针对智能食品搅拌机变频器驱动策略的设计

范梓豪 郑钰良 张志杰 揭 海

（广州大学）

0 引言

随着食品机械行业的发展，早期使用的利用差速齿轮进行调速的搅拌机，因其笨重、噪声大、转速选择局限、维护成本高而逐渐被变频器所替代。大多数自主品牌通过采购通用变频器、电动机以降低开发难度，根据商品功能特性设计用户交互面板，再通过连接通用变频器上的端子进行控制。该商业模式一方面令通用变频器功能冗余，另一方面食品搅拌机得不到低频恒压、安静运行等功能的实现。因此开发一种针对食品搅拌机的变频器的驱动策略是十分有必要且具市场价值的。

1 食品搅拌机的现状及不足

市面上的食品搅拌机将转速一般分为低速、中速、高速三档，对应使用不同的搅拌器[1]。低速档位主要用于搅拌面粉等高粘度流体，中速档位用于搅拌糊、浆、混合糖与黄油等中粘度流体，而高速档位用于打发奶油、蛋白等低粘度流体。

随着生活质量的提高，人们对食品搅拌机的低噪声、振动小、重量轻等要求越来越高，但当食品搅拌机处于低速档位运行时，此时电动机定子绕组电流较大，加上逆变器提供的电源为非正弦电压，因此会带来可闻的电磁噪声[2]，此类噪声受变频器影响，频率集中在1～15kHz，处于人耳敏感听觉频率范围内，因此影响甚大；另一方面，由于低速档位对变频器、电动机的要求较高，本文将主要讨论低速档位下变频策略的设计。

2 正弦脉宽调制策略

正弦脉宽调制可理解成利用较高频的三角波对较低频的正弦波进行采样，通过驱动全桥电路，实现将直流电转换成交流电。

电机在工作时的高频噪声主要来源于电流谐波，而提高载频可以改变输出谐波[3]，能有效改善电机高频噪声，只要将噪声频率提高到超出人耳听觉频率范围，即可减小由电磁噪声带来的噪声影响。但提高载频意味着开关损耗的增大，母线利用率下降，因此可通过对正弦波注入谐波以提高母线电压利用率[4]，令正弦波为[5]：

式中，a为调制度；ω=2fb；fb为基频；t为采样时间。利用基频为30Hz、调制度为1，分别与载频为1530Hz，及根据式（1）掺入谐波后与8190Hz生成的SPWM波形作对比，频谱如图1所示。

可见，通过提高载频并注入谐波后，基频分量有所提高，高频分量后移，有利于减小由电流高次谐波带来的噪声。因此，可根据实际情况，以提高载频的形式减小电磁噪声。

市面上通用变频器亦拥有调节载频的功能，但该参数往往在出厂前已确认，在后续使用中用户无法更改，假如出厂前统一提高通用变频器的载频，一方面母线利用率会大大下降，另一方面搅拌机在中速、高速等工况下由于电流较小，噪声不明显而无须高载频运行，最终导致通用变频器长期在高载频模式下运行，加速开关器件老化，亦进一步说明通用变频器与食品搅拌机功能需求不相匹配的问题。

3 恒定电压输出控制

在使用通用变频器时，当运行频率小于工频（50Hz）时，系统为恒转矩模式，即逆变器调制度固定，输出电压由供电电源决定，当食品搅拌机负载较重时，逆变器损耗增高，输出压降增大，导致电动机欠压，影响输出力矩，此时可以通过电压补偿来解决该问题。实现电压精确补偿，依靠的是电压精确测量与使用合适的控制策略。

比例积分微分（PID）控制策略是对系统对目标值进行比例、积分、微分操作并作线性组合成下一控制量，以提高系统响应效果。本文将采用增量式PID控制，其表达式为：

式中，△Uk为控制差量；uk-1为上一次控制量；uk为该次控制量；ek、ek-1、ek-2分别为该次误差，上次误差与前次误差，分别对应三个系数，通过实验效果整定得到。系统通过电压采集后，根据参数算出控制差量，循环调整输出。

