的好坏。也就是说，M，T坐标系的转子磁场定向是关键，它的定位是否精确是控制系统动态品质好坏的核心。它可分为间接观测和直接观测。理论上直接观测应该比较准确，但实际上埋设在电机里的测量元件受到的干扰太大，埋设也不方便，不宜推广。所以多采用间接观测的方法，即检测出定子电压，电流和转速等容易测得的物理量，利用转子磁链的观测模型，实时计算转子磁链的幅值和相位。SIEMENS公司6SE70系列就是采用间接观测法进行控制的。
由于间接观测法的转子磁链观测模型依赖于电机参数，而影响电机参数的因素多而复杂，这也是间接观测法的主要缺点。那么6SE70是怎么解决的呢？它提供了滑差补偿环节。滑差补偿环节由三部分组成：电流模型，电压模型，及电流、电压选擇模型。它的主要作用是补偿由于电机实际运行参数与铭牌参数之间有误差。如下所述：
（1）电流模型是在电机低速时起作用的。由于电机在低速状态，频率低，输出的定子电压也低，由此产生的线圈电阻的压降和干扰电压等对电机控制影响很大，所以在低速时一般用电流量来计算滑差补偿。
（2）电压模型是在电机高速时起作用的模型。由于电机处于高速状态，频率高，输出的定子电压也高，此时产生的线圈电阻的压降和干扰电压等对电机控制影响不大，此时通过测量电机电压，电流和转速的实际值来计算滑差量，可以大大提高滑差补偿的精度。
（3）滑差电流、电压选择模型起到控制电流模型和电压模型平滑转换的作用，它的好坏直接影响了电机启动阶段的速度动态性和稳定性，尤其是在没有速度编码器反馈的矢量变频调速系统中，影响特别明显。
4.结束语
本文第二章内容介绍了矢量控制的基础知识，为第三章介绍6SE70系列矢量变频器提供理论依据。根据本文第三章所述内容可以看出SIEMENS公司6SE70系列矢量变频器大致可以分为三大主要部分：励磁控制环节，转矩控制环节，滑差补偿控制环节，其它部分基本是对它们的补充，把握这三大部分，可以很清楚地理解它的控制结构，对其它不同公司的同类系统的理解也有一定的帮助。
参考文献：
[1]《通用变频器及其应用》 韩安荣主编 机械工业出版社
[2] Siemens 《矢量大全》
【关键词】矢量；变频器；控制模型结构
1.前言
直流电动机动态性能好、调节范围宽广，便于实现控制，异步交流电机与直流电机相比较结构简单、造价低、易于维护，所以很早人们就想象控制直流电机一样去控制交流电机。异步交流电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，通过传统的单变量、线性控制很难实现对其精确控制，针对此情况，许多专家学者对此进行潜心的研究，形成了现已得到普遍应用的矢量控制变频调速系统。
2.矢量控制通过坐标转换完成电机绕组物理模型的等效
2.1 矢量控制的原理
直流电动机的磁通Φ和电枢电流Ia可以独立进行控制，是一种典型的解耦控制，异步电动机的矢量控制就是仿照直流电动机的控制方式，把定子电流的磁场分量和转矩分量解耦开来，分别加以控制。这种解耦实际上是把异步电动机的物理模型设法等效变换成类似于直流电动机的模式，这种等效变换是借助于坐标变换来完成的，等效的原则是，在不同坐标系下电动机模型所产生的磁动势相同。
2.2 异步电机三相交流绕组物理模型等效为直流电机的物理模型
2.2.1 三相交流绕组等效为两相交流绕组
交流电机三相对称的静止绕组A、B、C通以三相平衡的正弦电流iA、iB、iC时所产生的合成磁势是旋转磁动势F，它在空间呈正弦分布，并以同步转速ω1，顺A-B-C相序旋转，其模型如图1（a）所示。产生同样的旋转磁动势并不一定非要三相，如图1（b）所示，两个互相垂直的静止绕组α和β通入两相对称电流可以产生相同的旋转磁动势F，由此可见 iα、iβ和iA、iB、iC之间存在某种确定的换算关系，通过这种换算关系可以完成三相静止坐标系A、B、C轴系到两相静止坐标系α、β轴系之间的坐标变换。
2.2.2两相交流绕组等效为直流旋转绕组
如图1（c）所示，在两个匝数相等且互相垂直的绕组M和T，其中分别通以直流电流im和it，也可以产生与图1（b）相同的合成磁动势F，显然im、it和iα、iβ之间存在着确定的变换关系，通过这种变换关系可以完成α、β两相静止坐标系到M和T两相旋转坐标系之间的坐标变换，如果人为控制磁通Φ的位置在M轴上，就等效出直流电动机物理模型，绕组M相当于励磁绕组，T相当于伪静止的电枢绕组。
结论：通过以上分析，经过坐标变换，求出iA、iB、iC与iα、iβ和im、it之间的准确关系，这就将异步电动机等效成直流电动机，模仿直流电动机的控制方法，求得等效直流电动机的控制量，再经过相应的反变换，就可以按控制直流电动机的方式控制异步电动机了。
2.3在功率不变条件下的坐标变换阵
坐标变换的总原则是：变换前后功率不变。
2.3.1 三相/两相变换（3/2）
由图2所示，当进行三相/两相变换时，三相总磁动势应和两项总磁动势相等，即两相绕组瞬时总磁动势在α、β轴上的投影应该相等，所以有如下计算公式：
