大型電氣控制器的節(jié)能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐莉++岳萍

摘 要： 為了提高大型電氣控制設(shè)備的節(jié)能效果，降低功耗，提高輸出功率增益，提出基于內(nèi)環(huán)控制器適應(yīng)度補(bǔ)償和DC/AC 逆變模型的大型電氣控制器的節(jié)能設(shè)計(jì)方法。構(gòu)建大型電氣設(shè)備控制器單元模型，建立電流內(nèi)環(huán)控制的電氣控制器DC/AC 逆變模型，采用內(nèi)環(huán)控制器適應(yīng)度補(bǔ)償方法進(jìn)行輸出增益控制，實(shí)現(xiàn)大型電氣控制器的硬件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該方法進(jìn)行大型電氣控制器設(shè)計(jì)，節(jié)能效果較好，輸出功率增益較高。

關(guān)鍵詞： 電氣控制器； 逆變模型； 輸出增益控制； 節(jié)能設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN876?34； TM721 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）12?0176?03

Abstract： In order to improve the energy?saving effect， reduce the power consumption and increase the output power gain of the large?scale electrical control equipment， an energy?saving design method of the large?scale electrical controller is proposed， which is based on fitness compensation of inner?loop controller and DC/AC inversion model. The unit model of the large?scale electrical device controller is constructed. The electrical controller DC/AC inversion model controlled by current inner loop is established. The fitness compensation method of inner?loop controller is used to control the output gain to design the hardware of the large?scale electrical controller. The experimental results show that the method to design the large?scale electrical controller has good energy?saving effect and high output power gain.

Keywords： electrical controller； inversion model； output gain control； energy?saving design

0 引 言

大型電氣設(shè)備系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)指標(biāo)取決于合理的模型結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)確的模型參數(shù)，通過(guò)對(duì)電氣自動(dòng)化控制，降低外部擾動(dòng)特性和外界干擾對(duì)電氣設(shè)備的輸出功率增益的影響，實(shí)現(xiàn)大型電氣控制器的節(jié)能設(shè)計(jì)。對(duì)大型電氣設(shè)備的控制器設(shè)計(jì)方法主要建立在粒子群算法[1]、暫態(tài)建模和比例?積分調(diào)節(jié)控制方法基礎(chǔ)上[2]，通過(guò)對(duì)大型電氣設(shè)備控制器單元建模，結(jié)合搜索?高斯過(guò)程混合算法有效地控制功率實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備控制器單元模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]，以輸出電壓增益、功率損耗為約束參量，進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，但傳統(tǒng)方法存在功率開(kāi)銷較大，節(jié)能效果不好[4]。對(duì)此，提出基于內(nèi)環(huán)控制器適應(yīng)度補(bǔ)償和DC/AC 逆變模型的大型電氣控制器的節(jié)能設(shè)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)節(jié)能控制模型的算法和硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電氣控制器節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得較好的效果。

1 大型電氣控制器的節(jié)能設(shè)計(jì)的總體構(gòu)架

大型電氣設(shè)備控制器單元模型主要由 DC/AC 逆變器模型、電流內(nèi)環(huán)控制器和外環(huán)控制模型等組成，電氣設(shè)備集成智能控制系統(tǒng)是建立在嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上的，通過(guò)移植后可以運(yùn)行在不同的硬件平臺(tái)上，結(jié)合控制算法和前期的硬件電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型電氣設(shè)備的多線程控制，并使電氣設(shè)備集成智能控制系統(tǒng)運(yùn)行在ARM，PowerPC等多種硬件平臺(tái)上，保障控制系統(tǒng)的軟件程序具有較好的移植性和人機(jī)交互性，并實(shí)現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下大型電氣設(shè)備的智能節(jié)能控制。大型電氣設(shè)備集成智能控制系統(tǒng)的嵌入式Linux系統(tǒng)分為四個(gè)層次，分別為：參量輸入層、硬件設(shè)計(jì)模塊層、控制核心層和人機(jī)交互層[5?6]。根據(jù)上述開(kāi)發(fā)環(huán)境和控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)描述，得到大型電氣設(shè)備節(jié)能控制器，其大型電氣設(shè)備控制器結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

2 電氣控制器節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 電氣控制器DC/AC逆變模型

在上述進(jìn)行了大型電氣設(shè)備的控制器的參量分析和控制模型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行電氣控制器節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化。本文提出一種基于內(nèi)環(huán)控制器適應(yīng)度補(bǔ)償和DC/AC 逆變模型的大型電氣控制器的節(jié)能設(shè)計(jì)方法，建立電流內(nèi)環(huán)控制的電氣控制器DC/AC 逆變模型。大型電氣設(shè)備控制器單元模型主要由 DC/AC 逆變器及內(nèi)環(huán)控制模型構(gòu)建[7]，其中內(nèi)環(huán)控制模型的結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖2。

2.3 節(jié)能控制的硬件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述模型設(shè)計(jì)和電路分析，進(jìn)行大型電氣控制器節(jié)能設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì)。硬件模塊設(shè)計(jì)中，主要由GT8340嵌入式控制芯片和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成，采用IRPF260N型電路設(shè)計(jì)方法，采用ADSP21160處理器作為核心控制芯片進(jìn)行系統(tǒng)集成電路設(shè)計(jì)，采用單220交流供電，輸入峰值為3 Vpp，其時(shí)鐘中斷接口支持8個(gè)多頻的節(jié)能中斷控制，直接從地址0x20000000執(zhí)行交流耦合信號(hào)調(diào)制，從外部的8位或16位存儲(chǔ)器引導(dǎo)程序加載，通過(guò)JTAG接口訪問(wèn)CPU的內(nèi)部寄存器，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制的硬件電路設(shè)計(jì)，如圖4所示。

在大型電氣控制節(jié)能設(shè)計(jì)中，控制命令格式是十六進(jìn)制，控制命令的結(jié)構(gòu)表見(jiàn)表1。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)建立在Matlab 7.0仿真軟件的基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，大型電氣控制器的轉(zhuǎn)矩輸出在1.2～3.5之間取值，節(jié)能控制電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為154 rad/s，其他參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

根據(jù)上述仿真環(huán)境設(shè)定，進(jìn)行控制性能測(cè)試，圖5和圖6分別給出了采用本文方法和傳統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)方法進(jìn)行電氣節(jié)能控制的輸出電流及功率增益對(duì)比。分析仿真結(jié)果得知，采用本文方法進(jìn)行大型電氣節(jié)能控制，輸出電流及功率增益的內(nèi)環(huán)、外環(huán)輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)的曲線的增益更高。本文模型更與理想的輸出參量接近，說(shuō)明節(jié)能效果更好，性能優(yōu)越。

4 結(jié) 語(yǔ)

為了提高大型電氣控制器的節(jié)能效果，提出基于內(nèi)環(huán)控制器適應(yīng)度補(bǔ)償和DC/AC 逆變模型的大型電氣控制器的節(jié)能設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，本文方法進(jìn)行電氣控制器節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，輸出的電流穩(wěn)定，功率增益較大，比傳統(tǒng)方法更接近于理想水平，具有優(yōu)越性。

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