基于DTC技術(shù)的ACS800在裝鋼機(jī)控制上的應(yīng)用

梁莉　鄧保峰

摘要：ACS800系列變頻器使得被控對(duì)象具有較寬的調(diào)速范圍、較高的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度、快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及可四向限運(yùn)行，并且可靠性更高、維護(hù)費(fèi)用更低。文章以步進(jìn)梁加熱爐的裝出鋼電機(jī)控制為例，簡要介紹了ABB的ACS800系列變頻器利用DTC技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)雙電機(jī)剛性連接時(shí)的主從控制。

關(guān)鍵詞：直接轉(zhuǎn)矩控制；主從控制；ACS800

中圖分類號(hào)：TG155 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）17-0036-02

1 概述

雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的加熱爐裝鋼機(jī)在同步工作時(shí)是剛性連接、低轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，這樣就給變頻調(diào)速帶來了很大的難題，ACS800系列變頻器較好地解決了這個(gè)問題，其基于DTC原理和主從控制技術(shù)的應(yīng)用，使得被控對(duì)象具有較寬的調(diào)速范圍、較高的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度、快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及可四向限運(yùn)行，并且可靠性更高、維護(hù)費(fèi)用更低。

2 直接轉(zhuǎn)矩控制

在交流電機(jī)的調(diào)速控制領(lǐng)域中，直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control）是繼矢量控制之后又一新興的控制技術(shù)。該技術(shù)是由德國魯爾大學(xué)Depenbrock教授首先提出來的，它區(qū)別于傳統(tǒng)矢量控制技術(shù)的主要特點(diǎn)在于其不需要經(jīng)過磁場(chǎng)定向和矢量變換來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是直接控制磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，是在靜止的坐標(biāo)系中直接計(jì)算電動(dòng)機(jī)的實(shí)際磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩的時(shí)間最優(yōu)控制產(chǎn)生磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變換信號(hào)，從而最終對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)最佳控制，這種控制理論的突出優(yōu)點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)無速度傳感器控制，并且最大限度提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制的原理可以闡述為：定子磁鏈?zhǔn)嵌ㄗ与妱?dòng)式的時(shí)間積分，因此它的大小取決于定子電壓的大?。晦D(zhuǎn)矩與定子和轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐g角度的正弦成正比。

在控制策略上，直接轉(zhuǎn)矩控制并不要求對(duì)定子、轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角進(jìn)行精確、平滑的控制，也不要求它們的空間矢量位置都進(jìn)行控制，而是只對(duì)定子磁鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行走走停停的開關(guān)式控制，當(dāng)需要減速時(shí)，定子磁鏈停止，兩個(gè)磁鏈的夾角由于轉(zhuǎn)子磁鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)而縮小，從而使電磁轉(zhuǎn)矩減?。划?dāng)需要加速時(shí)，讓定子磁鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，并且轉(zhuǎn)動(dòng)速度大于轉(zhuǎn)子磁鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，這樣兩個(gè)磁鏈的夾角就會(huì)增大，電磁轉(zhuǎn)矩也就相應(yīng)增加。

3 加熱爐裝出鋼機(jī)主從控制特性

安鋼1780軋線配套三座步進(jìn)梁式加熱爐，每座加熱爐的裝鋼機(jī)由完全相同的2套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、4套齒輪機(jī)座和裝鋼臂部件等構(gòu)成，分為左右兩組。兩組沿爐子中心線對(duì)稱布置，各有1套傳動(dòng)裝置分別驅(qū)動(dòng)，2套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間設(shè)有離合器，可以根據(jù)不同長度的板坯使兩組傳動(dòng)機(jī)構(gòu)同步動(dòng)作或單獨(dú)動(dòng)作。當(dāng)加熱爐裝寬度超過6米的鋼坯時(shí)，需要兩套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)同軸工作，此時(shí)2套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)離合器吸合，整個(gè)裝鋼機(jī)由兩臺(tái)功率均為45kW的電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)完成裝鋼機(jī)的橫移動(dòng)作。

由于異步電機(jī)滑差的特性決定了在兩臺(tái)以上同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)剛性負(fù)載時(shí)，會(huì)發(fā)生負(fù)載分配不均勻的現(xiàn)象，嚴(yán)重的甚至可能在輕載狀態(tài)下發(fā)生一臺(tái)電機(jī)拖著另一臺(tái)電機(jī)工作，也就是一臺(tái)處于電動(dòng)狀態(tài)另一臺(tái)處于發(fā)電狀態(tài)，為了避免這種情況的發(fā)生，對(duì)于加熱爐裝鋼機(jī)中兩臺(tái)電機(jī)采取了主從控制方式。兩臺(tái)電機(jī)的接線如圖1所示：

