基于線路阻抗補償的寬頻帶微電流傳感器均流控制系統設計

林桂閩

均流控制系統可以使系統中各模塊在一定時間內實現自動均流，均流控制方法在其中發揮了較大的作用，主要包括主從電流和平均電流，以及最大電流等，其中，主從電流會在運行模塊中選擇一個主模塊作為參考值，剩余模塊可以追蹤相同參考值，以此實現傳感器的均流控制.雖然該系統可以較為簡單地控制電路，但過于依賴主模塊結構，一旦發生故障，會導致傳感器的均流輸出失敗，控制效果下降.基于平均電流法的控制系統是將每個模塊輸出的電流在完成采樣后直接傳輸給母線，以最終母線形成的數值代表各模塊的平均值，并將該值作為均流參考，以此實現傳感器均流.該系統的優勢是具有較高的均流精度，但對每個模塊參與的平均值要求較高，一旦出現一個模塊異常，則會影響整個系統的均流控制效果.為此，需要采用不同方法建立更加有效的控制系統，例如文獻［1］中提出了矢量控制系統，采用雙閉環結構對傳感器進行控制，即外環控制轉速環、內環控制電流環.在此基礎上，對傳感器的運作速度和運行節點位置進行控制，以計算機控制模型為基礎，采用滾動優化的方式和反饋策略，對傳感器進行實時監控，對其傳輸的數據信息進行反復校驗，以此控制運行誤差.但當誤差超過一定限制范圍時，其對傳感器的控制性能很難達到預期效果，導致傳感器容易受到外界因素影響，使其運行安全性下降.本文以線路抗阻補償技術為基礎，設計了寬頻帶微電流傳感器均流控制系統，為均流控制改進提供理論支持.

1 寬頻帶微電流傳感器均流控制系統硬件設計

1.1 以非線性跟蹤微分器構建均流控制系統框架

采用非線性自動切換模式對傳感器運行中的震顫現象進行控制，保證系統具有動態響應.兼顧傳感器快速性和準確性的要求，使傳感器具有較強的濾波功能［2］.為了減少高頻噪聲影響，實現傳感器濾波，設計非線性跟蹤微分器：

其中：n>0，β1 >0，β2 >0，α>1，均為常數；c>x>0，且均為奇數；m1、m2 為跟蹤微分器的狀態向量［3］；bv為輸入變量，v等于z或l，以z?l軸精準跟蹤為目標，即m1、m2 需要實現對傳感器z?l軸的精準跟蹤.

在各組參數設定完成后，產生跟蹤微分器的輸出變量m″1 和m″2，建立以非線性跟蹤微分器為基礎的傳感器控制框架，如圖1 所示.以非線性跟蹤微分器作為框架基礎，建立多個控制電路，并加入鎖相環和終端觀摩器，以對傳感器進行控制［4］.當輸入電壓進入電路時，觀測以跟蹤結果為基礎調節傳感器的傳輸速率，使其能夠對線路進行完整響應，滿足電流傳輸的速度要求.

圖1 傳感器均流控制框架

1.2 確定線路阻抗補償值設計傳感器采樣電路

傳感器是電力系統中重要部件，可以對兩側的電壓和電流數據進行實時測量，并通過不同的節點完成傳輸［5］.根據電阻的充放電功能實現傳感器一側的流量控制，計算線路阻斷的容量值k.

式中：傳感器的一側電力流為j1?2，運行占空比為h，開關頻率為g［6］，電阻兩端的阻斷電壓為fk，通過其進行線路補償時，只取25%的輸入電壓.以電路的結構復雜程度確定傳感器的半波和全波輸出結構，如圖2 所示.

設定電路中的抗阻為相等數值，圖2（a）中當只有Q1 線路導通時，傳感器才能夠接收到數據，而在關閉情況下，則無法進行數據采集或是接收.圖2（b）中當電流接入傳感器時，若為導通狀態，則在同一時間內只有一個電路導通，若為關斷狀態，電路可以均分負載電流.

圖2 傳感器電路電流輸出結構

2 基于線路阻抗補償的均流控制系統軟件設計

2.1 劃分傳感器廣義運行狀態空間

對傳感器劃分廣義狀態空間，數據采用傅里葉系數作為狀態向量，通過合適的狀態方程在常規狀態空間內設定函數關系［7］.電壓與開關的函數關系為：

式中：三相電壓測定時間周期為e，開關函數設置為wa1(e)、wb1(e)、wc1(e)，則各相與開關函數的關系為qa1、qb1、qc1［8?10］.由三相兩端的電壓和電流關系，引入比例因子r制衡調平點.

式中：上下兩組的承受電壓為t1和t2，直流電阻的電壓期望差為t.正負小矢量的分配方式為：

式中：小矢量作用時間為u，正負作用時間分別為u1和u2.當r>0時，正小矢量作用時間變短，t1變小、t2變大.當r=1時，去除正小矢量調制作用，只以負小矢量作用增大t2，同理r<0、r=?1 的情況也如此.

