變頻液壓舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速研究

施水娟，董應(yīng)超

（南通職業(yè)大學(xué)，江蘇南通 226007）

0 引言

船舶變頻液壓舵機(jī)是一種采用變頻調(diào)速技術(shù)的新型液壓系統(tǒng)，由變頻器、交流感應(yīng)電機(jī)、定量泵、轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，通過變頻器改變電機(jī)的供電電源頻率和電壓來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)液壓回路流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)的控制。

變頻液壓舵機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)操舵指令發(fā)出時(shí)，卸荷電磁閥得電，切斷卸荷回路，感應(yīng)電機(jī)根據(jù)控制信號(hào)的要求以相應(yīng)工作轉(zhuǎn)速和規(guī)定的方向驅(qū)動(dòng)泵工作，推動(dòng)轉(zhuǎn)舵油缸轉(zhuǎn)舵。當(dāng)舵角達(dá)到要求后，變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速下降至泵的最低穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速，同時(shí)卸荷電磁閥斷電，系統(tǒng)卸荷[1]。

雙向定量泵輸出流量為：

圖1 變頻液壓舵機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

其中：n為電機(jī)（液壓泵）轉(zhuǎn)速，qp為液壓泵排量，p為電機(jī)極對(duì)數(shù)，s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率；fs為電機(jī)定子供電頻率。

由式(1)可知，通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變油泵轉(zhuǎn)速，最終改變泵的輸出流量，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)中液壓馬達(dá)的速度。電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，其轉(zhuǎn)速控制在整個(gè)變頻液壓舵機(jī)系統(tǒng)中至關(guān)重要。本文搭建了一個(gè)交流感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，利用PID控制實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的啟動(dòng)、升速、降速和停機(jī)。

1 調(diào)速系統(tǒng)硬件組成

調(diào)速系統(tǒng)由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、變頻器、交流感應(yīng)電機(jī)和霍爾轉(zhuǎn)速傳感器組成。工控機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡是控制單元，在數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出端輸出電壓，將該電壓信號(hào)接入變頻器的模擬量輸入端，變頻器根據(jù)輸入的電壓信號(hào)調(diào)節(jié)電機(jī)供電電源的頻率和電壓，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)輸出軸上裝有測(cè)量轉(zhuǎn)速用的信號(hào)盤，數(shù)據(jù)采集卡采集霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)將電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速作為反饋送入工控機(jī)，工控機(jī)進(jìn)行PID計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)調(diào)節(jié)[2]。

圖2 調(diào)速系統(tǒng)硬件組成

鑒于虛擬儀器技術(shù)和labview圖形化變成的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集卡采用NI PCI-6221。該數(shù)據(jù)采集卡具有模擬輸入通道、模擬輸出通道、數(shù)字通道和計(jì)數(shù)器通道。將數(shù)據(jù)采集卡的ao0作為變頻器輸入電壓的產(chǎn)生通道，計(jì)數(shù)器ctr0作為轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集通道。交流感應(yīng)電機(jī)選用臺(tái)灣先川YP-50-11-4，額定功率為11 kW，極數(shù)為4。變頻器采用LS產(chǎn)電SV110iS5-4VT，其輸入信號(hào)采用單極電壓輸入（0～10 V），對(duì)應(yīng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為0～4000 rpm。

2 調(diào)速系統(tǒng)程序

采用labVIEW編寫實(shí)驗(yàn)程序，使用了NI提供的DAQmx和PID工具包。

2.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量

PID運(yùn)算中PV（過程變量）是需要控制的對(duì)象，根據(jù)PV與SP（設(shè)定值）的偏差來進(jìn)行調(diào)整，從而使PV進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。因此，實(shí)際轉(zhuǎn)速的測(cè)量是轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

霍爾轉(zhuǎn)速傳感器采用南京新捷中旭CSHG-2型霍爾效應(yīng)齒輪傳感器，頻率響應(yīng)為10 Hz～20 kHz。測(cè)速用信號(hào)盤開有等間隔的60個(gè)短槽齒，齒形滿足傳感器測(cè)量要求。利用6221卡的計(jì)數(shù)器0對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行頻率測(cè)量，程序框圖如圖3所示。每20 ms測(cè)量一次，由于信號(hào)盤進(jìn)行了60等份，再將Hz轉(zhuǎn)換成rpm，測(cè)得的頻率值與轉(zhuǎn)速值相等。因?yàn)榛魻栟D(zhuǎn)速傳感器的低頻響應(yīng)差，所以低轉(zhuǎn)速特別是零轉(zhuǎn)速測(cè)量存在偏差[3]。

圖3 脈沖頻率測(cè)量程序框圖

2.2 PID運(yùn)算

利用 NI提供的PID工具包中的PID Autotuning.vi進(jìn)行PID運(yùn)算。將測(cè)得的實(shí)際轉(zhuǎn)速值接入PID Autotuning.vi的PV端，設(shè)定轉(zhuǎn)速值接入SP端。輸出限制在0～1200 rpm，對(duì)應(yīng)電壓為0～3 V。因?yàn)橐蠖鏅C(jī)從一舷的最大舵角35°轉(zhuǎn)到另一舷的最大舵角35°需要的時(shí)間不超過30 s，所以自整定參數(shù)中系統(tǒng)響應(yīng)速度設(shè)為fast，控制器類型選擇PID，期望值偏差設(shè)為1（保證在最大轉(zhuǎn)速下油泵的流量穩(wěn)定）。

