基于智能负荷观测器的无张力控制系统

陈久伟，童朝南

（1.北京科技大学自动化学院，北京 100083；2.北华大学工程训练中心，吉林 吉林 132021）

基于智能负荷观测器的无张力控制系统

陈久伟1，2，童朝南1

（1.北京科技大学自动化学院，北京 100083；2.北华大学工程训练中心，吉林 吉林 132021）

首先分析了直接转矩控制系统的主要特点，首次提出针对工程中电力拖动系统在无负荷和张力传感器条件下的智能负荷观测器的设计，以及新的速度补偿控制方法。详细分析直接转矩控制系统中的转矩与速度之间的关系和相互耦合影响。给出了基于智能负荷观测器的速度补偿控制的实现方法。并且给出了轧钢生产线上无张力控制系统的实际模型和试验结果。

智能负荷观测器；速度补偿；直接转矩控制；无张力控制

在我国工业电气传动控制系统中，应用交流电机的变频驱动装置占90%以上，尤其在有高精度和大范围调速要求的工业自动控制系统中，以精确数学模型为基础的矢量控制和直接转矩控制系统已经得到了广泛的应用，并获得了高精度的系统静态、动态性能。上世纪80年代，由日本学者高勋教授［1］和德国学者Depenbrock教授［2］提出的基于空间矢量脉宽调制（SVPWM）的直接转矩控制（DTC）系统已成为近30年来，用于高精度交流异步电动机的动态性能控制的主流方法之一。此后在全球范围内，众多学者在此基础上进行了长期研究和改进，并且发表了多篇论文。在我国中文期刊中相关论述的文章就有1 600余篇。经过广泛的对比，不难发现在大量的文献中，多数学者是从现代控制理论［3］、检测与观测理论［4-5］、智能优化理论［6］和某些工程实际应用等方面做了改进性研究。但从基本原理上看，大多数文章仍可以归结为学习研究型文献，并未见突破性进展。特别在对DTC与矢量控制方法的对比总结以及优缺点的分析方面是完全相同的。对于DTC系统学者们普遍认为，其优点突出表现为：1）定子磁链定向简单易行，不受转子参数变化而影响控制精度；2）实现空间矢量的双位式Bang-Bang控制，使得力矩动态响应极快，也是由此得名“直接转矩控制”；3）数学模型方面使用的静态坐标变换比较简单。其主要缺点是转矩有较大的脉动。

对于转矩脉动问题，作者有明确的观点：即转矩脉动本身严重地限制了DTC系统自身的优点，因为它的力矩控制方式是基于Bang-Bang开关控制的，而在实际的系统中，由于电子器件的电流变化率存在限制作用，不可能达到转矩响应的理想状态，并且对于负荷力矩变化较大时，这种限制将会导致转速的波动。这种波动往往通过速度调节器的参数整定不能够迅速恢复，这是SVPWM方式的DTC系统原理与结构固有的缺陷。为此，DTC控制系统适用于负载力矩无冲击扰动的情况，例如水泵、风机负荷等。而对于类似于轧钢机的负载，具有咬钢、抛钢导致的频繁冲击负荷扰动，速度匹配精度要求高的应用场合，有必要做一些改进工作，方可使得DTC系统适应于此类设备和更广阔领域的应用。本文首次提出智能化的负荷观测器设计，在既无速度传感器又无直接负荷传感器的条件下，对于DTC系统的速度进行主动补偿控制，借此大幅提高DTC系统对于冲击负荷扰动场合的适用性。应用此方法于DTC系统，可以同时达到力矩响应和速度响应的高精度指标。

1 冲击负荷下的DTC系统速度响应分析

基于空间矢量的DTC系统原理框图如图1所示。从图中清晰可见负载力矩是电机轴上直接加入的机械负荷。当无负荷传感器时，这个负荷冲击只能由电机的电磁转矩观测得到，它的过程是：当TL突然增大，电磁转矩未立即改变时，转速ω将下降，而ω的下降导致Δω上升，通过速度调节器的比例积分计算，提高了电磁转矩的给定量，有电流滞环的双位式Bang-Bang开关控制，逐步累计电磁转矩的输出量，使得式（1）达到新的平衡状态，最终使ω稳定。

