交流测功机转矩闭环控制之策略研究

作者：高标科技 李茂森    来源：《控制与传动》

欢迎访问e展厅 展厅 2 变频器展厅 矢量变频器, 变频调速设备, ... 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。 DTC+PID，体内循环 为了实现DTC变频器的转矩闭环控制，重庆高标公司对此进行了长期深入的研究与试验。在ABB中国传动部的大力支持与帮助下，运用ABB提供的开发工具，将转矩闭环控制所需要的全部功能模块（软件模块），组成一种全新的转矩闭环控制策略，我们叫它DTC+PID。 完成后的控制策略直接安装到变频器的主板内存中，与变频器的其它功能高度集成，协调统一，实现了DTC控制与PID控制的完美结合。这种控制模式我们叫“体内循环”。 DTC+PID如同给变频器增加了转矩闭环控制的功能。从此不再需要外部的数据采集、PID调节等模块，也无需研究PID算法和参数如何整定等学术问题。 DTC+PID+STP，转矩精确控制 复合制导是导弹的专业术语，是说采用多种制导手段来提高导弹探测、跟踪和攻击目标的精度，实现精确打击，减少平民伤亡。制导手段有雷达、激光、远红外、CCD和GPS等。 基于复合制导的战术思想，我们在DTC+PID转矩闭环控制的基础上使用了一种复合控制策略，实现了转矩的精确控制。我们把这种全新的控制策略称为DTC+PID+STP转矩精确控制，STP是高标公司的简写，意思是高标独创的控制策略。其主要特点是： n具有DTC（开环）和PID（闭环）两种控制模式，动态特性完全相同，可任意转换。 n转矩误差值绝对可控，与传感器量程无关，最高控制精度0.2Nm（ETH传感器）。 n消除了PID参数对闭环可能造成的影响，全量程范围内无过冲，无波动，无静差。 图示波形为某品牌5Nm伺服电机的阶梯加载试验曲线。蓝色线是转矩给定，绿色线是加载转矩（完全真实的扭矩传感器信号输出），无转速测量（红色线）。 提示：实现小扭矩闭环是考验闭环策略的关键所在。高标的STP控制策略从1.0Nm起步，即从克服电机转动惯量开始，就完全实现了转矩的精确闭环控制。 交流测功机，新的时代 从动力试验的发展历程和使用方法来看，现代的动力试验已经远远超出了转速、转矩和功率等基本参数的测试，交流测功机也不仅仅只是完成单一的负载模拟和能量吸收功能。先进的交流传动技术促进了交流测功机技术的成熟与发展，为现代动力试验设备提供了诸多新的解决方案和测控手段，为提高发动机、电动机、汽车等动力设备和车辆的总体性能发挥了前所未有的作用，开创了动力试验新的时代。 我们始终认为，交流测功机是一门技术，动力试验是一个专业。只有从技术的角度和专业的高度去研究和应用交流测功机，才能做出性能优良、质量可靠的动力试验系统。

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