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摘 要：文章针对传统的交-交变频器开环控制对转速控制的精度不高、控制难度大的不足，在原有的仅采用控制触发增量方法的基础上加入了有级调压闭环调速控制策略。通过在Matlab/Simulink中引入S函数，建立了分段变频有级调压闭环调速系统的仿真模型，并以双变量变频器为基础设计了实验电路，编写了实验程序，从仿真和实验两个方面对有机调压闭环调速系统的性能进行了分析。最后，得出双变量交-交变频器有机调压闭环调速控制策略具有很高的控制精度，能够提高系统的稳定性的结论。
关键词：双变量控制；有级调压；闭环调速
在现代工业控制中，绕线式电动机尤其高压绕线电机的应用已经十分普遍[1-4]。对高压绕线电机进行调控时，若仅仅采用传统变频器的开环控制，就会使控制的难度增加，并且很难保证很高的控制精度[5-6]，如果在原有的变频器的基础上加入闭环控制，就可以减小调控的技术难度，提高系统的控制精度，具有很高的经济意义[7-8]。
本文在对六脉波双变量交-交变频进行深刻的分析的基础上，引用了有级调压闭环调速的概念，并对电机的交-交变频调速方法进行了探索和研究，根据有级调压闭环调速的方法，进行了大量的理论分析、建模仿真和实验研究。
1 双变量交-交变频有级调压闭环调速原理
1.1 双变量控制理论
所谓的双变量控制理论就是在单变量控制的基础上增加对触发脉冲后沿（即脉冲宽度b）进行控制，它是双变量控制理论的精髓[9-10]。第一个变量a角和单变量控制理论相同，用于确定触发脉冲的触发时刻。如果采用正弦交流电作为模拟基准电压，会产生交流电压，这个电压波形的平均包络线就会和输入的模拟基准电压波形精确地对应起来。双变量控制理论同样是利用余弦交截法输出电压最接近于理想正弦电压的原则，来实现触发角和基准电压之间的余弦关系，达到输出正弦电压波形的目的[11]。
1.2 有级调压闭环调速原理及优势
在以前的研究中，为了能够在交-交变频上实现连续调压，统一采用前移或者后移触发时刻来增大或者减小电压的方法，控制量是触发时刻的增量。这种方法可以实现转速和电压的连续调节，可以在控制策略上加入一些复杂的算法。但是如果纯粹采取这种控制方式，明显存在当调压深度较深时，电压波形上会出现死区的缺陷，并且随着调压深度的加深，死区时间会变长，谐波含量也会增加[12-13]。
为实现交-交变频器的全范围调速，提高交-交变频器输出的电压波形的质量，本文使用有级调压的方法弥补两个频级间的转速空白，并且加入了闭环控制，增加了速度反馈。这样既提高了系统的稳定性，又提高了输出电压波形的质量，还可以获得较宽的调速范围和较高的调速精度。由于采用的是有级调压，为了避免出现电压不停切换，致使出现转速震荡的现象，在调速的过程中，设置了一定的转速容差，只有检测到实际转速与变频器给定转速之差大于所设容差的时候，才对电压进行调节。本文设置容差为3 r/min。
2 系统仿真模型的建立与仿真分析
根据分段变频有级调压闭环调速原理，结合电机的等效电路参数，在Matlab/Simulink仿真软件中建立对应的仿真模型，并依据分段变频有级调压闭环变结构调速原理对系统进行仿真研究，以验证其实际效果[14]。
双变量交-交变频器有级调压闭环调速的仿真模型如图1所示。该系统可以分为六相电源部分、变频部分、脉冲触发部分、电机模块、测量模块、速度反馈、速度给定等部分。其中，速度给定是闭环调速的核心部分，速度给定与速度反馈的值经过比较后作为脉冲触发部分的给定，从而确定变频器的输出，达到精确控制系统转速的目的。
交-交变频器的开环控制系统和加入有机调压闭环调速控制策略后的转速仿真波形如图2所示。其中，电机的初始给定转速为240 r/min，当时间达到3 s时，将给定转速突变为270 r/min，转速的容差设置为2 r/min。