轉(zhuǎn)速輸出值除以轉(zhuǎn)速最大值1200 rpm，再乘以對(duì)應(yīng)電壓值3 V，得出電壓輸出值。利用DAQ的模擬輸出vi，在模擬輸出通道ao0上輸出電壓至變頻器模擬量輸入端，模擬輸出的類型為單通道單樣本。PID運(yùn)算程序框圖如圖4所示，每20 ms進(jìn)行一次[4]。

圖4 PID運(yùn)算程序框圖

將SP和PV合成一個(gè)簇，在waveform chart中顯示出來，并將SP和PV保存在excel文件中，以便后續(xù)分析。

3 調(diào)速試驗(yàn)

3.1 PID參數(shù)調(diào)整

增大P加快響應(yīng)，減小偏差，但是P過大會(huì)產(chǎn)生超調(diào)和振蕩。增大積分時(shí)間I減小超調(diào)，但建立時(shí)間變長(zhǎng)。增大微分時(shí)間D，加快響應(yīng)，減小超調(diào)，但對(duì)擾動(dòng)抑制能力變?nèi)?。本文運(yùn)用試湊法進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)整，步驟如下：

1) 調(diào)節(jié)P。逐步增大P，當(dāng)PV振蕩加劇并且偏差無法消除時(shí)加入I環(huán)節(jié)；

2) 調(diào)節(jié)I。從小到大增大I直到超調(diào)消失，此時(shí)建立時(shí)間延長(zhǎng)[5]。

雖然參數(shù)D可使響應(yīng)加快，但是輸出量MV會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重抖動(dòng)，如圖5所示。為了延長(zhǎng)電機(jī)壽命，將D設(shè)為0。

圖5 參數(shù)D的影響

根據(jù)上述步驟，在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本調(diào)速系統(tǒng)的最佳PID參數(shù)確定為：P=0.8、I=0.0148。

3.2 分段實(shí)驗(yàn)

假定油泵的工作轉(zhuǎn)速為800 rpm，最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為200 rpm。據(jù)此，進(jìn)行了0→200 rpm的啟動(dòng)過程、200→800 rpm的升速過程、800→200 rpm的降速過程和停機(jī)過程的實(shí)驗(yàn)，SP和PV的結(jié)果如圖6所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看以看出，啟動(dòng)、升速和降速三個(gè)過程都沒有出現(xiàn)超調(diào)，建立時(shí)間為8 s左右，速度穩(wěn)態(tài)偏差為±1 rpm，基本滿足變頻液壓舵機(jī)的工作要求。因?yàn)楸菊{(diào)速系統(tǒng)并沒有使用零轉(zhuǎn)速傳感器（電渦流轉(zhuǎn)速傳感器），所以在停機(jī)時(shí)使用P調(diào)節(jié)。SP置0前，將參數(shù)I設(shè)為0，轉(zhuǎn)速降到P調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)值88 rpm。當(dāng)SP置0時(shí)，轉(zhuǎn)速由88 rpm迅速下降到0，避免了因霍爾轉(zhuǎn)速傳感器低頻響應(yīng)差而引起的抖動(dòng)。

4 結(jié)束語

變頻液壓舵機(jī)需要其驅(qū)動(dòng)電機(jī)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將油泵的轉(zhuǎn)速由最低穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速上升到工作轉(zhuǎn)速，舵角到位后，要回到最低穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速。本文搭建的異步感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)模擬了這個(gè)工作過程，利用PID算法進(jìn)行了電機(jī)啟動(dòng)、升速、降速和停機(jī)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示啟動(dòng)、升速和降速三個(gè)過程都沒有出現(xiàn)超調(diào)，建立時(shí)間為8 s左右，速度穩(wěn)態(tài)偏差為±1 rpm。

今后可通過安裝零轉(zhuǎn)速傳感器、改進(jìn)信號(hào)盤設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向判別等措施完善變頻液壓舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。

[1] 朱鈺, 鄭超瑜, 蔡振雄．變頻液壓舵機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)研究[J]．機(jī)床與液壓, 2008, 36 (8).

[2] 曾勝斌, 林少芬, 江小霞, 朱鈺．基于LabVIEW船舶變頻液壓舵機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．設(shè)計(jì)、制造及自動(dòng)化, 2009．

[3] 邵顯濤, 陳明, 李俊．基于霍爾傳感器電機(jī)轉(zhuǎn)速的單片機(jī)測(cè)量[J]．電子測(cè)試, 2008．

[4] 陳樹學(xué), 劉萱．LabVIEW寶典[M]．北京： 電子工業(yè)出版社, 2011．

[5] 胡壽松．自動(dòng)控制原理[M]．北京：科學(xué)出版社, 2001．