采用PID策略后，能够保证食品搅拌机在轻载时电动机电压不会过高，而在重载时电动机又有足够的电压以保证力矩。同时，可通过侦测电流来判断电机有无过载。

4 实验效果

在选取载频时，应注意载波比应为3的整数倍，一方面可使三相信号相差为严格的120°，另一方面可消除3的整数倍次谐波[7]。

4.1 噪声分析

将基频设置为30Hz，以载频为1530Hz启动，稳定后立即将载频提升至8190Hz，同时对基波引入谐波，采用录音设备采集电机噪声，得到声音的频谱如图2所示。

由图2可见，当载频较低时，噪声峰值主要集中在1.5kHz、3kHz（二次谐波）、4.6kHz（三次谐波）12.2kHz（八次谐波）、13.8kHz（九次谐波），谐波分布在听觉范围内，导致声音嘈杂，而载频较高时，其频谱仅有载频（8.2kHz）及其二次谐波（16.4kHz），声音更加纯净，另一方面噪声整体上有3～5dB的减小，因此电机在低频运行时提高载频有减小噪声的效果。

4.2 振动分析

由于驱动载频的不同，电机的振动亦受到一定程度的影响。将基频设置为30Hz，以载频为1530Hz启动，稳定后立即将载频提升至8190Hz，同时对基波引入谐波，实验中重复切换一次，令实验过程中输出电流始终稳定在1A附近，模块以500Hz速率采样电机X，Y，Z三个方向的加速度，记录数据后，利用最小二乘法、五点三次平滑法处理振动数据[8]，得到三维方向振动数据如图3所示。

可见振动数据得：使用高载频并对基波引入谐波对电动机振动有增大的影响，各方向振动加速度比低载频大约0.02g，由于增大幅度较小，经实验可通过将电动机固定来消除，因此使用该方法对电机振动的影响不大，可忽略不计。

4.3 开关器件温升情况

由于调制策略的改变，逆变器的损耗亦随之变化，损耗形式主要转化为热量，导致逆变器开关器件温升。将基频设置为30Hz，分别以载频为1530Hz，运行一段时间，记录温升数据，待逆变器回温后，再令其以载频为8190Hz，同时对基波引入谐波模式持续运行相同时间，两种模式下温升情况如图4所示。

可见，由于逆变器载频的提高，带来的开关损耗增大，高载频下温升比低载频要快，两种模式下不同的温度对应的损耗相似，因此，在使用高载频驱动时，须注意有良好的散热条件，可将开关器件散热器固定接触搅拌机机身，依靠搅拌机外壳散热，另一方面，在机身内亦需要创建合适的通风路径，同时亦应注意避免将面粉等颗粒吸入变频器中导致短路等现象。

4.4 恒压输出效果

将基频设置为30Hz，启动待电动机稳定后引入一定负载后撤出，比较有无PID两种情况下输出电压与逆变器调制度的变化，如图5所示。

由实验数据得：当负载加重时，输出电压欠压，无PID策略下输出电压一直低于目标电压，此时电动机输出力矩下降，转速滑差增大；而有PID策略下逆变器通过调整调制度使输出电压迅速回升至目标电压及以上，实现电压补偿，保证电动机输出力矩。因此，通过使用PID策略能够使食品搅拌机在低频重负载下保持足够的力矩。

5 结束语

本文通过对食品搅拌机中逆变器的变频驱动策略的改进，通过提高载频，对基波掺入谐波，增加PID策略的形式，使食品搅拌机在搅动面粉等高粘度流体时不仅更加安静，还能够保持恒定输出电压，以保证力矩，解决了使用通用变频器的不足。除此之外，使用本文驱动策略还可以大大减小电动机容量，同样是20L和面搅拌机，市面上常用1500W电动机，使用本文驱动策略，可使用仅550W电机取代，更加高效节能。本文策略亦可推广至食品搅拌机中速、高速运行模式。但经过实验指出，使用本文驱动策略应注意变频器的散热及安装固定，同时做好防尘、防水等工作。