將两相静止坐标系α、β和二相旋转坐标系M和T画在一起分析如图3所示。图中，静止坐标系的二相交流电流iα、iβ和旋转坐标系的二个直流电流im、it产生同样的以同步转速ω1旋转的合成磁动势F1。为了便于分析，假定各绕组匝数都相等，可以消去磁动势中的绕组匝数，而直接标上电流，例如合成磁动势F1可直接标成i1。图3中，M轴、T轴和矢量i1都以ω1转速旋转，因此分量im、it的大小不变，相当于M、T绕组的直流磁动势。但α轴和β轴是静止的，α轴和M轴的夹角ψ随时间而变化，因此，i1 在α轴和β轴上的分量iα、iβ的大小也随时间变化，相当于α，β绕组交流磁动势的瞬时值。
2.3.3直角坐标/极坐标变换（K/P变换）
3. Siemens公司6SE70系列矢量变频器的控制模型结构
3.1 八钢冷轧厂镀锌线的传动基本配置
八钢冷轧厂镀锌线的传动采用了带编码器反馈的矢量控制，基本配置：采用公用直流母线，由一台整流单元供电，下带多个逆变单元，在逆变器箱体中安装有CBP2通讯板、CUVC矢量控制板。由CBP2通讯板通过Profibus DP网络接收PLC的指令，将控制指令传到CUVC矢量控制板，所有的矢量控制均在CUVC板中完成。在变频器控制过程中应用了大量的数字控制，其控制精度高、调试方式灵活、设置参数较多。
3.2 6SE70 系列矢量变频器的简化控制模型
如图4所示， 6SE70系列矢量变频器的控制内容与本文第二章节是一致的，经历了坐标变换及等效过程，它的控制所需参数也是im、it来展开的，下面分析一下它的特点。
3.2.1等效励磁控制环节
从本文第二章节的知识可知，im相当于直流调速系统的励磁电流，所以系统必须尽量保证im的恒定。在图4中，我们通过分析可以看出励磁磁通是根据电机铭牌的参数，经过变频器内的数学模型描出励磁磁通曲线，并通过特定的曲线函数发生器变换成励磁电流给定值isd。为了保证im的稳定，系统引用了负反馈来协调，其负反馈的反馈值是运用检测到的实际定子电流通过专门的数学模型计算出来的。im的控制其根本分为给定励磁环节，励磁调节器，励磁负反馈环节等三大核心部分组成。
3.2.2 转矩控制环节
it相当于直流调速系统中的电枢电流， 它也同样引用了负反馈，其控制过程和作用与im类似。首先，速度给定与速度反馈经过速度调节器的运算，其速度调节器的输出经过变换提供了电流调节器的给定输入isq，它与电流分量中的电枢负反馈的值相作用经过电流调节器的运算，得到电枢电流it。 3.2.3 滑差补偿环节
通过了解前面的矢量控制的基本知识，可以知道，我们的im， it的控制方程是建立在转子磁场定向的基础上的，im、it的精度很大程度上决定了控制系统品质的好坏。也就是说，M，T坐标系的转子磁场定向是关键，它的定位是否精确是控制系统动态品质好坏的核心。它可分为间接观测和直接观测。理论上直接观测应该比较准确，但实际上埋设在电机里的测量元件受到的干扰太大，埋设也不方便，不宜推广。所以多采用间接观测的方法，即检测出定子电压，电流和转速等容易测得的物理量，利用转子磁链的观测模型，实时计算转子磁链的幅值和相位。SIEMENS公司6SE70系列就是采用间接观测法进行控制的。
由于间接观测法的转子磁链观测模型依赖于电机参数，而影响电机参数的因素多而复杂，这也是间接观测法的主要缺点。那么6SE70是怎么解决的呢？它提供了滑差补偿环节。滑差补偿环节由三部分组成：电流模型，电压模型，及电流、电压选擇模型。它的主要作用是补偿由于电机实际运行参数与铭牌参数之间有误差。如下所述：
（1）电流模型是在电机低速时起作用的。由于电机在低速状态，频率低，输出的定子电压也低，由此产生的线圈电阻的压降和干扰电压等对电机控制影响很大，所以在低速时一般用电流量来计算滑差补偿。
（2）电压模型是在电机高速时起作用的模型。由于电机处于高速状态，频率高，输出的定子电压也高，此时产生的线圈电阻的压降和干扰电压等对电机控制影响不大，此时通过测量电机电压，电流和转速的实际值来计算滑差量，可以大大提高滑差补偿的精度。
（3）滑差电流、电压选择模型起到控制电流模型和电压模型平滑转换的作用，它的好坏直接影响了电机启动阶段的速度动态性和稳定性，尤其是在没有速度编码器反馈的矢量变频调速系统中，影响特别明显。
4.结束语
本文第二章内容介绍了矢量控制的基础知识，为第三章介绍6SE70系列矢量变频器提供理论依据。根据本文第三章所述内容可以看出SIEMENS公司6SE70系列矢量变频器大致可以分为三大主要部分：励磁控制环节，转矩控制环节，滑差补偿控制环节，其它部分基本是对它们的补充，把握这三大部分，可以很清楚地理解它的控制结构，对其它不同公司的同类系统的理解也有一定的帮助。
参考文献：
[1]《通用变频器及其应用》 韩安荣主编 机械工业出版社
[2] Siemens 《矢量大全》