矢量控制系统的组态优化

高性能变频器驱动电动机时当有较高动态特性和较高速度精度要求时，必须采用矢量控制模式，这样才能充分发挥高性能变频器的优点。西门子6SE70系列变频器的有速度传感器的矢量控制系统由设定值通道、速度控制器、转矩电流限幅单元、电流控制器、矢量控制单元和功率单元组成。组态成矢量控制的系统如图5-17所示。单元应针对不同的实际系统要求进行功能设定。

1.设定值通道 设定值通道由速度给定单元和速度反馈单元两部分组成。速度给定单元的设置包括速度主给定、速度附加给定1、速度附加给定2、速度给定的正负限幅、转矩给定的正负限幅、给定积分器的加减速时间及用于转矩前馈控制时的系统起动时间和比例增益。速度反馈单元的设置包括速度传感器类型、脉冲编码器的脉冲数或模拟测速发电机的最大转速值、实际速度滤波时间常数。用速度给定单元进行组态时，需设定的功能码有：主给定P443、附加给定1 P433、附加给定2 P438、速度的正限幅P452和负限幅P453、转矩给定的正限幅P492和负限幅P498、给定积分器的加速时间P462和减速时间P464、用于转矩前馈控制的系统起动时间P116和比例增益P471。用速度反馈单元进行组态时，需设定的功能码有：脉冲编码器脉冲数P151或模拟测速发电机的最大转速值P138、速度传感器的类型P130、实际速度滤波时间常数P216。

2.速度控制器 速度控制器主要对系统速度进行动态调节，为了消除速度静差和提高系统控制精度，采用PI控制器，通过功能码P235设置比例增益，通过功能码P240设置积分增益，通过P223设置速度反馈的滤波时间常数。

3.转矩/电流限幅单元 为了防止变频器起动、运行和停止时过电流，设置了转矩/电流限幅单元。系统最大电流通过功能码P128设置，变频器允许回馈的最大有功功率通过功能码P259设置。

4.电流控制器 矢量控制模式系统仿照了直流调速系统的控制模式，将通入交流电动机中产生转矩的电流和产生磁通的电流分离开来，分别进行控制。本系统的电流控制器包括用于控制电动机转矩的电流控制器和用于控制电动机磁通的电流控制器。电流控制器的比例增益通过功能码P283设置，积分增益通过功能码P284设置，控制系统脉冲调制类型通过功能码P339设置。

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图5-17 矢量控制模式变频器结构图

5.功率单元（主电路）：变频器功率单元中的一些参数已在变频器出厂时设定完毕，如需修改，请参阅表5-7。直流电压采样时滤波时间常数通过功能码P287设置。

6.矢量控制单元：矢量控制单元是整个控制系统的核心，包括电动机电流模型、电动机EMF（电动势）模型、矢量变换模型和磁通调节器。其中，电动机转子电阻温度系数通过P127功能码设置，电动机EMF调节器的比例增益通过功能码P315设置，积分增益通过功能码P316设置，磁通调节器调制温度系数通过功能码P344设置。

系统工作过程：速度给定信号通过主给定功能码P443或附加给定1功能码P433和附加给定2功能码P438进行设置，它们的设置源主要有编程单元（PMU、OP1S和计算机）、模拟输入端子和串行口USS。然后经过速度控制器，再除以磁通即形成了电动机的转矩电流给定值，再经过转矩电流控制器，达到对电动机转矩进行控制的目的。同时，系统的磁通控制器产生电动机的磁通电流给定值，再经过磁通电流控制器，达到对电动机进行控制的目的。在本系统中，速度反馈所用的传感器类型通过功能码P130设置；若采用光电编码器，通过功能码P151设定每转脉冲数；若采用模拟测速发电机，通过功能码P138设定测速发电机最高转速。为了增加系统的快速性，采取了两种措施：一是通过功能码P438设置，在给定积分器后面加入了附加给定；二是在速度控制器后面增加了转矩的前馈控制，通过功能码P116设置前馈控制的起动时间，通过功能码P471设置前馈控制比例增益。本系统由于是矢量控制调速系统，所以矢量控制单元是非常重要的，这主要通过设置电动机的电流模型、电动机的EMF模型和磁通调节器来完成电流和电压的矢量变换。另外，由于矢量控制变频器主要以控制电动机转矩为主，所以要有电动机转矩限定环节，以防止变频器由于负载干扰而造成的过电流，这通过功能码P492、P298、P128和P259来完成。