从开环与闭环调速的仿真结果可以看出：开环控制时起动的超调较大，过渡时间为0.8 s，当突变给定转速后，系统的超调量同样很大，经过0.7 s后才能够稳定到新的给定转速，超调量为4.1%；而加入了几条闭环调速后的起动过渡时间较小，为0.6 s，并且系统的超调量较开环时也减小，当给定转速突变后，系统能够很快稳定到新的给定转速，大约经过0.35 s，超调也明显减小为1.8%。整体上看，加入了有级调压闭环调速后，系统的超调量较开环控制有较大的减小，反应的快速性较开环控制有很大的提高。
3 實验及分析
为了进一步验证仿真结果，得到更直观的结论，构建了基于STM32的六脉波双变量交-交变频器有级调压闭环调速系统的实验系统，其系统框如图3所示。系统的主回路由电源部分，三相变六相变压器，晶闸管转换电路和负载电机组成。系统的控制回路部分可以分为ARM及其扩展电路、同步电路、电压电流检测模块、速度反馈模块、脉冲触发模块、通信接口、人机界面等模块构成。
在系统中加入有级调压闭环调速控制策略后，突变给定转速的实验波形如图4所示，其中，初始给定转速是650 r/min，待系统运行一定时间，系统的运行状态完全稳定后，将系统的速度给定编为600 r/min，从图中可以看出：由于加入了闭环调速的控制策略，系统的启动过程比较快，能够迅速达到给定转速，并且启动过程中超调量很小；当速度给定突变时，系统能够很快稳定到新的给定转速，转速没有很大的波动，超调量小，对转速数据进行采集分析可以得出，系统在给定突变时，能够在0.8 s内将转速从650 r/min减小到600 r/min的稳定状态，总的超调量为0.5%，在系统给定的容差范围内。
总的来说，在加入了双变量交-交变频有级调压闭环调速控制策略后，系统的响应速度得到了很大的提高，超调量减少，系统的稳定性也得到了提升。 4 结语
仿真和实验结果验证了有级调压闭环调速控制策略的可行性，在系统中加入该控制策略后，系统的响应速度得到了明显的提高，系统的超调量也明显减小，从而提高了系统的控制精度，增强了系统的稳定性。因此，双变量交-交变频器闭环调速有级调压控制策略可以推广到工业应用中，具有一定的应用前景。
[参考文献]
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2003.
[2]潘天文.六脉波双变量转子变频与定子变频特性对比的研究[D].焦作：河南理工大学，2012.
[3]汪海波，周波，方斯琛.永磁同步电机调速系统的滑模控制[J].电工技术学报，2009（9）：75-81.
[4]孙素琴，蒋周士，周海平，等.电力系统动态等值中原动机调速系统聚合的研究[J].电力系统保护与控制，2009（12）：33-37.
[5]张辉，蒲天骄，王刚，等.基于实测频率轨迹的机组调速器参数辨识[J].电力系统保护与控制，2014（1）：24-33.
[6]曹成杰，莫岳平.基于现代智能控制技术的水轮机自适应工况PID调速器研究[J].电力系统保护与控制，2010（3）：81-85.
[7]白玉成，唐小琦，吴功平.内置式永磁同步电机弱磁调速控制[J].电工技术学报，2011（9）：54-59.
[8]李政，李兴源，王渝红，等.转子角动量分析及其在一次调频中的应用[J].电工技术学报，2011（23）：39-43.
[9]杜庆楠，王新.晶闸管相控变流器及变频器的双变量相控制理论[M].北京：煤炭工业出版社，2006.
[10]李高举.定转子分段变频有级调压闭环调速系统研究[D].焦作：河南理工大学，2011.
[11]李华德.交流调速控制系统[M].北京：电子工业出版社，2007.
