面向叶梗分离工艺过程的多电机同步调速方案研究

胡志敏

摘要：本文对直接转矩控制的理论算法进行分析，面向叶梗分离工艺过程，对基于SVPWM的多电机同步调速DTC实现方案进行了研究。利用MATLAB中的Simulink仿真工具箱对理论模型进行搭建，设计和构建各控制模块，来模拟控制系统逆变器，对电机参数、PI控制器参数等仿真参数进行调试，通过模拟系统的仿真来验证设计系统的正确性。最后在STM32PF4平台实现了多电机同步调速DTC算法。

关键词：叶梗分离;直接转矩控制;SVPWM;STM32F4

引言

随着打叶复烤行业均质化加工的推进，各工序参数精准化控制必然是未来几年的打叶复烤厂工艺控制的发展趋势，然而叶梗分离工序是关系到卷烟质量和降本增效的关键工艺环节，但是目前打叶复烤行业在基于叶梗分离工艺过程的电机调速方案存在参数控制不精准，同一风分系统中的两台平衡风机无自动同步措施，通过人工调整变频器来实现，同步性能差的问题。而且变频产品不易维护、维护成本高。研究基于叶梗分离工艺过程的多电机同步调速方案对打叶复烤厂精益控制和降本增效意义重大。

1 多电机同步调速现状

多电机同步调速在国内外都有较长的研究历史，主要应用领域为同步拖动，如同步升降、同步传动、转角同步等，同步调速的研究主要基于独立的变频器控制，通过反馈的转速偏差进行调整独立的变频器给定参数从而实现同步控制，基于独立变频器的的同步调速方案[1]主要有以下几种结构：

1.1基于同步控制器的对等同步调速，该结构通过对不同电机转速进行检测，转速反馈至同步控制器，由同步控制器比较设定转速，将转速偏差控制信号分别给定到各自独立的变频器进行同步控制。

1.2基于主从结构的同步调速[2]，该结果无需单独的同步控制器，给定转速到同步调速电机中的一台，将该电机的转速反馈作为其它电机变频器的给定参数，其它电机并不是独立的参考给定值，而是追踪主机运行参数，这样的同步调速结构相较基于同步控制器的对等同步调速精度改善很多。

1.3基于补偿器的同步调速，不同电机之间的转速通过补偿器进行补偿计算，转速偏差通过补偿给定值给定到各电机调速变频器，这种结构的抗干扰能力较强，稳定性有所提升。

随着DSP控制芯片运算速率的提升，和现代控制理论的发展，基于控制算法的多电机同步调速成为为近几年的研究热点。基于V/F标量控制 、矢量控制、DTC控制的多电机同步调速方案实现方法都有研究，但基于DTC控制的同步调速在算法复杂度和易实现性上体现了很大优势。

2 多电机同步调速方案

基于SVPWM的DTC系统通过IGBT的不同开关组合输出空间电压矢量从而模拟形成细化的磁链圆，在多电机同步驱动过程中，由于各个电机拖动工况会有差异，所以负载和电流不会严格等同，虽然可以通过输出相同的SVPWM保证转速的基本相同，但因负载和电流的差异会导致转速和负载的差异。

如果对多台电机采用“平均化”控制思路[3]，即转矩和磁链PI调节器每次比较输出的是均值，将多台电机检测的电流、电压、反馈转速分别求平均值，将平均的反馈值参与转矩和磁链计算，根据均值计算得到的转矩和磁链结合扇区判别输出空间电压矢量，就得到了动态均值平衡的SVPWM多电机同步调速DTC系统。

3 基于定子的α-β坐标下的平均转矩计算模型

以三台电机为例。根据平均磁链和转矩的计算模型，设计多电机同步DTC系统框图如下：

其中控制电路由三大模块，即测量模块、计算模块和调节模块。其中ASR为速度调节器，采用PI控制。通过平均反馈值估计出电机的定子磁链和电磁转矩后，与定子磁链指令集速度控制器给出的转矩指令进行比较，根据需要选择恰当的平均电压矢量，即可完成控制。

4 仿真

根据图3-1DTC系统框图，以三台电机同步调速为例，进行MATLAB同步调速仿真[4]研究，验证基于SVPWM-DTC同步调速系统磁链轨迹圆。电机模型主要参数为：PN=35KW，UN=380V，fN=50Hz，RS=0.2205Ω，J=0.102kg·m2;速度PI模块系数：kP=30，ki=20;

电机模型的转矩给定：（1）电机M1以30N·m的负载启动，负载持续到仿真结束。（2）电机M2以25N·m的负载启动，负载持续到仿真结束。（3）电机M3以20N·m的负载启动，负载持续到仿真结束。

5 实验

为了验证前述方案在叶梗分离工艺过程中应用的可行性，在异步电机的数字交流变频实验平台进行了试验。实验平台主要由主回路[5]和控制回路和驱动电路三部分构成。主回路包括整理器、逆变器、和保护电路;控制回路包括MCU（STM32F4）、电流、电压、速度检测传感器、以及信号匹配调理电路。数字交流变频试验平台的整体结构框架如图5-1所示。

用设计系统同时驱动3台异步电机来测试电机转速的同步性，电机参数均为：PN=1.5KW，IN=3.7A， UN=380V。

如表5-1为不同负载功率时3台电机测试最大转速偏差测试数据可看出三台电机随着负载的增大转速稍有下降，当负载功率超过额定功率时，转速大幅掉落，系统过载能力差。但三台电机最大转速偏差为20RPM，转速同步性能满足工艺需求。

六、结束语

本文通过对打叶复烤叶梗分离工程中的电机调速特点分析，结合当前直接转矩控制算法研究以理论算法为依据，基于“平均化”控制思想设计了基于SVPWM的多电机同步调速实现方案，在STM32硬件平台设计了单MCU多电机同步调速方案。转速同步性能较好，由于STM32[6]价格便宜，PWM通道多，功能强大，所以基于ARM平台的异步电机控制系统将会节省一定经济成本，是工程设计时可选的比较经济的实现方案，但在转矩性能及電流谐波控制稳定性方面还需进一步实验验证。

参考文献：

[1]刘亚东，吴学智，黄立培.改善直接转矩控制性能的SVPWM方法田.清华大学学报（自然科学版）2004，V01.44，No.7：869-872.

[2]李传海，李峰，曲继圣，赵栋利.周加强.空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术特点及其优化方法.山东大学学报（工学版），2005，4：27～3l.

[3]马秀娟，孙洋，张华强，刘陵顺.基于DTC-SVM的多电机并联驱动系统，电机控制与应用2014，41（6）.

[4]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京：机械工业出版社，2006.

[5] C. Lascu， I. Boldea， and F. Blaabjerg， “A modified direct torque control for induction motor sensorless drive，” IEEE Trans. Ind. Appl.， Vol. 36，No. 1， pp. 122-130， Jan./Feb. 2000.

[6] 王永虹，徐炜，郝立平.STM32系列ARM Cortex—M3微控制器原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008：11—25.