多風機風洞動力系統性能優化研究

洛陽中重自動化工程有限責任公司 河南洛陽 471039

在風洞系統中，為了對試驗物體進行精確的性能測試，需要得到較高壓力和較高速度的風流，該種工況通常需要多臺風機同步工作，協調運行。為了保證在試驗工況及負載變化時風流系統的穩定性，在不改變風機葉輪機械結構和角度的前提下，需要利用風機傳動系統動態調整電動機轉速，從而實現風速和風量的平滑連續調節，保證調節時風流系統動態及穩態精度[1]。筆者從風洞風機傳動系統入手，通過在變頻風機傳動系統控制器中引入 3 種控制軟件，采用合理的速度調節算法，有效解決了功率平衡及轉速同步問題，改善了系統低速及高速性能，提高了系統的動靜態穩定控制精度。

1 需求分析

對于傳統的交流電動機變頻調速控制系統，如果負載對控制器的調速性能沒有嚴格的要求，采用常規的 V/F 轉速調節控制方式即可實現電動機全功率段的速度調節。對于多臺交流電動機拖動的風洞風流系統，由于負載和試驗對象對風流系統變化較為敏感，系統因外部擾動，導致風流系統姿態發生變化時，要求調速系統控制器能夠采取措施控制風機轉速輸出，調整風流迅速恢復至穩定狀態。此外，對控制器在穩速控制精度，多機同步精度，動態控制精度，負載變化引起轉速恢復時間上要求也更加嚴格。

2 技術應用

為解決上述問題，在傳動系統控制器中，引入了3 種控制算法，根據系統工況需求，調節和整定控制器參數，最終達到風流系統所需的要求。

2.1 矢量控制

相較于傳統壓頻比控制算法，采用基于轉子磁場定向的矢量控制算法，可實現轉矩電流與勵磁電流的完全解耦[2]，從而實現轉矩電流與勵磁電流的精準控制。基于矢量控制算法建立的磁鏈觀測模型如圖 1所示。外環為磁鏈環和轉速環，速度環調節輸出轉矩電流給定信號isT*，磁鏈環輸出勵磁電流給定信號isM*。反饋電流經過旋轉坐標變換分解為轉矩電流分量isT和勵磁電流分量isM。isT*、isT經過 PI 調節輸出轉矩電壓分量usT；isM*、isM經過 PI 調節輸出勵磁電壓分量usM。usT、usM經坐標變換后輸出三相電壓調制波，調制波經 SPWM 模塊調制后輸出 PWM 開關信號，開關信號驅動 IGBT 產生所需要的電壓波形。

圖1 矢量控制邏輯Fig.1 Vector control logic

由圖 1 可以看出，如果低速時采用電流磁鏈模型，高速時采用電壓磁鏈模型，并利用編碼器監測的實時轉速無擾切換 2 種模型，利用磁鏈觀測器的精確監測數據，進行磁鏈閉環控制，可以實現對磁鏈的實時、精確控制，保持磁鏈穩定，從而減小轉矩波動，更好地穩定轉速。利用此控制算法，可以保證風機系統在穩態時的速度控制精度和運行時的同步精度。

2.2 微分先行控制

在系統試驗工況及負載動態變化時，為了不影響測試效果，需要風機能夠抑制風流系統的擾動或快速調節至穩定狀態。如果采用常規的 PID 調節控制算法，系統抗擾動能力和恢復時間均不能滿足要求。常規 PID 控制算法下系統的階躍響應及斜坡加速的仿真波形如圖 2 所示。

圖2 常規 PID 控制算法下的仿真波形Fig.2 Simulation waveform based on conventional PID control algorithm

考慮在保留常規交流電動機調速控制器電流內環、轉速外環雙閉環控制方式和控制功能的基礎上，在控制器的速度閉環反饋路徑上增加微分先行，并設置該功能可根據工況自動投切[3]。微分先行是指只對測量值起微分作用的控制算法，微分環節在反饋通道中，位于設定值與測量值比較點之間。增加該功能后的調速控制器結構如圖 3 所示。

