面向葉梗分離工藝過程的多電機(jī)同步調(diào)速方案研究

胡志敏

摘要：本文對直接轉(zhuǎn)矩控制的理論算法進(jìn)行分析，面向葉梗分離工藝過程，對基于SVPWM的多電機(jī)同步調(diào)速DTC實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了研究。利用MATLAB中的Simulink仿真工具箱對理論模型進(jìn)行搭建，設(shè)計(jì)和構(gòu)建各控制模塊，來模擬控制系統(tǒng)逆變器，對電機(jī)參數(shù)、PI控制器參數(shù)等仿真參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，通過模擬系統(tǒng)的仿真來驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的正確性。最后在STM32PF4平臺實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)同步調(diào)速DTC算法。

關(guān)鍵詞：葉梗分離;直接轉(zhuǎn)矩控制;SVPWM;STM32F4

引言

隨著打葉復(fù)烤行業(yè)均質(zhì)化加工的推進(jìn)，各工序參數(shù)精準(zhǔn)化控制必然是未來幾年的打葉復(fù)烤廠工藝控制的發(fā)展趨勢，然而葉梗分離工序是關(guān)系到卷煙質(zhì)量和降本增效的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，但是目前打葉復(fù)烤行業(yè)在基于葉梗分離工藝過程的電機(jī)調(diào)速方案存在參數(shù)控制不精準(zhǔn)，同一風(fēng)分系統(tǒng)中的兩臺平衡風(fēng)機(jī)無自動同步措施，通過人工調(diào)整變頻器來實(shí)現(xiàn)，同步性能差的問題。而且變頻產(chǎn)品不易維護(hù)、維護(hù)成本高。研究基于葉梗分離工藝過程的多電機(jī)同步調(diào)速方案對打葉復(fù)烤廠精益控制和降本增效意義重大。

1 多電機(jī)同步調(diào)速現(xiàn)狀

多電機(jī)同步調(diào)速在國內(nèi)外都有較長的研究歷史，主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橥酵蟿?，如同步升降、同步傳動、轉(zhuǎn)角同步等，同步調(diào)速的研究主要基于獨(dú)立的變頻器控制，通過反饋的轉(zhuǎn)速偏差進(jìn)行調(diào)整獨(dú)立的變頻器給定參數(shù)從而實(shí)現(xiàn)同步控制，基于獨(dú)立變頻器的的同步調(diào)速方案[1]主要有以下幾種結(jié)構(gòu)：

1.1基于同步控制器的對等同步調(diào)速，該結(jié)構(gòu)通過對不同電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，轉(zhuǎn)速反饋至同步控制器，由同步控制器比較設(shè)定轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速偏差控制信號分別給定到各自獨(dú)立的變頻器進(jìn)行同步控制。

1.2基于主從結(jié)構(gòu)的同步調(diào)速[2]，該結(jié)果無需單獨(dú)的同步控制器，給定轉(zhuǎn)速到同步調(diào)速電機(jī)中的一臺，將該電機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋?zhàn)鳛槠渌姍C(jī)變頻器的給定參數(shù)，其它電機(jī)并不是獨(dú)立的參考給定值，而是追蹤主機(jī)運(yùn)行參數(shù)，這樣的同步調(diào)速結(jié)構(gòu)相較基于同步控制器的對等同步調(diào)速精度改善很多。

1.3基于補(bǔ)償器的同步調(diào)速，不同電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速通過補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，轉(zhuǎn)速偏差通過補(bǔ)償給定值給定到各電機(jī)調(diào)速變頻器，這種結(jié)構(gòu)的抗干擾能力較強(qiáng)，穩(wěn)定性有所提升。

隨著DSP控制芯片運(yùn)算速率的提升，和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，基于控制算法的多電機(jī)同步調(diào)速成為為近幾年的研究熱點(diǎn)?；赩/F標(biāo)量控制 、矢量控制、DTC控制的多電機(jī)同步調(diào)速方案實(shí)現(xiàn)方法都有研究，但基于DTC控制的同步調(diào)速在算法復(fù)雜度和易實(shí)現(xiàn)性上體現(xiàn)了很大優(yōu)勢。

2 多電機(jī)同步調(diào)速方案

基于SVPWM的DTC系統(tǒng)通過IGBT的不同開關(guān)組合輸出空間電壓矢量從而模擬形成細(xì)化的磁鏈圓，在多電機(jī)同步驅(qū)動過程中，由于各個(gè)電機(jī)拖動工況會有差異，所以負(fù)載和電流不會嚴(yán)格等同，雖然可以通過輸出相同的SVPWM保證轉(zhuǎn)速的基本相同，但因負(fù)載和電流的差異會導(dǎo)致轉(zhuǎn)速和負(fù)載的差異。

