交流測功機不是變頻器+電動機

　　從電氣傳動的角度來看，交流測功機是交流傳動，即變頻器的一種特殊的應用場合與方式。傳統(tǒng)的測功機只是動力試驗的負載模擬和能量吸收裝置，由于設備的特殊性和應用的單一性，因而也就習慣性的把交流測功機看作是“變頻器+電動機?！边@就如同把雷達看作是簡單的無線電接受與發(fā)射裝置一樣，是非常片面的。

　　從測功機的角度來看，交流測功機是一種新型的電力測功器。它采用交流異步電動機做加載裝置，加載電機由變頻器提供驅動電源，并精確的控制其轉矩和轉速。此外，交流測功機同時具有驅動（電動機）和制動（測功機）兩種工作模式，可以實現(xiàn)多種傳統(tǒng)測功機不能進行的加載方案，如瞬態(tài)加載、加載／反拖轉換、動態(tài)堵轉和帶載啟動等。目前，AVL、SCHENCK、BURKE等國際著名的動力試驗設備廠家都積極推廣和應用基于交流測功機的動力試驗系統(tǒng)，并認為是目前和未來最好的測控方案。

　　什么是DTC？

　　DTC即直接轉矩控制（DirectTorqueContol）的英文簡寫，是一種先進的交流異步電機變頻調速控制技術，與磁通矢量變頻技術共同發(fā)展，廣為應用。DTC把電機的轉矩作為控制參量，具有無與倫比的轉矩動態(tài)響應和優(yōu)異的轉速和轉矩控制特性。這一點與動力試驗對轉矩的要求非常一致，因此DTC變頻器成為交流測功機的首選，簡稱DTC交流測功機。

　　DTC變頻器可以在沒有扭矩傳感器的情況下控制電機的轉矩，其原理是依照它自己內部DTC電機模型的計算。DTC控制的轉矩我們稱為電氣轉矩，非?？?，非常穩(wěn)，但是不準，因為沒有扭矩傳感器的反饋，不是電機和傳動軸上真實的機械扭矩。

　　為了實現(xiàn)轉矩的準確控制，必須采取轉矩閉環(huán)控制策略。

　　PID，體外循環(huán)

　　提起閉環(huán)控制，我們都會想到PID。PID是一種經(jīng)典的閉環(huán)控制策略，在自動控制領域廣泛應用，如電機轉速控制、伺服控制以及風機、泵的壓力和流量控制等場合。

　　PID有多種算法，也叫控制策略，可以由PC機、PLC或專用的PID模塊來實現(xiàn)。我們把這種在變頻器之外獨立實現(xiàn)的轉矩閉環(huán)控制策略稱為“體外循環(huán)”，以有別于高標公司在變頻器內部實現(xiàn)的“體內循環(huán)”。

　　根據(jù)我們的研究與實驗，“體外循環(huán)”之轉矩閉環(huán)控制策略存在以下幾方面問題和缺陷，我們認為不適合做DTC交流測功機。

　　1）轉矩過沖和波動。DTC變頻器的轉矩動態(tài)響應時間，即加載轉矩從零階躍上升到100%額定轉矩的時間小于5ms。而從扭矩傳感器輸出信號開始信號調理、數(shù)據(jù)采集、再到PID運算后產生變頻器的轉矩調整信號，遠遠超過100ms。因此，PID調節(jié)的動態(tài)響應根本無法跟上DTC，這必將出現(xiàn)加載電機在啟動和調整過程中的轉矩過沖和波動。

　　2）參數(shù)整定。交流測功機之最大加載轉矩因設備用途而異，從50Nm到1000Nm，甚至更大。要從1.0Nm開始（扣除電機的轉動慣量）到最大轉矩之全量程范圍內僅僅依靠P、I、D三個參數(shù)的整定來保證轉矩閉環(huán)控制的準確性和穩(wěn)定性是極其困難的（我個人認為是不可能的）。此外，PID算法和參數(shù)整定是個學術問題，對我這個理論水平不高的人來說非常頭疼，無法整定到所謂的最佳狀態(tài)。

　　3）扭矩傳感器。扭矩傳感器的技術數(shù)據(jù)除了量程和測量誤差之外，還有一個非常重要的技術數(shù)據(jù)是扭矩傳感器自身的動態(tài)響應時間。德國ETH某型號傳感器明確標注的數(shù)據(jù)是：risetime10-90%=2ms。而我們某些國產傳感器廠家對此數(shù)據(jù)要么不說，要么胡說八道。

