面向葉梗分離工藝過程的多電機同步調速方案研究

胡志敏

摘要：本文對直接轉矩控制的理論算法進行分析，面向葉梗分離工藝過程，對基于SVPWM的多電機同步調速DTC實現方案進行了研究。利用MATLAB中的Simulink仿真工具箱對理論模型進行搭建，設計和構建各控制模塊，來模擬控制系統逆變器，對電機參數、PI控制器參數等仿真參數進行調試，通過模擬系統的仿真來驗證設計系統的正確性。最后在STM32PF4平臺實現了多電機同步調速DTC算法。

關鍵詞：葉梗分離;直接轉矩控制;SVPWM;STM32F4

引言

隨著打葉復烤行業均質化加工的推進，各工序參數精準化控制必然是未來幾年的打葉復烤廠工藝控制的發展趨勢，然而葉梗分離工序是關系到卷煙質量和降本增效的關鍵工藝環節，但是目前打葉復烤行業在基于葉梗分離工藝過程的電機調速方案存在參數控制不精準，同一風分系統中的兩臺平衡風機無自動同步措施，通過人工調整變頻器來實現，同步性能差的問題。而且變頻產品不易維護、維護成本高。研究基于葉梗分離工藝過程的多電機同步調速方案對打葉復烤廠精益控制和降本增效意義重大。

1 多電機同步調速現狀

多電機同步調速在國內外都有較長的研究歷史，主要應用領域為同步拖動，如同步升降、同步傳動、轉角同步等，同步調速的研究主要基于獨立的變頻器控制，通過反饋的轉速偏差進行調整獨立的變頻器給定參數從而實現同步控制，基于獨立變頻器的的同步調速方案[1]主要有以下幾種結構：

1.1基于同步控制器的對等同步調速，該結構通過對不同電機轉速進行檢測，轉速反饋至同步控制器，由同步控制器比較設定轉速，將轉速偏差控制信號分別給定到各自獨立的變頻器進行同步控制。

1.2基于主從結構的同步調速[2]，該結果無需單獨的同步控制器，給定轉速到同步調速電機中的一臺，將該電機的轉速反饋作為其它電機變頻器的給定參數，其它電機并不是獨立的參考給定值，而是追蹤主機運行參數，這樣的同步調速結構相較基于同步控制器的對等同步調速精度改善很多。

1.3基于補償器的同步調速，不同電機之間的轉速通過補償器進行補償計算，轉速偏差通過補償給定值給定到各電機調速變頻器，這種結構的抗干擾能力較強，穩定性有所提升。

隨著DSP控制芯片運算速率的提升，和現代控制理論的發展，基于控制算法的多電機同步調速成為為近幾年的研究熱點。基于V/F標量控制 、矢量控制、DTC控制的多電機同步調速方案實現方法都有研究，但基于DTC控制的同步調速在算法復雜度和易實現性上體現了很大優勢。

2 多電機同步調速方案

基于SVPWM的DTC系統通過IGBT的不同開關組合輸出空間電壓矢量從而模擬形成細化的磁鏈圓，在多電機同步驅動過程中，由于各個電機拖動工況會有差異，所以負載和電流不會嚴格等同，雖然可以通過輸出相同的SVPWM保證轉速的基本相同，但因負載和電流的差異會導致轉速和負載的差異。

如果對多臺電機采用“平均化”控制思路[3]，即轉矩和磁鏈PI調節器每次比較輸出的是均值，將多臺電機檢測的電流、電壓、反饋轉速分別求平均值，將平均的反饋值參與轉矩和磁鏈計算，根據均值計算得到的轉矩和磁鏈結合扇區判別輸出空間電壓矢量，就得到了動態均值平衡的SVPWM多電機同步調速DTC系統。

3 基于定子的α-β坐標下的平均轉矩計算模型

以三臺電機為例。根據平均磁鏈和轉矩的計算模型，設計多電機同步DTC系統框圖如下：

其中控制電路由三大模塊，即測量模塊、計算模塊和調節模塊。其中ASR為速度調節器，采用PI控制。通過平均反饋值估計出電機的定子磁鏈和電磁轉矩后，與定子磁鏈指令集速度控制器給出的轉矩指令進行比較，根據需要選擇恰當的平均電壓矢量，即可完成控制。

4 仿真

根據圖3-1DTC系統框圖，以三臺電機同步調速為例，進行MATLAB同步調速仿真[4]研究，驗證基于SVPWM-DTC同步調速系統磁鏈軌跡圓。電機模型主要參數為：PN=35KW，UN=380V，fN=50Hz，RS=0.2205Ω，J=0.102kg·m2;速度PI模塊系數：kP=30，ki=20;

電機模型的轉矩給定：（1）電機M1以30N·m的負載啟動，負載持續到仿真結束。（2）電機M2以25N·m的負載啟動，負載持續到仿真結束。（3）電機M3以20N·m的負載啟動，負載持續到仿真結束。

5 實驗

為了驗證前述方案在葉梗分離工藝過程中應用的可行性，在異步電機的數字交流變頻實驗平臺進行了試驗。實驗平臺主要由主回路[5]和控制回路和驅動電路三部分構成。主回路包括整理器、逆變器、和保護電路;控制回路包括MCU（STM32F4）、電流、電壓、速度檢測傳感器、以及信號匹配調理電路。數字交流變頻試驗平臺的整體結構框架如圖5-1所示。

用設計系統同時驅動3臺異步電機來測試電機轉速的同步性，電機參數均為：PN=1.5KW，IN=3.7A， UN=380V。

如表5-1為不同負載功率時3臺電機測試最大轉速偏差測試數據可看出三臺電機隨著負載的增大轉速稍有下降，當負載功率超過額定功率時，轉速大幅掉落，系統過載能力差。但三臺電機最大轉速偏差為20RPM，轉速同步性能滿足工藝需求。

六、結束語

本文通過對打葉復烤葉梗分離工程中的電機調速特點分析，結合當前直接轉矩控制算法研究以理論算法為依據，基于“平均化”控制思想設計了基于SVPWM的多電機同步調速實現方案，在STM32硬件平臺設計了單MCU多電機同步調速方案。轉速同步性能較好，由于STM32[6]價格便宜，PWM通道多，功能強大，所以基于ARM平臺的異步電機控制系統將會節省一定經濟成本，是工程設計時可選的比較經濟的實現方案，但在轉矩性能及電流諧波控制穩定性方面還需進一步實驗驗證。

參考文獻：

[1]劉亞東，吳學智，黃立培.改善直接轉矩控制性能的SVPWM方法田.清華大學學報（自然科學版）2004，V01.44，No.7：869-872.

[2]李傳海，李峰，曲繼圣，趙棟利.周加強.空間矢量脈寬調制（SVPWM）技術特點及其優化方法.山東大學學報（工學版），2005，4：27～3l.

[3]馬秀娟，孫洋，張華強，劉陵順.基于DTC-SVM的多電機并聯驅動系統，電機控制與應用2014，41（6）.

[4]洪乃剛.電力電子和電力拖動控制系統的MATLAB仿真[M].北京：機械工業出版社，2006.

[5] C. Lascu， I. Boldea， and F. Blaabjerg， “A modified direct torque control for induction motor sensorless drive，” IEEE Trans. Ind. Appl.， Vol. 36，No. 1， pp. 122-130， Jan./Feb. 2000.

[6] 王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Cortex—M3微控制器原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008：11—25.