[12]张迪凡，杜庆楠，徐高杰.绕线机转子侧交-交变频调速的机械特性研究[J].電测与仪表，2010（540）：20-23.
[13]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.
[14]KUNZ UH，MUELLER H. 3-Phase induction motor fed by cycloconverter with reduced reaction on power supply[C].Chicago：Proceedings of the International MOTORCON Conference，1985.
关键词：双变量控制；有级调压；闭环调速
在现代工业控制中，绕线式电动机尤其高压绕线电机的应用已经十分普遍[1-4]。对高压绕线电机进行调控时，若仅仅采用传统变频器的开环控制，就会使控制的难度增加，并且很难保证很高的控制精度[5-6]，如果在原有的变频器的基础上加入闭环控制，就可以减小调控的技术难度，提高系统的控制精度，具有很高的经济意义[7-8]。
本文在对六脉波双变量交-交变频进行深刻的分析的基础上，引用了有级调压闭环调速的概念，并对电机的交-交变频调速方法进行了探索和研究，根据有级调压闭环调速的方法，进行了大量的理论分析、建模仿真和实验研究。
1 双变量交-交变频有级调压闭环调速原理
1.1 双变量控制理论
所谓的双变量控制理论就是在单变量控制的基础上增加对触发脉冲后沿（即脉冲宽度b）进行控制，它是双变量控制理论的精髓[9-10]。第一个变量a角和单变量控制理论相同，用于确定触发脉冲的触发时刻。如果采用正弦交流电作为模拟基准电压，会产生交流电压，这个电压波形的平均包络线就会和输入的模拟基准电压波形精确地对应起来。双变量控制理论同样是利用余弦交截法输出电压最接近于理想正弦电压的原则，来实现触发角和基准电压之间的余弦关系，达到输出正弦电压波形的目的[11]。
1.2 有级调压闭环调速原理及优势
在以前的研究中，为了能够在交-交变频上实现连续调压，统一采用前移或者后移触发时刻来增大或者减小电压的方法，控制量是触发时刻的增量。这种方法可以实现转速和电压的连续调节，可以在控制策略上加入一些复杂的算法。但是如果纯粹采取这种控制方式，明显存在当调压深度较深时，电压波形上会出现死区的缺陷，并且随着调压深度的加深，死区时间会变长，谐波含量也会增加[12-13]。
为实现交-交变频器的全范围调速，提高交-交变频器输出的电压波形的质量，本文使用有级调压的方法弥补两个频级间的转速空白，并且加入了闭环控制，增加了速度反馈。这样既提高了系统的稳定性，又提高了输出电压波形的质量，还可以获得较宽的调速范围和较高的调速精度。由于采用的是有级调压，为了避免出现电压不停切换，致使出现转速震荡的现象，在调速的过程中，设置了一定的转速容差，只有检测到实际转速与变频器给定转速之差大于所设容差的时候，才对电压进行调节。本文设置容差为3 r/min。
2 系统仿真模型的建立与仿真分析
根据分段变频有级调压闭环调速原理，结合电机的等效电路参数，在Matlab/Simulink仿真软件中建立对应的仿真模型，并依据分段变频有级调压闭环变结构调速原理对系统进行仿真研究，以验证其实际效果[14]。
双变量交-交变频器有级调压闭环调速的仿真模型如图1所示。该系统可以分为六相电源部分、变频部分、脉冲触发部分、电机模块、测量模块、速度反馈、速度给定等部分。其中，速度给定是闭环调速的核心部分，速度给定与速度反馈的值经过比较后作为脉冲触发部分的给定，从而确定变频器的输出，达到精确控制系统转速的目的。
交-交变频器的开环控制系统和加入有机调压闭环调速控制策略后的转速仿真波形如图2所示。其中，电机的初始给定转速为240 r/min，当时间达到3 s时，将给定转速突变为270 r/min，转速的容差设置为2 r/min。
