雙變量變頻器有級調(diào)壓閉環(huán)調(diào)速策略研究

鞏銀苗++魯西坤++盧春華++石峰++徐帥

摘 要：文章針對傳統(tǒng)的交-交變頻器開環(huán)控制對轉(zhuǎn)速控制的精度不高、控制難度大的不足，在原有的僅采用控制觸發(fā)增量方法的基礎(chǔ)上加入了有級調(diào)壓閉環(huán)調(diào)速控制策略。通過在Matlab/Simulink中引入S函數(shù)，建立了分段變頻有級調(diào)壓閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，并以雙變量變頻器為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)電路，編寫了實(shí)驗(yàn)程序，從仿真和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面對有機(jī)調(diào)壓閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能進(jìn)行了分析。最后，得出雙變量交-交變頻器有機(jī)調(diào)壓閉環(huán)調(diào)速控制策略具有很高的控制精度，能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：雙變量控制；有級調(diào)壓；閉環(huán)調(diào)速

在現(xiàn)代工業(yè)控制中，繞線式電動(dòng)機(jī)尤其高壓繞線電機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍[1-4]。對高壓繞線電機(jī)進(jìn)行調(diào)控時(shí)，若僅僅采用傳統(tǒng)變頻器的開環(huán)控制，就會使控制的難度增加，并且很難保證很高的控制精度[5-6]，如果在原有的變頻器的基礎(chǔ)上加入閉環(huán)控制，就可以減小調(diào)控的技術(shù)難度，提高系統(tǒng)的控制精度，具有很高的經(jīng)濟(jì)意義[7-8]。

本文在對六脈波雙變量交-交變頻進(jìn)行深刻的分析的基礎(chǔ)上，引用了有級調(diào)壓閉環(huán)調(diào)速的概念，并對電機(jī)的交-交變頻調(diào)速方法進(jìn)行了探索和研究，根據(jù)有級調(diào)壓閉環(huán)調(diào)速的方法，進(jìn)行了大量的理論分析、建模仿真和實(shí)驗(yàn)研究。

1 雙變量交-交變頻有級調(diào)壓閉環(huán)調(diào)速原理

1.1 雙變量控制理論

所謂的雙變量控制理論就是在單變量控制的基礎(chǔ)上增加對觸發(fā)脈沖后沿（即脈沖寬度b）進(jìn)行控制，它是雙變量控制理論的精髓[9-10]。第一個(gè)變量a角和單變量控制理論相同，用于確定觸發(fā)脈沖的觸發(fā)時(shí)刻。如果采用正弦交流電作為模擬基準(zhǔn)電壓，會產(chǎn)生交流電壓，這個(gè)電壓波形的平均包絡(luò)線就會和輸入的模擬基準(zhǔn)電壓波形精確地對應(yīng)起來。雙變量控制理論同樣是利用余弦交截法輸出電壓最接近于理想正弦電壓的原則，來實(shí)現(xiàn)觸發(fā)角和基準(zhǔn)電壓之間的余弦關(guān)系，達(dá)到輸出正弦電壓波形的目的[11]。

1.2 有級調(diào)壓閉環(huán)調(diào)速原理及優(yōu)勢

在以前的研究中，為了能夠在交-交變頻上實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)壓，統(tǒng)一采用前移或者后移觸發(fā)時(shí)刻來增大或者減小電壓的方法，控制量是觸發(fā)時(shí)刻的增量。這種方法可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)，可以在控制策略上加入一些復(fù)雜的算法。但是如果純粹采取這種控制方式，明顯存在當(dāng)調(diào)壓深度較深時(shí)，電壓波形上會出現(xiàn)死區(qū)的缺陷，并且隨著調(diào)壓深度的加深，死區(qū)時(shí)間會變長，諧波含量也會增加[12-13]。

為實(shí)現(xiàn)交-交變頻器的全范圍調(diào)速，提高交-交變頻器輸出的電壓波形的質(zhì)量，本文使用有級調(diào)壓的方法彌補(bǔ)兩個(gè)頻級間的轉(zhuǎn)速空白，并且加入了閉環(huán)控制，增加了速度反饋。這樣既提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又提高了輸出電壓波形的質(zhì)量，還可以獲得較寬的調(diào)速范圍和較高的調(diào)速精度。由于采用的是有級調(diào)壓，為了避免出現(xiàn)電壓不停切換，致使出現(xiàn)轉(zhuǎn)速震蕩的現(xiàn)象，在調(diào)速的過程中，設(shè)置了一定的轉(zhuǎn)速容差，只有檢測到實(shí)際轉(zhuǎn)速與變頻器給定轉(zhuǎn)速之差大于所設(shè)容差的時(shí)候，才對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。本文設(shè)置容差為3 r/min。