图1 SVPWM的DTC系统结构图Fig.1 System structure of DTC about SVPWM

这个调节原理是经典的，调节过程已是众所周知，而且也是DTC系统的基本原理。但是其中存在的主要问题必须注意。速度调节器的参数无论如何调节均克服不了负荷冲击时速度的降落与超调之间的矛盾。当比例系数较小，积分系数较大时，负荷冲击造成的速度降落在一定时间内得不到恢复，这对于速度匹配精度高的应用场合是不允许的。当比例系数较大，积分系数较小时，速度降落恢复一些，但可能造成超调量加大，这对于速度匹配精度高的场合也是不能采纳的。而且无论速度调节器参数如何整定，速度降落均不能完全恢复，究其原因的关键之处在于Bang-Bang电流环的控制方式和式（1）的积分原理。作者认为，速度降落不能完全恢复是DTC系统的本质，因为DTC方式的电流内环是通过空间矢量扇区选择，实际上是个开关比例型的开环系统，速度调节器即便处于饱和输出，速度环开路时，电流环只能将其分解到多步采样控制输出才能完成电磁转矩的调整。因为双位式电流控制的限幅值也是个有限值，从式（1）也可以看出速度恢复是个积分过程，这个积分过程的响应快慢完全取决于双位式电流控制的限定幅值。由此可以得出结论，DTC方式对于具有大的冲击负荷扰动的系统，存在着不可完全恢复的速度降落，要设计这样的控制系统必须考虑负荷冲击发生时加入速度补偿控制。图2给出这一分析结果的展示，特别是在低速运转时，在额定冲击负荷扰动下，速度降落达5%，而且不能在0.3 s内得到恢复。在冶金工业的热连轧速度控制系统中，精轧机组速度匹配精度要求很高，进而要求动态降速小于3%，恢复时间小于0.3 s。为此，本文根据这一指标要求，提出并设计了智能负荷观测器的动态速度降补偿控制系统。

图2 冲击负荷干扰的速度与力矩响应Fig.2 Speed and torque response of shock load disturbance

2 智能负荷观测器的设计与速度补偿控制

在无负荷检测传感器的情况下，要想控制含冲击负荷的扰动，只能通过电机的电磁转矩观测而间接地得到负荷力矩。同样，在无速度检测传感器［7］的前提下，要想得到电机转子的速度，也只能有电机的速度模型计算，以间接得到转子的速度。由式（1）可以得到电机在旋转坐标下的电磁转矩重写如下：

式中：np为电机的极对数；isq,isd为电机定子电流经3/2变换之后的两相电流；Ψsd,Ψsq为电机定子电流经3/2变换之后的两相磁链。

电磁力矩中包含负荷力矩和加减速力矩，还有克服机械损耗力矩（较小，可以忽略）。由式（1）可知当转速变化为0时，无加减速力矩，则电磁力矩与负荷力矩相等。根据这个特点可设计负荷扰动观测器，因为在冲击负荷扰动的系统中，绝大多数是在速度稳态时加入的。智能负荷观测器具体设计原理简言之是利用电磁转矩信息取代负荷力矩信息，其中必须去除干扰和加减速的电磁力矩信息，详细的实施步骤如下：

1）通过速度给定和速度反馈的比较，其差值小于某个阈值时，认为无加减速，此时观测的电磁力矩就是负荷力矩。由于电磁力矩波动是DTC系统固有的特性，但是波动的方差在一般系统中也是可以估算的，甚至可以实测得到，一般是额定力矩的20%。而大负荷冲击时，一般是额定负载的30%以上才予以考虑，小的负载扰动不至于造成过大的速度降落。为此，设定力矩阈值下限，当力矩的绝对值超过下限时，观测的力矩才是冲击负荷扰动必须考虑的力矩。这个思想就是智能化思想，应用此思想对提高控制系统精度十分重要，否则难以实现自动的速度补偿控制。原因在于观测获得的力矩信息包含负荷力矩与速度、加速度力矩，必须以此为依据进行智能选择。

2）速度和力矩是个完整的反馈控制系统，力矩的波动属于固有存在的，一旦将力矩波动不加选择和限制地再引入速度补偿环节，就会造成更加严重的系统不稳定，致使更大的力矩和速度波动。因此，除了智能选择环节之外，还需对观测到的电磁转矩信号和速度反馈信号进行适当的滤波处理，消除正常的高频波动，使得观测器更加稳定精确。速度补偿的设计思想是在负荷力矩扰动下，立刻给予速度环定量补偿，其补偿量是根据观测得到的实时负荷扰动大小决定的，这个比例系数K1也可以通过实际系统的测试获得，一般地取K1=0.05～0.09，即：

式中：Nref,Nf分别为电机转速的设定与反馈值。

负荷观测器的理论模型如图3所示。

图3 智能负荷观测器模型Fig.3 Intelligent load observer model

图3中电磁力矩的观测模型如下：

式（6）是磁链的观测器［8］，其中Rs是定子电阻。

将式（6）和式（4）代入式（2），就得到了电磁转矩的观测器，在经过式（3）提出的智能逻辑选择器，就获得完整的智能负荷观测器，如图3所示。其中转子速度反馈观察模型就是式（1）所给出的模型，在旋转坐标下重写如下：

由于ωr在加减速时有波动，电磁转矩的输出在正常稳态工作状态下也有波动，对于观测的信号在加入速度补偿控制器之前须经过滤波器滤波。速度滤波时间常数TN为5～10 ms，力矩滤波时间常数TT为1～2 ms。

值得注意的是，本系统均由数字模块搭建实现，则连续传递函数转换为离散传递函数时，使用双线性变换公式。而且在磁链观测器设计中，积分模块也须连接此变换器，这种方法有利于减小纯积分器的误差。双变换公式为