　　因此，如果使用了動態(tài)響應時間慢的傳感器，當電機加載轉矩上去了，而扭矩傳感器還沒有反應出來，如何閉環(huán)？又有何意義？其結果還是要產生過沖和波動。

　　4）轉矩控制精度。測功機是原動機的負載模擬裝置，對轉矩控制精度的要求當然是越高越好。同時，測功機是計量裝置，轉矩控制精度、非線性度和重復性等技術指標非常重要必須。PID“體外循環(huán)”的這些數(shù)據(jù)是多少，只能是誰用誰知道。

　　5）零轉速滿轉矩。DTC變頻器可以在電機零轉速，并從零轉速開始控制加載電機的轉矩。而其它類型的變頻器在低速（低頻）時的轉速-轉矩特性不好，更談不上閉環(huán)了。

　　綜上所述，“體外循環(huán)”PID控制策略不能解決交流測功機之轉矩閉環(huán)控制問題，由此做出來的交流測功機確實是“變頻器+電動機”。據(jù)我們所知，很多單位就是這么干的。從技術上來說是錯誤的，而對用戶來說是極其不負責任的。

　　DTC+PID，體內循環(huán)

　　為了實現(xiàn)DTC變頻器的轉矩閉環(huán)控制，重慶高標公司對此進行了長期深入的研究與試驗。在ABB中國傳動部的大力支持與幫助下，運用ABB提供的開發(fā)工具，將轉矩閉環(huán)控制所需要的全部功能模塊（軟件模塊），組成一種全新的轉矩閉環(huán)控制策略，我們叫它DTC+PID。

　　完成后的控制策略直接安裝到變頻器的主板內存中，與變頻器的其它功能高度集成，協(xié)調統(tǒng)一，實現(xiàn)了DTC控制與PID控制的完美結合。這種控制模式我們叫“體內循環(huán)”。

　　DTC+PID如同給變頻器增加了轉矩閉環(huán)控制的功能。從此不再需要外部的數(shù)據(jù)采集、PID調節(jié)等模塊，也無需研究PID算法和參數(shù)如何整定等學術問題。

　　DTC+PID+STP，轉矩精確控制

　　復合制導是導彈的專業(yè)術語，是說采用多種制導手段來提高導彈探測、跟蹤和攻擊目標的精度，實現(xiàn)精確打擊，減少平民傷亡。制導手段有雷達、激光、遠紅外、CCD和GPS等。

　　基于復合制導的戰(zhàn)術思想，我們在DTC+PID轉矩閉環(huán)控制的基礎上使用了一種復合控制策略，實現(xiàn)了轉矩的精確控制。我們把這種全新的控制策略稱為DTC+PID+STP轉矩精確控制，STP是高標公司的簡寫，意思是高標獨創(chuàng)的控制策略。其主要特點是：

　　n具有DTC（開環(huán)）和PID（閉環(huán)）兩種控制模式，動態(tài)特性完全相同，可任意轉換。

　　n轉矩誤差值絕對可控，與傳感器量程無關，最高控制精度0.2Nm（ETH傳感器）。

　　n消除了PID參數(shù)對閉環(huán)可能造成的影響，全量程范圍內無過沖，無波動，無靜差。

　　圖示波形為某品牌5Nm伺服電機的階梯加載試驗曲線。藍色線是轉矩給定，綠色線是加載轉矩（完全真實的扭矩傳感器信號輸出），無轉速測量（紅色線）。

　　提示：實現(xiàn)小扭矩閉環(huán)是考驗閉環(huán)策略的關鍵所在。高標的STP控制策略從1.0Nm起步，即從克服電機轉動慣量開始，就完全實現(xiàn)了轉矩的精確閉環(huán)控制。

　　交流測功機，新的時代

　　從動力試驗的發(fā)展歷程和使用方法來看，現(xiàn)代的動力試驗已經(jīng)遠遠超出了轉速、轉矩和功率等基本參數(shù)的測試，交流測功機也不僅僅只是完成單一的負載模擬和能量吸收功能。先進的交流傳動技術促進了交流測功機技術的成熟與發(fā)展，為現(xiàn)代動力試驗設備提供了諸多新的解決方案和測控手段，為提高發(fā)動機、電動機、汽車等動力設備和車輛的總體性能發(fā)揮了前所未有的作用，開創(chuàng)了動力試驗新的時代。

　　我們始終認為，交流測功機是一門技術，動力試驗是一個專業(yè)。只有從技術的角度和專業(yè)的高度去研究和應用交流測功機，才能做出性能優(yōu)良、質量可靠的動力試驗系統(tǒng)。

　　作者簡介

　　李茂森，重慶市高標科技有限公司總工程師，Email：amir-li@stp-dyno.com