圖3 微分先行矢量控制邏輯Fig.3 Differential forward vector control logic

帶轉速反饋微分先行的系統的階躍響應、斜坡加速的仿真波形如圖 4 所示。與圖 2 相比，帶轉速反饋微分先行系統控制穩定性明顯提高，同時消除了系統超調[4]。

圖4 增加微分先行的仿真波形Fig.4 Simulation waveform after adding differential forward

PI 調節器的變對象階躍響應實測曲線如圖 5 所示。由圖 5 可以看出，相對于普通 PI 調節器 (5＜Tm＜20)，反饋微分先行的 PI 調節器在控制對象 (5＜Tm＜45) 的適應性上存在明顯優勢。采用微分先行控制算法，可有效抑制調速系統超調，系統抗擾動能力增強，對于由于負載擾動而導致的風流系統姿態變化，能夠快速響應、調節至穩定狀態。

圖5 斜波加速實測波形Fig.5 Actual measured waveform of oblique wave acceleration

2.3 變 M/T 的編碼器速度計算

在有速度傳感器的矢量控制系統中，調速控制器的轉速反饋信號由脈沖編碼器產生，編碼器速度測量的精度直接關系到速度閉環調節的準確性。為了保證電動機在系統要求的額定調速范圍內實現電動機轉速的精確測量，除了提高編碼器轉速的計算時鐘頻率外，還需要采用合適的編碼器測量速度計算方法，才能最終保證在高速或低速范圍內精確的轉速測量[5]。

傳統 M 法測速是通過檢測一段規定時間間隔內的編碼器脈沖個數來計算轉速。這種方法高速時時間間隔T內脈沖數M1較多，測速精度較高；低速時規定時間間隔T內脈沖數M1較少，計算誤差變大。如果時間間隔T過長，會造成轉速響應時間較長，最終影響轉速動態響應性能。

傳統 T 法測速是通過測量 2 個相鄰編碼器脈沖時間間隔進行轉速計算。這種方法在低速時由于編碼器脈沖周期T較長，測速高頻時鐘M2較多，從而測速精度較高。但在高速時由于編碼器脈沖周期T很短，測速高頻時鐘個數M2較少，測速精度較低。假定電動機額定轉速為 500 r/min，編碼器測速高頻時鐘為 40 MHz。采用 T 法進行電動機轉速的測量，如果編碼器的脈沖數為 2 048，4 倍頻后為 8 192，在額定轉速下編碼器脈沖周期T=14.648 437 5 s，測速高頻時鐘周期個數M2約為 586 個，測速相對誤差為一個測速高頻時鐘周期內的 1/M2，則測速精度約為0.1706%，穩速精度不高。

通過對 M 法和 T 法測速的各自特點研究發現，如果在低速段和高速段分別采用 T 法和 M 法測速，則可同時兼顧低速和高速的測速精度，并具有良好的實用性。因此在控制器中引入變 M/T 法測速算法，具體實現過程如下：同時對編碼器脈沖M1、高頻脈沖M2及預設時間T進行定時和計數，設定時間T始終等于編碼器脈沖M1的周期和，根據上一次所測轉速及時調整預設的編碼器脈沖M1的數值，達到實時調整預設時間T的目的[6]。采用變 M/T 法測速后，電動機在全調速區間內，能夠實現速度的精確測量，無論在低速段還是高速段，轉速測量精度均能達到系統要求，從而保證速度閉環控制。

3 試驗驗證

采用上述控制算法和控制策略優化后的風機風流系統，經過廠內試驗驗證，性能及技術指標相較于傳統的控制器有很大的提升。通過試驗驗證、示波器測量，優化后的系統技術參數如表 1 所列。

表1 系統技術參數Tab.1 Technical indexes of system

4 結語

為了滿足多臺風機系統負載的特殊運行要求，在傳動系統控制器內加入特殊的控制策略和控制算法。經過試驗發現，系統無論在控制精度、低速及高速的靜態穩定性和動態及穩態切換過程中的調節快速性等方面都有很大的提升。在實際應用中，可從技術指標

入手，通過監測實際數值進行系統性能驗證。