參照三相電路運行模式，列舉傳感器的狀態空間方程i″(e)=δi(e)+aq1(e)，狀態空間函數為i(e)，開關周期函數為q1(e)，其中δ、a為向量參數，表示如下：

式中：繞組電阻為s，各相分別為sa1、sb1、sc1，匝數比為d，各相為da1、db1、dc1，濾波電感為p，運行周期總量為o.

2.2 基于線路阻抗補償控制傳感器均流

常規模式下，傳感器能夠穩定地輸出電動機的各組參數，一旦發生故障，就會對傳感器的電流傳輸造成影響，從而無法判斷電動機的運行狀態，因此需要對傳感器進行均流控制［11］.在z?l軸精準跟蹤下，建立同步旋轉坐標系方程：

式中：z1、l2為定子電壓和電流，W1、W2為電機電壓與電流的同軸分量，同軸電感為R1，交軸電感為R2，電角頻率為χ，同軸運行慣性系數為η，運行周期為e，方程中直接引入補償阻抗Q［12］.傳感器轉矩和運動方程為：

式（9）為轉矩方程［13?14］，式（10）為運動方程.轉動慣性為P，極對數為I.通過1 階歐拉法進行方程離散，更新狀態空間函數.

式中：A(X)與W(X)表示在時間周期下的空間函數，z軸的輸出變量為z″［15］.若λ表示向量參數，則：

通過恒定的線路輸出速度，以電阻線路補償形式，在不同的時間周期下采樣傳感器電流，并在狀態向量空間下實現寬頻帶微電流傳感器均流控制.

3 實驗測試分析

文中設計了基于線路阻抗補償的寬頻帶微電流傳感器均流控制系統，為驗證該系統能夠均流控制寬頻帶微電流傳感器，利用對比實驗的方式進行論證.采用同步矢量控制系統作為對照，對系統的有效性和可行性進行測定.

3.1 測試環境搭建及測試數據準備

整個測試在SIMULINK 平臺中搭建系統環境，以傳感器作為電機轉矩和轉速測量工具，運用傳感器對電機進行電流測定，并實時跟蹤電機的運行情況.利用不同系統對傳感器進行電流控制，使其能夠根據電機的情況作出反應.測試條件為：轉速恒定時轉矩發生突變，不同系統對傳感器的波形控制效果，即在出現故障問題時，保證能夠在較小波動范圍內對電流進行穩定控制.

電機參數保持一致，轉速環PI 阻尼系數為0，電機相電阻為2.25 Ω，相電感為12.5 mH，轉動慣量為0.000 026 kg·m2.控制系統的運行時長為1.0 s，步長時間為10?5s，轉速為恒定的1 600 r/min，轉矩從0.5 N·m 突變為1.3 N·m，電機的啟動時間為0.1 s，在0.3 s 時出現轉矩突變.發揮兩組系統對傳感器的控制作用，測定其是否可以保證傳感器寬頻帶微電流的均衡輸出.

3.2 轉速恒定、轉矩突變后系統控制效果

為驗證不同系統的控制效果，以電動機的啟動和運行作為測試內容，將傳感器放置于電動機運行系統中，采用選定的傳感器對不同轉矩和轉速下的電流進行采樣，并將其輸送至測量中心.對轉速恒定但轉矩故障時的控制效果進行測試，同步矢量控制系統的控制結果見圖3.

圖3 傳統系統的波形情況

圖3中，在同步矢量控制系統中，傳感器采集到的轉速波形較大，其波動范圍超過±2.2 r/min.轉矩波形存在脈動過大問題，波動范圍在0.85～1.65 N·m 之間，與給定數據存在誤差.分析可知，在傳統系統應用后，電流波形的正弦度并不規整，無法達到均流控制效果.以相同的測定效果繪制本文系統的控制結果，如圖4 所示.

圖4 本文系統的波形情況

從圖4 中可以看出，本文系統具有很好的轉速性，轉速的脈動范圍在0.3 r/min 之內，可有規律地對脈動現象進行控制，能夠在突變時完成波形采集，范圍在1.26～1.29 N·m 之間，誤差范圍較小.綜合轉矩和轉矩情況，對傳感器的輸出電流進行描述，其波形輸出較為穩定，比傳統系統的正弦度高，脈動范圍極小.

根據兩組測試可知，傳統系統以矢量作為控制標準，對硬件的控制要求不高，因此對轉速、轉矩和電流波形控制上會產生嚴重的脈動現象，無法保證傳感器電流的均衡輸出.本系統通過線路阻抗補償，并以非線性跟蹤器對傳感器進行采樣周期的跟蹤，具有一定的控制能力，能夠抑制脈動現象，電流可以平穩輸出，應用效果較好.

4 結語

線路阻抗是影響電路電流分布的主要因素，為了提升電流控制能力，需要采用化繁為簡的思路，直接以線路阻抗補償的方式消除阻抗對電路系統的負面影響，設計傳感器均流控制系統.采用本系統對電機的測量傳感器進行控制后，能夠在發生轉矩故障時穩定數據傳感器電流，應用效果較好.本文在測試過程中僅能對轉矩的故障進行分析，沒有對轉速問題設定控制條.后續研究中會針對不足之處進行深入研究，拓寬控制系統的應用范圍，為傳感器的監測和控制提供理論支持.