从开环与闭环调速的仿真结果可以看出：开环控制时起动的超调较大，过渡时间为0.8 s，当突变给定转速后，系统的超调量同样很大，经过0.7 s后才能够稳定到新的给定转速，超调量为4.1%；而加入了几条闭环调速后的起动过渡时间较小，为0.6 s，并且系统的超调量较开环时也减小，当给定转速突变后，系统能够很快稳定到新的给定转速，大约经过0.35 s，超调也明显减小为1.8%。整体上看，加入了有级调压闭环调速后，系统的超调量较开环控制有较大的减小，反应的快速性较开环控制有很大的提高。
3 實验及分析
为了进一步验证仿真结果，得到更直观的结论，构建了基于STM32的六脉波双变量交-交变频器有级调压闭环调速系统的实验系统，其系统框如图3所示。系统的主回路由电源部分，三相变六相变压器，晶闸管转换电路和负载电机组成。系统的控制回路部分可以分为ARM及其扩展电路、同步电路、电压电流检测模块、速度反馈模块、脉冲触发模块、通信接口、人机界面等模块构成。
在系统中加入有级调压闭环调速控制策略后，突变给定转速的实验波形如图4所示，其中，初始给定转速是650 r/min，待系统运行一定时间，系统的运行状态完全稳定后，将系统的速度给定编为600 r/min，从图中可以看出：由于加入了闭环调速的控制策略，系统的启动过程比较快，能够迅速达到给定转速，并且启动过程中超调量很小；当速度给定突变时，系统能够很快稳定到新的给定转速，转速没有很大的波动，超调量小，对转速数据进行采集分析可以得出，系统在给定突变时，能够在0.8 s内将转速从650 r/min减小到600 r/min的稳定状态，总的超调量为0.5%，在系统给定的容差范围内。
总的来说，在加入了双变量交-交变频有级调压闭环调速控制策略后，系统的响应速度得到了很大的提高，超调量减少，系统的稳定性也得到了提升。 4 结语
仿真和实验结果验证了有级调压闭环调速控制策略的可行性，在系统中加入该控制策略后，系统的响应速度得到了明显的提高，系统的超调量也明显减小，从而提高了系统的控制精度，增强了系统的稳定性。因此，双变量交-交变频器闭环调速有级调压控制策略可以推广到工业应用中，具有一定的应用前景。
[参考文献]
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2003.
[2]潘天文.六脉波双变量转子变频与定子变频特性对比的研究[D].焦作：河南理工大学，2012.
[3]汪海波，周波，方斯琛.永磁同步电机调速系统的滑模控制[J].电工技术学报，2009（9）：75-81.
[4]孙素琴，蒋周士，周海平，等.电力系统动态等值中原动机调速系统聚合的研究[J].电力系统保护与控制，2009（12）：33-37.
[5]张辉，蒲天骄，王刚，等.基于实测频率轨迹的机组调速器参数辨识[J].电力系统保护与控制，2014（1）：24-33.
[6]曹成杰，莫岳平.基于现代智能控制技术的水轮机自适应工况PID调速器研究[J].电力系统保护与控制，2010（3）：81-85.
[7]白玉成，唐小琦，吴功平.内置式永磁同步电机弱磁调速控制[J].电工技术学报，2011（9）：54-59.
[8]李政，李兴源，王渝红，等.转子角动量分析及其在一次调频中的应用[J].电工技术学报，2011（23）：39-43.
[9]杜庆楠，王新.晶闸管相控变流器及变频器的双变量相控制理论[M].北京：煤炭工业出版社，2006.
[10]李高举.定转子分段变频有级调压闭环调速系统研究[D].焦作：河南理工大学，2011.
[11]李华德.交流调速控制系统[M].北京：电子工业出版社，2007.
[12]张迪凡，杜庆楠，徐高杰.绕线机转子侧交-交变频调速的机械特性研究[J].電测与仪表，2010（540）：20-23.
[13]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.
[14]KUNZ UH，MUELLER H. 3-Phase induction motor fed by cycloconverter with reduced reaction on power supply[C].Chicago：Proceedings of the International MOTORCON Conference，1985.