劉曉君

（海洋石油工程股份有限公司安裝事業(yè)部）

0 引言

在海洋工程船舶吊機(jī)中，電機(jī)的控制系統(tǒng)有兩種控制模式：V／F控制模式和FOC控制模式?；赩／F控制通常通過設(shè)定輸出頻率和輸出電壓，并保障電壓和頻率的比值為一個常數(shù)，以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。這是一種開環(huán)控制模式，在實際使用中很少用到，在這里我們不作詳細(xì)介紹。FOC（Flux Vector Control or Field-Oriented Control）控制模式是實際使用中用到的一種控制模式，這種控制模式將對磁通的控制從力矩控制中分離出來，是一種閉環(huán)控制。

在FOC模式中，逆變器控制包含以下參數(shù)值的調(diào)節(jié)：電流Isd（磁通電流）、電流Isq（轉(zhuǎn)矩電流）、磁通量、轉(zhuǎn)速。每個參數(shù)均用閉環(huán)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的方框圖如圖1所示。

圖1

這種控制的特點(diǎn)是將反饋信號源于被控系統(tǒng)。將設(shè)定值減去這個顯示被控變量的實際狀態(tài)的反饋信號。設(shè)定值和反饋值的差值確立了偏差信號的振幅和相位，并將信號提供給PI控制器；控制器的輸出影響被控系統(tǒng)，使其減少誤差信號。典型的被控量的階躍響應(yīng)的變化趨勢如圖2所示。

圖2

從這個典型的變化中我們可以看出閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)可以由以下變量來描述。

上升時間Tr：上升時間為參考的階躍變化的時間起點(diǎn)到被控變量的值達(dá)到靜差帶的值之間的時間。

超調(diào)量：被控變量達(dá)到的最大值和設(shè)定值之間的相應(yīng)差值。

穩(wěn)定時間Ts：被控量最終達(dá)到靜差帶的時間點(diǎn)與加入階躍干擾的時間的差值。

靜差帶：被控變量的最小變化在一個平均的變化動作中。因此，靜差帶就是一個控制器無法使被控系統(tǒng)達(dá)到準(zhǔn)確值的一個“誤差”。

被控變量隨階躍干擾的時間變化趨勢可以通過選取合適的控制器增益來修改，控制器增益如下：比例增益Kp；積分增益Ki。

比例增益Kp是偏差信號的一個系數(shù)，以此產(chǎn)生一個相應(yīng)的比例變化，增加比例增益可以縮短上升時間Tr。太大比例增益可能會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

積分增益Ki是偏差信號的積分系數(shù)；這樣可以產(chǎn)生一個相應(yīng)的動作使得被控變量和設(shè)定值之間的偏差減小。過大的積分增益會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

控制器的整定由以下兩項得出：在無負(fù)載馬達(dá)時的整定、滿負(fù)載時馬達(dá)的整定。

無負(fù)載馬達(dá)的整定涉及以下回路：Isd電路、磁通量、轉(zhuǎn)速。

帶負(fù)載馬達(dá)的整定只有在想修改Isq轉(zhuǎn)矩電路回路的動態(tài)參數(shù)并且／或由于負(fù)載變化引起的速度變化，其中在滿負(fù)荷的任何時候均檢測到系統(tǒng)不穩(wěn)定。

整定函數(shù)可以由屬于當(dāng)?shù)販y試控制（LocalTestCtrls）菜單中的SelTn參數(shù)的方法獲得。下表中的參數(shù)為可能遇到的參數(shù)。

表

1 Isd控制器的整定

Isd電流控制器的整定函數(shù)僅僅在驅(qū)動處于準(zhǔn)備狀態(tài)時可被激活。它的激活設(shè)定為：

如果想在驅(qū)動未在準(zhǔn)備狀態(tài)時進(jìn)行整定，控制將自動設(shè)置為：

Isd電流控制器的整定函數(shù)可以防止外部回路（通量、速度）失效并且設(shè)定Isq的轉(zhuǎn)矩電路控制器的設(shè)定值為0。并且，它可以提供一個方波信號作為Isd電路控制器的初始值。方波具有兩種電平，主要表現(xiàn)為高電平和低電平，這兩種電平可以通過LocalTestCtrls菜單中的參數(shù)I sdM1和I sdM2的平均值來設(shè)定。這些參數(shù)的默認(rèn)值為：

方波的周期可以通過同菜單中的TnPer參數(shù)進(jìn)行修改，默認(rèn)值為8s。

為能夠整定，模擬的輸出信號1Sig，2Sig和3Sig能夠自動配置以成為對整定舉例有用的控制器信號。為了能夠完成控制器的整定，驅(qū)動需一直運(yùn)行并且可以調(diào)整控制器的比例和積分增益（參數(shù)IsdKp和IsdKi屬于菜單FOC Regulators）。