如果對多臺電機(jī)采用“平均化”控制思路[3]，即轉(zhuǎn)矩和磁鏈PI調(diào)節(jié)器每次比較輸出的是均值，將多臺電機(jī)檢測的電流、電壓、反饋轉(zhuǎn)速分別求平均值，將平均的反饋值參與轉(zhuǎn)矩和磁鏈計(jì)算，根據(jù)均值計(jì)算得到的轉(zhuǎn)矩和磁鏈結(jié)合扇區(qū)判別輸出空間電壓矢量，就得到了動態(tài)均值平衡的SVPWM多電機(jī)同步調(diào)速DTC系統(tǒng)。

3 基于定子的α-β坐標(biāo)下的平均轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型

以三臺電機(jī)為例。根據(jù)平均磁鏈和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算模型，設(shè)計(jì)多電機(jī)同步DTC系統(tǒng)框圖如下：

其中控制電路由三大模塊，即測量模塊、計(jì)算模塊和調(diào)節(jié)模塊。其中ASR為速度調(diào)節(jié)器，采用PI控制。通過平均反饋值估計(jì)出電機(jī)的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩后，與定子磁鏈指令集速度控制器給出的轉(zhuǎn)矩指令進(jìn)行比較，根據(jù)需要選擇恰當(dāng)?shù)钠骄妷菏噶?，即可完成控制?/p>

4 仿真

根據(jù)圖3-1DTC系統(tǒng)框圖，以三臺電機(jī)同步調(diào)速為例，進(jìn)行MATLAB同步調(diào)速仿真[4]研究，驗(yàn)證基于SVPWM-DTC同步調(diào)速系統(tǒng)磁鏈軌跡圓。電機(jī)模型主要參數(shù)為：PN=35KW，UN=380V，fN=50Hz，RS=0.2205Ω，J=0.102kg·m2;速度PI模塊系數(shù)：kP=30，ki=20;

電機(jī)模型的轉(zhuǎn)矩給定：（1）電機(jī)M1以30N·m的負(fù)載啟動，負(fù)載持續(xù)到仿真結(jié)束。（2）電機(jī)M2以25N·m的負(fù)載啟動，負(fù)載持續(xù)到仿真結(jié)束。（3）電機(jī)M3以20N·m的負(fù)載啟動，負(fù)載持續(xù)到仿真結(jié)束。

5 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證前述方案在葉梗分離工藝過程中應(yīng)用的可行性，在異步電機(jī)的數(shù)字交流變頻實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺主要由主回路[5]和控制回路和驅(qū)動電路三部分構(gòu)成。主回路包括整理器、逆變器、和保護(hù)電路;控制回路包括MCU（STM32F4）、電流、電壓、速度檢測傳感器、以及信號匹配調(diào)理電路。數(shù)字交流變頻試驗(yàn)平臺的整體結(jié)構(gòu)框架如圖5-1所示。

用設(shè)計(jì)系統(tǒng)同時(shí)驅(qū)動3臺異步電機(jī)來測試電機(jī)轉(zhuǎn)速的同步性，電機(jī)參數(shù)均為：PN=1.5KW，IN=3.7A， UN=380V。

如表5-1為不同負(fù)載功率時(shí)3臺電機(jī)測試最大轉(zhuǎn)速偏差測試數(shù)據(jù)可看出三臺電機(jī)隨著負(fù)載的增大轉(zhuǎn)速稍有下降，當(dāng)負(fù)載功率超過額定功率時(shí)，轉(zhuǎn)速大幅掉落，系統(tǒng)過載能力差。但三臺電機(jī)最大轉(zhuǎn)速偏差為20RPM，轉(zhuǎn)速同步性能滿足工藝需求。

六、結(jié)束語

本文通過對打葉復(fù)烤葉梗分離工程中的電機(jī)調(diào)速特點(diǎn)分析，結(jié)合當(dāng)前直接轉(zhuǎn)矩控制算法研究以理論算法為依據(jù)，基于“平均化”控制思想設(shè)計(jì)了基于SVPWM的多電機(jī)同步調(diào)速實(shí)現(xiàn)方案，在STM32硬件平臺設(shè)計(jì)了單MCU多電機(jī)同步調(diào)速方案。轉(zhuǎn)速同步性能較好，由于STM32[6]價(jià)格便宜，PWM通道多，功能強(qiáng)大，所以基于ARM平臺的異步電機(jī)控制系統(tǒng)將會節(jié)省一定經(jīng)濟(jì)成本，是工程設(shè)計(jì)時(shí)可選的比較經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)方案，但在轉(zhuǎn)矩性能及電流諧波控制穩(wěn)定性方面還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

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