1 引言
高动态响应调速系统是在保证输出转速稳定的基础上，快速响应速度给定量，系统能稳定快速跟随负载变化，从负载变动等外界急剧干扰引起的过渡性速度恢复得快。以前主要采用直流调速系统实现，考虑直流调速系统的功率，维护等方面的原因，尝试采用矢量变频控制技术控制异步电动机来实现高动态响应的调速系统。
异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线形、强耦合的多变量系统，通过坐标变换可以实现在三相交流电机上模拟直流电机的控制转矩规律[1]。矢量控制是以旋转磁场为准则，建立三相交流绕组电流、两组交流绕组电流和在旋转坐标上的正交绕组直流电流之间的等效关系，来实现定子电流的解耦和系统的降阶以及线形化。
2 控制策略
磁链开环转差型矢量控制系统是将采用磁链开环控制，避免转子磁链反馈信号的不准确而对控制精度的影响，磁场定向由磁链和转矩给定信号确定，并不用实际计算转子磁链和相位，而是通过参数辨识和自适应控制来间接磁场定向，而转速的控制仍然是闭环的，这样继承了基于异步电机稳态模型转差频率控制系统的优点，又利用了基于异步电机动态模型的矢量控制规律，在良好的稳定性基础上大大提高了动态性能，如今在参数辨识和自适应控制方面做的比较好的变频器很多，选择合适的类型，控制高性能的异步电机，通过一些参数设置可以实现高动态调速系统。
根据这一思想基于西门子6se70变频器设计了一个矢量控制调速系统，控制一台60kw1ph7系列异步电机，在空载时实现转速10%阶跃响应时间不大于200ms的动态响应要求，在过渡过程中系统无振荡和超调量不大于2%。
3 系统组成
整个调速系统由一台75kw变频器6se7031-5ef60，加上必要的外围硬件组成，能实现系统本地和远程启动、停止、给定和监控等功能。系统选用合适的制动单元、制动电阻用来消耗降速制动时电机回馈的能量，改善降速过程的动态性能。异步电机型号为 1ph7184-2hf300bc0，60kw，主要参数为:额定速率为1750r/min，最大转速为5000r/min，基频为59.0hz，额定电流为120.0a，额定电压为388v，转矩为327n.m，功率系数cosφ=0.78。电机自带冷却风机、转速编码器（1024）、温度传感器。
4 系统调试
调试前对整个系统进行电气检查，确保所有的电气线路连接正确可靠，所有的热过载保护都合理设置;然后上电检查，确认主回路、辅助控制回路都在正常状态，冷却风机转向正确。先进行简单的参数设置，初步检查整个系统可以正常工作;然后进行专家应用参数设置，这个过程是设置基本功能，并把电机参数输入变频器，由变频器进行自整定，获得电机参数。
按照6se7031-5ef60说明书要求进行参数设置，组合运用变频器内部的自由功能模块，实现了计算机/手动模拟量给定及计算机/手动给定选择、阶跃给定、给定和反馈量的模拟量输出等功能。
动态响应的参数调节，调节原则是保证系统的机械特性，获取最小的动态响应时间，对于磁通调节器一般采纳自整定值，防止不适当的修改影响磁通量的给定。
主要是调整转速调节器的比例增益kp和积分时间，转速调节器在自整定过程中，机器本身已经自动写入参数。对本系统，自整定后系统为自保护，把上升和下降过程信号加一个0.5s斜坡函数，并在斜坡函数加上初始和结束圆弧时间均为10s，此时kp=7.2，积分时间为400ms，在这种情况下系统的动态响应时间是450ms左右，无超调量，运行稳定，但这远不能满足高动态响应性能的要求，为追求快速性，取消斜坡函数，将斜坡函数的时间设定为0，把初始和结束设定10ms圆弧时间用于保护，然后调节转速调节器的比例增益kp和积分时间。
转速调节器是一个pi调节器，当积分时间一定，加大比例增益kp时，动态响应时间加快，但超调量也加大;当比例增益kp一定，积分时间加大，动态响应时间变长，对超调量有所抑制，过渡过程稳定性加强，积分时间减小，动态响应时间变小，过渡过程稳定性变差，对超调量也没有抑制。所以对比例增益kp和积分时间要进行不断的比较调整，获得与系统匹配的最佳参数。
参数调整如下:
p462=0;//取消上升斜坡函数//
p463=0;//加速时间单位:s//
p464=0;//取消下降斜坡函数//
p465=0;//降速时间单位:s//
p469=0.01;//给定斜坡函数初始圆弧时间//