圖1 主從控制電機(jī)接線原理圖

其中，兩臺(tái)電機(jī)均采用閉環(huán)矢量控制，電機(jī)A工作在速度控制模式（主），電機(jī)B工作于轉(zhuǎn)矩控制（從）。變頻器A接受PLC給定的頻率，經(jīng)計(jì)算后在控制電機(jī)A工作于矢量模式的前提下同時(shí)給變頻器B一個(gè)轉(zhuǎn)矩給定，同時(shí)變頻器B也會(huì)給自身所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)一個(gè)轉(zhuǎn)矩輸出，這樣兩臺(tái)變頻器輸出的轉(zhuǎn)矩一樣，就不會(huì)存在負(fù)載不均勻的現(xiàn)象；另外A臺(tái)的頻率指令輸入給B臺(tái)作為速度限制，如此B臺(tái)的速度就被限制在和A臺(tái)當(dāng)前相同的運(yùn)行速度。

4 ACS800系列交流變頻器傳動(dòng)裝置

ACS800是ABB公司用于交流電機(jī)傳動(dòng)的系列變頻器，該系列變頻器的最大優(yōu)點(diǎn)是在全功率范圍內(nèi)統(tǒng)一使用了相同的控制技術(shù)，例如啟動(dòng)向?qū)ё远x編程、DTC控制、通用備件、通用的接口技術(shù)以及方便選型和調(diào)試維護(hù)等特點(diǎn)。其中，其主從控制以及無速度傳感器時(shí)的DTC控制，在當(dāng)今的工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。安鋼1780級(jí)熱爐的裝出鋼機(jī)以及輥道電機(jī)的驅(qū)動(dòng)全部采用了該系列變頻器。

4.1 兩臺(tái)ACS800實(shí)現(xiàn)主從功能的控制過程

正常工作時(shí)，由于有視窗控制，從機(jī)的速度調(diào)節(jié)器輸出（TORQ REF 2）為零。從機(jī)跟隨主機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定（Torque Ref1）。當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，視窗控制功能激活速度調(diào)節(jié)器，從而防止從機(jī)速度上升到最大限，當(dāng)從機(jī)的速度開始上升時(shí)，并且轉(zhuǎn)速偏差（Seep Ref3-Actual Speed）超過參數(shù)60.05所設(shè)定的值時(shí)，視窗控制器將把轉(zhuǎn)速偏差輸入速度調(diào)節(jié)器，速度調(diào)節(jié)器將給轉(zhuǎn)矩給定加上一個(gè)負(fù)值，從而限制轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步升高。圖2為兩臺(tái)ACS800工作于主從模式時(shí)的功能示意圖：

圖2 主從工作模式時(shí)控制功能圖

4.2 ACS800實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）

圖3 ACS-800無速度傳感器時(shí)DTC控制功能圖

ACS800系列變頻器采用了FS-method（Flux Stabilizer）的控制策略，即高于額定轉(zhuǎn)速的10%時(shí)采用基于電壓模型的轉(zhuǎn)速估算值，低于額定轉(zhuǎn)速的10%時(shí)采用基于電流模型的轉(zhuǎn)速估算值，這樣就克服了電壓模型估算不準(zhǔn)確的缺陷，從而保證了電動(dòng)機(jī)不僅在電動(dòng)狀態(tài)而且在發(fā)電狀態(tài)都具有零速滿轉(zhuǎn)矩的特性，最大輸出轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的2倍。圖3為ACS800變頻器無速度傳感器時(shí)DTC控制功能圖。

由圖3可知，ACS800變頻器實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制，主要包括了磁通閉環(huán)控制、轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制和速度反饋閉環(huán)控制。這里的速度閉環(huán)控制是由指令磁通、定子電壓矢量以及經(jīng)過abc/αβ變換后得到的isα和isβ4個(gè)信號(hào)估計(jì)出的實(shí)際轉(zhuǎn)子角速度，然后把這個(gè)角速度與指令角速度比較而構(gòu)成。

5 結(jié)語

安鋼1780加熱爐于2006年調(diào)試結(jié)束正式投產(chǎn)，數(shù)據(jù)證明ACS800變頻器的DTC控制功能很好地滿足了裝出鋼機(jī)低轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動(dòng)需求。圖4為使用ABB提供的專用調(diào)試監(jiān)控軟件DriveWindow拍下的主變頻器DTC模式下速度變換的波形，其中，所記錄的5組數(shù)據(jù)分別為濾波后的轉(zhuǎn)矩、濾波前的轉(zhuǎn)矩、電機(jī)電流、電機(jī)速度和功率。

圖4 主機(jī)DTC控制運(yùn)行時(shí)實(shí)際波形

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基金項(xiàng)目：精品課程AZJW 120301

作者簡介：梁莉（1978—），女，河南安陽人，安陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：機(jī)電一體化。