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交流测功机转矩闭环控制之策略研究

2012-06-04 14:20
FlappyBird
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  从电气传动的角度来看,交流测功机是交流传动,即变频器的一种特殊的应用场合与方式。传统的测功机只是动力试验的负载模拟和能量吸收装置,由于设备的特殊性和应用的单一性,因而也就习惯性的把交流测功机看作是“变频器+电动机。”这就如同把雷达看作是简单的无线电接受与发射装置一样,是非常片面的。

  从测功机的角度来看,交流测功机是一种新型的电力测功器。它采用交流异步电动机做加载装置,加载电机由变频器提供驱动电源,并精确的控制其转矩和转速。此外,交流测功机同时具有驱动(电动机)和制动(测功机)两种工作模式,可以实现多种传统测功机不能进行的加载方案,如瞬态加载、加载/反拖转换、动态堵转和带载启动等。目前,AVL、SCHENCK、BURKE等国际著名的动力试验设备厂家都积极推广和应用基于交流测功机的动力试验系统,并认为是目前和未来最好的测控方案。

  什么是DTC?

  DTC即直接转矩控制(DirectTorqueContol)的英文简写,是一种先进的交流异步电机变频调速控制技术,与磁通矢量变频技术共同发展,广为应用。DTC把电机的转矩作为控制参量,具有无与伦比的转矩动态响应和优异的转速和转矩控制特性。这一点与动力试验对转矩的要求非常一致,因此DTC变频器成为交流测功机的首选,简称DTC交流测功机。

  DTC变频器可以在没有扭矩传感器的情况下控制电机的转矩,其原理是依照它自己内部DTC电机模型的计算。DTC控制的转矩我们称为电气转矩,非常快,非常稳,但是不准,因为没有扭矩传感器的反馈,不是电机和传动轴上真实的机械扭矩。

  为了实现转矩的准确控制,必须采取转矩闭环控制策略。

  PID,体外循环

  提起闭环控制,我们都会想到PID。PID是一种经典的闭环控制策略,在自动控制领域广泛应用,如电机转速控制、伺服控制以及风机、泵的压力和流量控制等场合。

  PID有多种算法,也叫控制策略,可以由PC机、PLC或专用的PID模块来实现。我们把这种在变频器之外独立实现的转矩闭环控制策略称为“体外循环”,以有别于高标公司在变频器内部实现的“体内循环”。

  根据我们的研究与实验,“体外循环”之转矩闭环控制策略存在以下几方面问题和缺陷,我们认为不适合做DTC交流测功机。

  1)转矩过冲和波动。DTC变频器的转矩动态响应时间,即加载转矩从零阶跃上升到100%额定转矩的时间小于5ms。而从扭矩传感器输出信号开始信号调理、数据采集、再到PID运算后产生变频器的转矩调整信号,远远超过100ms。因此,PID调节的动态响应根本无法跟上DTC,这必将出现加载电机在启动和调整过程中的转矩过冲和波动。

  2)参数整定。交流测功机之最大加载转矩因设备用途而异,从50Nm到1000Nm,甚至更大。要从1.0Nm开始(扣除电机的转动惯量)到最大转矩之全量程范围内仅仅依靠P、I、D三个参数的整定来保证转矩闭环控制的准确性和稳定性是极其困难的(我个人认为是不可能的)。此外,PID算法和参数整定是个学术问题,对我这个理论水平不高的人来说非常头疼,无法整定到所谓的最佳状态。

  3)扭矩传感器。扭矩传感器的技术数据除了量程和测量误差之外,还有一个非常重要的技术数据是扭矩传感器自身的动态响应时间。德国ETH某型号传感器明确标注的数据是:risetime10-90%=2ms。而我们某些国产传感器厂家对此数据要么不说,要么胡说八道。

  因此,如果使用了动态响应时间慢的传感器,当电机加载转矩上去了,而扭矩传感器还没有反应出来,如何闭环?又有何意义?其结果还是要产生过冲和波动。

  4)转矩控制精度。测功机是原动机的负载模拟装置,对转矩控制精度的要求当然是越高越好。同时,测功机是计量装置,转矩控制精度、非线性度和重复性等技术指标非常重要必须。PID“体外循环”的这些数据是多少,只能是谁用谁知道。

  5)零转速满转矩。DTC变频器可以在电机零转速,并从零转速开始控制加载电机的转矩。而其它类型的变频器在低速(低频)时的转速-转矩特性不好,更谈不上闭环了。

  综上所述,“体外循环”PID控制策略不能解决交流测功机之转矩闭环控制问题,由此做出来的交流测功机确实是“变频器+电动机”。据我们所知,很多单位就是这么干的。从技术上来说是错误的,而对用户来说是极其不负责任的。

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