将变换代入式（8）和式（9）整理得到滤波器的双线性变换模型：

其中

速度补偿控制量在智能选择和滤波之后由式（3）计算，再加到速度给定与反馈的加法器中，共同作用于速度调节器的输入端。

3 无张力轧制系统实现和实验结果分析

控制系统使用直接转矩的离散数据系统实现，采样周期Ts=10 μs。系统有4个子系统组成，即：1 000 kW交流异步电机，交-直-交PWM逆变器，DTC检测与控制模块和速度调节器模块［9-10］。速度控制模块中有速度补偿控制与速度PI计算的调节器控制模型。

DTC结构模型中又包括3个子模块：转矩与磁链滞环计算模块，空间矢量扇面选择与开关组合模型，定子磁链观测模型。

直接转矩控制系统是参考日本学者高桥勋教授的圆形定子磁链原理实现的，图4所示为定子磁链运行的圆形轨迹。

图4 圆形定子磁链轨迹Fig.4 Round stator flux linkage locus

工业现场是某钢铁公司880中宽带钢热连轧精轧机组第1机架（F1）与第2机架（F2）之间的无活套控制，专业上称之为无（微）张力控制。图5示意了设备布置。

图5 双机之间无活套示意图Fig.5 Dual looperless layout

双机架张力公式如下：

式中：A为带钢截面积，A=0.8×0.025=0.02 m2；l为机架间距，l=5 m；E为杨氏弹性模量，E= 2.04×108kN/m2。

在实际轧制过程中，实际张力为零是不可能的。所谓无张力是容许张力波动在1.0 kN内，它不会引起带钢的厚度与宽度方向的变形。图6给出了未使用智能负荷观测器的速度补偿控制的张力软测量计算值。这里负张力是表示在F2咬钢突加负荷时出现动态速降，此时F1速度大于F2速度，带钢出现活套。

图6 无智能负荷观测器的控制结果Fig.6 Control result without intelligent load observer

图7 使用智能负荷观测器的控制结果Fig.7 Control result with intelligent load observer

图7给出了在同样工艺条件下使用智能负荷观测器的速度补偿控制的张力软测量计算值。从图7可以清楚看出，在F2咬钢突加负荷时也出现了动态速降，此时智能负荷观测器的速度补偿控制立刻起到调节作用，及时调回F2的速度降，带钢仅出现微量活套，从而达到了无（微）张力控制效果。本项控制结果使得生产厂家产品的头部质量提高了5%的命中率，且减少了1套活器装置，节约设备投入资金。同时也是在无张力传感器和无负荷传感器工业场取得的一项很有成效的控制范例。

4 结论

为能使直接转矩控制系统应用于具有冲击负荷扰动的工业电力拖动装置中，必须具有速度补偿控制，在无负荷传感器的条件下，设计智能负荷观测器并且有效进行速度补偿控制是十分必要的。本设计思想已成功地应用到了多条热连轧生产线（大型交流电机）的工程项目中，其应用效果极佳。同时，本研究成果扩展了直接转矩控制装置的应用范围，进一步克服了由于力矩波动带来的速度波动，大幅度提高了速度的动态和静态控制精度，有效提升了此类拖动装置的整体性能。

［1］Isao Takahashi，Toshihiko Noguchi.A New Quick Response and High Efficiency Control Strategy of Aninduction Motor［J］.IEEE Trans.On I.A.，1986，22（5）：820-827.

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［5］缪波涛，孙旭东，刘从伟.一种异步电动机矢量控制的转速辨识方法［J］.电工技术学报，2003，18（3）：14-18.

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［7］何志明，廖勇，李辉.一种新颖的无传感器异步电动机直接转矩控制系统［J］.电工技术学报，2009，24（11）：21-25.

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［9］张令霞，张兴华.直接转矩控制系统的Matlab建模与仿真［J］.电气传动，2011，41（1）：9-13.

［10］李玥，解大琴.三相交流电机直接转矩控制研究［J］.宝鸡文理学院学报（自然科学版），2013，33（2）：1-4.

修改稿日期：2016-04-19

Without Tension Control System Based on Intelligent Load Observer

CHEN Jiuwei1，2，TONG Chaonan1
（1.School of Automation and Electricity Engineering，Beijing University of Science and Technology，Beijing 100083，China；2.Engineering Training Center，Beihua University，Jilin 132021，Jilin，China）

The main features of direct torque control system were first analyzed.Different points of view were spelled clearly out.The design of intelligent load observer，as well as innovative methods of speed compensated control was proposed for the first time in electric drive systems under the condition of no load and tension sensor.It was a detailed analysis of direct torque control system of the torque-speed relationship and mutual coupling effects.Compensation of speed based on intelligent load observer control implementation，actual model and the test results of control system without tension on rolling production line were provided.

intelligent load observer；speed compensation；direct torque control（DTC）；without tension control

TM315

A

10.19457/j.1001-2095.20161102

国家自然科学基金资助项目（51205018）；机械系统与振动国家重点实验室开放课题资助项目（MSV-2014-09）

陈久伟（1968-），男，博士，讲师，Email：260489174@qq.com

2015-09-15