完成控制器整定的程序如下：

——設(shè)積分增益為0；

——增加比例增益使得反饋信號達(dá)到要求的穩(wěn)定性（超調(diào)量可接受）；

——增加積分增益直到逆變器達(dá)到要求的穩(wěn)定性。積分增益可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，它必須取一個在超調(diào)量（盡量的小）和穩(wěn)定時間（盡量的短）折衷的值。

圖3是初始值，反饋和Isd控制器輸出的整定例子。圖3d顯示的是一個好的整定。

圖3 Isd控制器輸出整定

注意Isd電流控制器，通常我們試圖得到一個上升時間在5～10ms范圍內(nèi)的值，而且沒有任何超調(diào)量。一旦確定看控制器參數(shù)的合適的值，為了讓整定函數(shù)失效，必須經(jīng)驅(qū)動重新設(shè)置在準(zhǔn)備狀態(tài)，這時需要輸入一個停止的設(shè)置和命令：

2 磁通量控制器的整定

磁通量電路控制器的整定函數(shù)僅僅在驅(qū)動處于準(zhǔn)備狀態(tài)時可被激活。它的激活設(shè)定為：

如果想在驅(qū)動未在準(zhǔn)備狀態(tài)時進(jìn)行整定，控制將自動設(shè)置為：

磁通量電路控制器的整定函數(shù)可以防止外部回路（速度）失效并且設(shè)定Isq的轉(zhuǎn)矩電路控制器的設(shè)定值為0。并且，它可以提供一個方波信號作為Isd電路控制器的初始值。方波具有兩種電平，主要表現(xiàn)為高電平和低電平，這兩種電平可以通過LocalTestCtrls菜單中的參數(shù)FlxM1和FlxM2的平均值來設(shè)定。這些參數(shù)的默認(rèn)值為：

方波的周期可以通過同菜單中的TnPer參數(shù)進(jìn)行修改，默認(rèn)值為8s。

為能夠整定，模擬的輸出信號1Sig，2Sig和3Sig能夠自動配置以成為對整定舉例有用的控制器信號。為了能夠完成控制器的整定，驅(qū)動需一直運(yùn)行并且可以調(diào)整控制器的比例和積分增益（參數(shù)FlxKp和Flx-Ki屬于菜單FOC Regulators）。完成控制器整定的程序如下：

——設(shè)積分增益為0；

——增加比例增益使得反饋信號達(dá)到要求的穩(wěn)定性（超調(diào)量可接受）；

——增加積分增益直到逆變器達(dá)到要求的穩(wěn)定性。積分增益可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，它必須取一個在超調(diào)量（盡量的?。┖头€(wěn)定時間（盡量的短）折衷的值。

磁通量控制器使得飽和度的觀測值更加靈敏。為作出正確的控制整定，有必要確定控制器的輸出（Isd_Ref）在傳輸過程中未飽和。也很有必要檢查輸入?yún)⒖夹盘枺‵lxM1和FlxM2）的特征值未使控制器輸出飽和。圖4是初始值，反饋和磁通量控制器輸出的整定例子，圖4d顯示的是一個好的整定。

圖4 反饋和磁通量控制器輸出整定

一旦確定看控制器參數(shù)的合適的值，為了讓整定函數(shù)失效，必須經(jīng)驅(qū)動重新設(shè)置在準(zhǔn)備狀態(tài)，這時需要輸入一個停止的設(shè)置和命令：

3 轉(zhuǎn)速控制器的整定

轉(zhuǎn)速控制器的整定函數(shù)僅僅在驅(qū)動在準(zhǔn)備狀態(tài)時可被激活。它的激活設(shè)定為：

如果想在驅(qū)動未在準(zhǔn)備狀態(tài)時進(jìn)行整定，控制將自動設(shè)置為：

在設(shè)定轉(zhuǎn)速控制器的整定之前，必須等到轉(zhuǎn)速馬達(dá)已經(jīng)達(dá)到設(shè)定的速度參考值，轉(zhuǎn)速控制器的整定函數(shù)產(chǎn)生一個速度設(shè)定值的方波信號的下斜面。

方波具有兩種電平，一種電平等于設(shè)定的速度參考值；另一種則為涉及在LocalTestCtrls菜單中的參數(shù)SpStp的方波的振幅。

方波的周期可以通過同菜單中的TnPer參數(shù)進(jìn)行修改，默認(rèn)值為8s。

為能夠整定，模擬的輸出信號1Sig，2Sig和3Sig能夠自動配置以成為對整定舉例有用的控制器信號。為了能夠完成控制器的整定，驅(qū)動需一直運(yùn)行達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速參考值并且可以調(diào)整控制器的比例和積分增益（參數(shù)Sp1Kp、Sp1Ki和Sp1Kd屬于菜單FOC Regulators）。

完成控制器整定的程序如下：

——設(shè)積分增益為0；

——增加比例增益使得反饋信號達(dá)到要求的穩(wěn)定性（超調(diào)量可接受）；

——增加積分增益直到逆變器達(dá)到要求的穩(wěn)定性。積分增益可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，它必須取一個在超調(diào)量（盡量的?。┖头€(wěn)定時間（盡量的短）折衷的值。

