大型電氣控制器的節能設計與實現

徐莉++岳萍

摘 要： 為了提高大型電氣控制設備的節能效果，降低功耗，提高輸出功率增益，提出基于內環控制器適應度補償和DC/AC 逆變模型的大型電氣控制器的節能設計方法。構建大型電氣設備控制器單元模型，建立電流內環控制的電氣控制器DC/AC 逆變模型，采用內環控制器適應度補償方法進行輸出增益控制，實現大型電氣控制器的硬件設計。實驗結果表明，采用該方法進行大型電氣控制器設計，節能效果較好，輸出功率增益較高。

關鍵詞： 電氣控制器； 逆變模型； 輸出增益控制； 節能設計

中圖分類號： TN876?34； TM721 文獻標識碼： A 文章編號： 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

大型電氣設備系統的節能設計指標取決于合理的模型結構和準確的模型參數，通過對電氣自動化控制，降低外部擾動特性和外界干擾對電氣設備的輸出功率增益的影響，實現大型電氣控制器的節能設計。對大型電氣設備的控制器設計方法主要建立在粒子群算法[1]、暫態建模和比例?積分調節控制方法基礎上[2]，通過對大型電氣設備控制器單元建模，結合搜索?高斯過程混合算法有效地控制功率實現電氣設備控制器單元模型的優化設計[3]，以輸出電壓增益、功率損耗為約束參量，進行節能設計，但傳統方法存在功率開銷較大，節能效果不好[4]。對此，提出基于內環控制器適應度補償和DC/AC 逆變模型的大型電氣控制器的節能設計方法，通過對節能控制模型的算法和硬件設計，實現電氣控制器節能優化設計，取得較好的效果。

1 大型電氣控制器的節能設計的總體構架

大型電氣設備控制器單元模型主要由 DC/AC 逆變器模型、電流內環控制器和外環控制模型等組成，電氣設備集成智能控制系統是建立在嵌入式操作系統基礎上的，通過移植后可以運行在不同的硬件平臺上，結合控制算法和前期的硬件電路設計，實現對大型電氣設備的多線程控制，并使電氣設備集成智能控制系統運行在ARM，PowerPC等多種硬件平臺上，保障控制系統的軟件程序具有較好的移植性和人機交互性，并實現在物聯網環境下大型電氣設備的智能節能控制。大型電氣設備集成智能控制系統的嵌入式Linux系統分為四個層次，分別為：參量輸入層、硬件設計模塊層、控制核心層和人機交互層[5?6]。根據上述開發環境和控制系統的總體設計描述，得到大型電氣設備節能控制器，其大型電氣設備控制器結構模型如圖1所示。

2 電氣控制器節能設計優化

2.1 電氣控制器DC/AC逆變模型

在上述進行了大型電氣設備的控制器的參量分析和控制模型設計的基礎上，進行電氣控制器節能設計優化。本文提出一種基于內環控制器適應度補償和DC/AC 逆變模型的大型電氣控制器的節能設計方法，建立電流內環控制的電氣控制器DC/AC 逆變模型。大型電氣設備控制器單元模型主要由 DC/AC 逆變器及內環控制模型構建[7]，其中內環控制模型的結構框圖見圖2。

2.3 節能控制的硬件實現

根據上述模型設計和電路分析，進行大型電氣控制器節能設計的硬件設計。硬件模塊設計中，主要由GT8340嵌入式控制芯片和電機驅動器組成，采用IRPF260N型電路設計方法，采用ADSP21160處理器作為核心控制芯片進行系統集成電路設計，采用單220交流供電，輸入峰值為3 Vpp，其時鐘中斷接口支持8個多頻的節能中斷控制，直接從地址0x20000000執行交流耦合信號調制，從外部的8位或16位存儲器引導程序加載，通過JTAG接口訪問CPU的內部寄存器，實現節能控制的硬件電路設計，如圖4所示。

在大型電氣控制節能設計中，控制命令格式是十六進制，控制命令的結構表見表1。

3 實驗測試分析

實驗軟件平臺建立在Matlab 7.0仿真軟件的基礎上，在實驗測試中，大型電氣控制器的轉矩輸出在1.2～3.5之間取值，節能控制電機的最大轉速為154 rad/s，其他參數設置見表2。

根據上述仿真環境設定，進行控制性能測試，圖5和圖6分別給出了采用本文方法和傳統的參數辨識方法進行電氣節能控制的輸出電流及功率增益對比。分析仿真結果得知，采用本文方法進行大型電氣節能控制，輸出電流及功率增益的內環、外環輸出動態響應的曲線的增益更高。本文模型更與理想的輸出參量接近，說明節能效果更好，性能優越。

4 結 語

為了提高大型電氣控制器的節能效果，提出基于內環控制器適應度補償和DC/AC 逆變模型的大型電氣控制器的節能設計方法。實驗測試表明，本文方法進行電氣控制器節能設計時，輸出的電流穩定，功率增益較大，比傳統方法更接近于理想水平，具有優越性。

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