2 系統(tǒng)仿真模型的建立與仿真分析

根據(jù)分段變頻有級調(diào)壓閉環(huán)調(diào)速原理，結(jié)合電機(jī)的等效電路參數(shù)，在Matlab/Simulink仿真軟件中建立對應(yīng)的仿真模型，并依據(jù)分段變頻有級調(diào)壓閉環(huán)變結(jié)構(gòu)調(diào)速原理對系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，以驗(yàn)證其實(shí)際效果[14]。

雙變量交-交變頻器有級調(diào)壓閉環(huán)調(diào)速的仿真模型如圖1所示。該系統(tǒng)可以分為六相電源部分、變頻部分、脈沖觸發(fā)部分、電機(jī)模塊、測量模塊、速度反饋、速度給定等部分。其中，速度給定是閉環(huán)調(diào)速的核心部分，速度給定與速度反饋的值經(jīng)過比較后作為脈沖觸發(fā)部分的給定，從而確定變頻器的輸出，達(dá)到精確控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的目的。

交-交變頻器的開環(huán)控制系統(tǒng)和加入有機(jī)調(diào)壓閉環(huán)調(diào)速控制策略后的轉(zhuǎn)速仿真波形如圖2所示。其中，電機(jī)的初始給定轉(zhuǎn)速為240 r/min，當(dāng)時(shí)間達(dá)到3 s時(shí)，將給定轉(zhuǎn)速突變?yōu)?70 r/min，轉(zhuǎn)速的容差設(shè)置為2 r/min。

從開環(huán)與閉環(huán)調(diào)速的仿真結(jié)果可以看出：開環(huán)控制時(shí)起動(dòng)的超調(diào)較大，過渡時(shí)間為0.8 s，當(dāng)突變給定轉(zhuǎn)速后，系統(tǒng)的超調(diào)量同樣很大，經(jīng)過0.7 s后才能夠穩(wěn)定到新的給定轉(zhuǎn)速，超調(diào)量為4.1%；而加入了幾條閉環(huán)調(diào)速后的起動(dòng)過渡時(shí)間較小，為0.6 s，并且系統(tǒng)的超調(diào)量較開環(huán)時(shí)也減小，當(dāng)給定轉(zhuǎn)速突變后，系統(tǒng)能夠很快穩(wěn)定到新的給定轉(zhuǎn)速，大約經(jīng)過0.35 s，超調(diào)也明顯減小為1.8%。整體上看，加入了有級調(diào)壓閉環(huán)調(diào)速后，系統(tǒng)的超調(diào)量較開環(huán)控制有較大的減小，反應(yīng)的快速性較開環(huán)控制有很大的提高。

3 實(shí)驗(yàn)及分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果，得到更直觀的結(jié)論，構(gòu)建了基于STM32的六脈波雙變量交-交變頻器有級調(diào)壓閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其系統(tǒng)框如圖3所示。系統(tǒng)的主回路由電源部分，三相變六相變壓器，晶閘管轉(zhuǎn)換電路和負(fù)載電機(jī)組成。系統(tǒng)的控制回路部分可以分為ARM及其擴(kuò)展電路、同步電路、電壓電流檢測模塊、速度反饋模塊、脈沖觸發(fā)模塊、通信接口、人機(jī)界面等模塊構(gòu)成。

在系統(tǒng)中加入有級調(diào)壓閉環(huán)調(diào)速控制策略后，突變給定轉(zhuǎn)速的實(shí)驗(yàn)波形如圖4所示，其中，初始給定轉(zhuǎn)速是650 r/min，待系統(tǒng)運(yùn)行一定時(shí)間，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)完全穩(wěn)定后，將系統(tǒng)的速度給定編為600 r/min，從圖中可以看出：由于加入了閉環(huán)調(diào)速的控制策略，系統(tǒng)的啟動(dòng)過程比較快，能夠迅速達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，并且啟動(dòng)過程中超調(diào)量很??；當(dāng)速度給定突變時(shí)，系統(tǒng)能夠很快穩(wěn)定到新的給定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速?zèng)]有很大的波動(dòng)，超調(diào)量小，對轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析可以得出，系統(tǒng)在給定突變時(shí)，能夠在0.8 s內(nèi)將轉(zhuǎn)速從650 r/min減小到600 r/min的穩(wěn)定狀態(tài)，總的超調(diào)量為0.5%，在系統(tǒng)給定的容差范圍內(nèi)。

總的來說，在加入了雙變量交-交變頻有級調(diào)壓閉環(huán)調(diào)速控制策略后，系統(tǒng)的響應(yīng)速度得到了很大的提高，超調(diào)量減少，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也得到了提升。endprint

4 結(jié)語

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了有級調(diào)壓閉環(huán)調(diào)速控制策略的可行性，在系統(tǒng)中加入該控制策略后，系統(tǒng)的響應(yīng)速度得到了明顯的提高，系統(tǒng)的超調(diào)量也明顯減小，從而提高了系統(tǒng)的控制精度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，雙變量交-交變頻器閉環(huán)調(diào)速有級調(diào)壓控制策略可以推廣到工業(yè)應(yīng)用中，具有一定的應(yīng)用前景。

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