圖5是初始值，反饋和轉(zhuǎn)速控制器輸出的整定例子。圖5d顯示的是好的整定。

圖5 轉(zhuǎn)速控制器整定

4 Rr的整定

參數(shù)Rr（感應(yīng)電動機(jī)的5個參數(shù)模型中的轉(zhuǎn)子阻抗）在矢量（或通量）控制（F.O.C：場導(dǎo)向控制）中是非常重要的。事實上，它的錯誤設(shè)置會導(dǎo)致一個比較差的性能（轉(zhuǎn)矩的線性，動態(tài)參數(shù)和額定操作）。

如果對馬達(dá)的參數(shù)不是很明確，那么必須檢查并通過以下兩種方法的平均值最終確定Rr的阻抗值。

方法a—在轉(zhuǎn)矩允許的范圍內(nèi)應(yīng)用加速度的方法對Rr進(jìn)行整定

目前的整定方法僅允許應(yīng)用在馬達(dá)未接任何機(jī)械負(fù)載的時候。

為確保轉(zhuǎn)子阻抗的整定，將參數(shù)設(shè)為：

這個設(shè)置可以在受保護(hù)的任何控制系統(tǒng)狀態(tài)下完成。對于轉(zhuǎn)子阻抗的整定能夠使Rr參數(shù)立即（在線的）改變。

設(shè)定兩個模擬輸出作為定子的速度和馬達(dá)的電壓信號。確保馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)速（RPMNm和RPMMx參數(shù)屬于Motor Parm菜單）為不同值，用于顯示定子轉(zhuǎn)速的模擬輸出是固定的，它的增益值的平均值為：

定子阻抗的值可以通過在轉(zhuǎn)矩允許的條件下通過一個非常短的斜坡以加速的形式進(jìn)行核對。

為了實現(xiàn)這個目的，必須將斜坡時間設(shè)置為參數(shù)Rmp1U（General Parms菜單）的平均值為2s并且將Tq1UI的轉(zhuǎn)矩限制（Foc Regulators菜單）設(shè)置為0.3～0.4p.u.范圍。

一旦設(shè)定轉(zhuǎn)速參數(shù)在馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)速的70%～80%之間，加速結(jié)果會是在一個滿負(fù)載的條件下。在示波屏上顯示轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和馬達(dá)電壓信號，如果Rr已經(jīng)是正確值，那么這兩個信號的趨勢事實上是相同的。

如果設(shè)定的Rr的值是錯誤的，那么定子轉(zhuǎn)速和馬達(dá)電壓信號將顯示為不同的趨勢。

特別的，如果設(shè)定的Rr值低，我們會看到一個如圖6b所示的趨勢圖，圖中假設(shè)馬達(dá)電壓信號高于馬達(dá)速度信號。這種情況下，要將Rr的值增加，直到得到一個如圖6a所示的趨勢圖。另外，如果設(shè)定的Rr值高于我們需要的值，效果如圖6c所示。假設(shè)馬達(dá)電壓信號低于馬達(dá)速度信號。在這種情況下，阻抗值需降低直到得到如圖6a所示的趨勢圖。

圖6 不同Rr設(shè)定值的趨勢圖

一旦獲得了正確的整定，那么獲得正確的Rr值，必須在Eeprom中保存。

方法b—核定一個額定的操作值對Rr整定

這種方法是基于對負(fù)載操作值的核定并且在任何時候都不必執(zhí)行在轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)對馬達(dá)加速。馬達(dá)帶負(fù)載運(yùn)行，為對轉(zhuǎn)子阻抗進(jìn)行整定，作以下設(shè)定：

設(shè)定兩個模擬輸出作為定子的速度和馬達(dá)的電壓信號。確保馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)速（RPMNm和RPMMx參數(shù)屬于Motor Parm菜單）為不同值，用于顯示定子轉(zhuǎn)速的模擬輸出是固定的，它的增益值的平均值為：

在示波屏上顯示轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和馬達(dá)電壓信號，如果Rr已經(jīng)是正確值，那么這兩個信號的趨勢事實上是相同的，如圖7a所示。如果設(shè)定的Rr的值是錯誤的，那么定子轉(zhuǎn)速和馬達(dá)電壓信號將顯示為不同的趨勢。特別的，如果設(shè)定的Rr值低，我們會看到一個如圖7b所示的趨勢圖，圖中假設(shè)馬達(dá)電壓信號高于馬達(dá)速度信號。這種情況下，要將Rr的值增加，直到得到一個如圖7a所示的趨勢圖。另外，如果設(shè)定的Rr值高于我們需要的值，效果如圖7c所示。假設(shè)馬達(dá)電壓信號低于馬達(dá)速度信號。在這種情況下，阻抗值需降低直到得到如圖7a所示的趨勢圖。

圖7 不同Rr設(shè)定值的示波圖