p470=0.01;//给定斜坡函数结束圆弧时间//
p235=7.2;//转速调节器的增益kp//
p240=250;//转速调节器的积分时间//
这些参数调整与变频器、电机的性能有很大关系，要进行不断的试凑，测出系统在不同的参数的情况下系统的动态性能，最终选出最优参数。
在实际调试过程中，用示波器在模拟量输出端测量反馈信号时，发现在使用了除法器功能后，模拟量输出变成了76ms才变化一次的非连续值，检查核对后，发现这是西门子变频器内部自由功能模块应用时采样时间设定过高，调低后输出波形便呈连续;但为了满足实时动态测量，应在输出通道中减少使用自由功能模块。
5 系统制动
当调速系统处于降速时，电机处于发电状态，逆变器将发出的交流电整流成直流电，存储在电容中，当直流母线电压高于关机阈值，变频器将自动关机，因此需要合理选择制动单元和制动电阻来有效消耗直流母线线上的能量。对于高动态响应的调速系统，快速制动过程中，制动单元必须在短时间（几 ms～几十ms）内igbt打开，由制动电阻消耗掉电机发出的能量，而且还能满足反复制动的要求，因此要对制动过程中发出的能量进行估算，并由此计算出制动单元和制动电阻。参考安川变频器给出的计算方法[6][7]，在此基础上经过修改，获得符合高动态响应调速系统的要求的计算公式。
最大制动转矩mbmax
mbmax=2mrmot（1）
其中:mrmot——电机额定转矩
最大制动功率pbmax
pbmax=mbmax（n1-n2）/9.55（2）
其中:n1——制动前转速;n2——制动后转速
电气制动功率pe1
pe1=ηgearpbmax-kprmot（3）
其中:ηgear——机械效率;prmot——电机额定功率;k——电动机内部损耗预估系数（见附表）
一般认为机械损耗可以忽略，ηgear等于1，使得电气制动功率留有余量。
制动电阻值rb
rb≤ub2/pe1（4）
其中:ub——制动单元igbt斩波电压。
对于这个系统变频器的关机阈值为820v，设定制动单元的igbt斩波电压为730v，按照上面的计算公式，代入电机参数计算过程如下:
最大制动转矩
mbmax=2mrmot=2×327=654（n·m）
最大制动功率
pbmax=mbmax（n1-n2）/9.55=654×5000/9.55=342400（w）
电气制动功率
pe1=ηgearpbmax-kprmot=34240-0.05×60000=312400（w）
制动电阻值
rb≤ub2/pe1=7302/312400=1.7058（ω）
由于整个计算中都是取最大量，根据实际的产品情况，取制动单元为300kw取制动电阻为2ω，经过验证可以满足快速制动的要求，变频器不会发生过压过流等故障，系统也没有出现制动冲击。6动态性能
系统在空载情况下，转速给定信号从的4000r/min阶跃上升到4500r/min，实际转速变化的过渡时间172ms，过渡过程超调量2%。
系统在空载情况下，转速给定信号从的4500r/min阶跃下降到4000r/min，实际转速变化的过渡时间144ms，过渡过程无超调，无振荡。
从系统的上升阶跃和下降阶跃过程可见系统动态响应很快，并且没有出现振荡和大的超调，在转速上升时出现微小的超调，这在带负载运行时负载的阻尼效果会对此进行抑制。转速下降的过程是一个制动的过程，此时制动单元及制动电阻工作，使得转速变化平稳过渡，并尝试了在短时间内多次阶跃降速，系统制动正常，运行平稳，没有出现过压过流等故障。
6 结束语
本文主要是对高动态响应矢量变频调速系统的应用进行探索，通过了实际系统的设计、调试，得到了在空载情况下稳定运行的高动态响应调速系统，对转速调节器的参数设置和制动单元、制动电阻的选择是系统得以实现的关键。今后对系统的优化设计应当重点关注以下几点:
（1）对转速调节器进行仿真分析，以获得更精确的参数进行设置，减少反复试凑的调试时间，增加对磁通调节器的研究，探索对磁通对系统动态性能的影响。
（2）把变频器的余量放大，选用大功率的变频器拖动电机，尝试到2～2.5倍电机额定功率，制动也可以采用回馈电网的制动方式。
（3）对电机的选用也进行考核，对异步电机的快速响应性能，机械特性都要进行研究，保证电机能够适应高动态响应性能的要求。
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