摘要：變頻調(diào)速系統(tǒng)引發(fā)軸系損壞的事故時有發(fā)生，初步分析認為是由軸系的彈性變形形成的振蕩環(huán)節(jié)所致。本文基于對彈性軸系的扭振機理的分析，提出在其等效電路模型的基礎(chǔ)上，通過虛擬電阻實現(xiàn)對系統(tǒng)扭振的抑制，并通過虛擬負電容拓寬虛擬電阻的取值范圍，其有效性經(jīng)仿真得到了驗證。

1引言

    扭振現(xiàn)象廣泛存在于電氣傳動系統(tǒng)中。在多質(zhì)量系統(tǒng)中，長軸的彈性形變是造成扭振現(xiàn)象的主要原因。扭振會在電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩上造成脈動，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能，嚴重時還會造成彈性軸的損害[1]。

    高性能的工程型變頻器，必須研究對彈性軸的扭振抑制方法。本文首先分析了彈性軸扭振的產(chǎn)生機理；然后提出了一種基于等效電路和虛擬電阻、虛擬電容的針對彈性軸的扭振抑制方法；最后通過Matlab仿真驗證了該扭振抑制方法的效果。

2扭振機理

    當電機通過長軸驅(qū)動負載時，整個系統(tǒng)可視為兩質(zhì)量系統(tǒng)，彈性軸要扭轉(zhuǎn)一定角度?θ才能傳遞轉(zhuǎn)矩[2]。

圖1兩質(zhì)量傳動系統(tǒng)

    軸的輸出轉(zhuǎn)矩：

    系統(tǒng)的運動方程：

    式中：s為微分算子；Ks為軸的彈性系數(shù)；Ds，Dm，DL為機械阻尼系數(shù)，一般很小，可忽略；Jm，JL為電機和負載的轉(zhuǎn)動慣量。

    系統(tǒng)可采用圖2所示的等效電路模型（忽略Dm和DL）來表達，其中電流源Tm，TL分別為電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩，電流源Ts對應(yīng)連接軸轉(zhuǎn)矩，電壓wm，wL對應(yīng)電機旋轉(zhuǎn)角速度和負載旋轉(zhuǎn)角速度，電容Jm和JL分別為電機轉(zhuǎn)動慣量和負載轉(zhuǎn)動慣量，Ks和Ds分別為連接軸彈性系數(shù)和阻尼系數(shù)，其倒數(shù)對應(yīng)電路模型里的電感和電阻。圖2中各電量的關(guān)系與傳動軸中各對應(yīng)機械量的關(guān)系可一一對應(yīng)。

圖2傳動軸系統(tǒng)等效電路模型

    由圖2可得到Ts與Tm間的傳遞函數(shù)為

    由式(1)可知，傳動軸系統(tǒng)中存在固有振蕩頻率為

    由式(1)還可求出固有振蕩頻率處Ts對Tm增益為

    由此可見，若系統(tǒng)中存在f0的頻率擾動分量時，傳動軸轉(zhuǎn)矩Ts將發(fā)生振蕩。其振蕩幅值與軸彈性系數(shù)Ks和軸阻尼系數(shù)Ds相關(guān)，Ks越大，Ds越小，則振蕩幅值越大。實際系統(tǒng)中，當負載發(fā)生跳變時，就很可能使系統(tǒng)引入f0的頻率擾動分量，使Ts發(fā)生振蕩，產(chǎn)生扭振現(xiàn)象。

3扭振抑制

    令Ds=0，這樣即可分析最惡劣時的情況。圖2中，電機中可控的量有Tm和wm。對于矢量控制系統(tǒng)，由于轉(zhuǎn)速環(huán)屬于外環(huán)，響應(yīng)較慢，而轉(zhuǎn)矩環(huán)屬于內(nèi)環(huán)，響應(yīng)快。因此，可選擇控制Tm來達到抑制扭振的目的。這里選擇的抑制扭振方法為針對Tm形成虛擬電阻，通過電阻的阻尼作用實現(xiàn)對扭振的振蕩抑制。在圖2中，Tm為電流源，wm為Tm上的端口電壓，為便于小信號分析，令?Tm和?wm為Tm和wm的波動量。假設(shè)待虛擬的電阻為Rmv，則有?TmR=-?wm/Rmv。下面分析Rmv對系統(tǒng)的阻尼作用。

    如圖3所示，當負載產(chǎn)生擾動信號?TL時，對應(yīng)的傳動軸轉(zhuǎn)矩擾動信號?Ts為

圖3Rmv對軸傳動系統(tǒng)的阻尼作用

    由式(4)可知，當Rmv趨近無窮大時，有：

    此時系統(tǒng)由JL，Jm和1/Ks主導(dǎo)的振蕩頻率為，系統(tǒng)的阻尼比為，直流增益為Jm/(JL+Jm)。

    當Rmv趨近0時，有：

    此時相當于將JL短路，系統(tǒng)由Jm和1/Ks主導(dǎo)的振蕩頻率為，系統(tǒng)的阻尼比為，直流增益為1。顯然，振蕩頻率w1<w0如圖4所示，當Rmv增加時，系統(tǒng)振蕩頻率由w1變?yōu)閣0。

    為了保證系統(tǒng)有良好的阻尼效果，令(阻尼比可取0.6，對應(yīng)10%超調(diào))，可得Rmv的取值范圍為

(7)

    其中w0>w1 Jm<(Jm+JL)

    式（7）要成立，需滿足：

    若取，則由式(8)可知，約需Jm能夠取得更小。另外，由式(7)可知，Jm減小還能擴大Rmv的取值范圍。但Jm減小會使振蕩頻率w0變大，但由于Tm的帶寬限制，也不能使w0過大。

圖4Rmv變化時?Ts/?TL的幅頻曲線

    圖5給出了Rmv、Cmv對應(yīng)的?TmR、?TmC的矢量合成圖。圖中，?TmR起到阻尼作用，?TmC起到調(diào)整系統(tǒng)振蕩頻率的作用。

圖5?Tm和?wm的矢量圖

圖6PI調(diào)節(jié)器的?Tm和?wm的矢量圖

    矢量控制中，當軸轉(zhuǎn)矩波動為?Ts時，會在wm上產(chǎn)生波動量?wm，轉(zhuǎn)速環(huán)會檢測到這個波動量，進而影響其調(diào)節(jié)器輸出，即電磁轉(zhuǎn)矩Tm。由此可見，轉(zhuǎn)速波動?wm會使得電磁轉(zhuǎn)矩波動?Tm為

    由式(9)可知，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于引入了一個電阻1/KPw及一個電感1/KIw。由圖6可見，PI調(diào)節(jié)器合成后的?Tm是有利于抑制振蕩的。

    若傳動軸系統(tǒng)自身即滿足Jm則可直接通過虛擬電阻Rmv來達到抑制振蕩的目的，Rmv的選取方法如式(7)所示。PI調(diào)節(jié)器已經(jīng)自帶虛擬電阻1/KPw，那么可求得需虛擬的電阻為Rmv_d=Rmv/(1-RmvKPw).虛擬電阻僅需在振蕩頻率附近起作用即可，為防止引入虛擬電阻后對速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器穩(wěn)定性的影響，實際應(yīng)用時可采用以下形式：

    式中：fRmv需遠大于振蕩頻率f0。

    若需通過引入虛擬負電容減小Jm以拓寬Rmv的選取范圍，設(shè)需虛擬的電容為Cmv，則可得Jm減小后為Jm_d=Jm-Cmv。由PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，可得到需虛擬的電容為Cmv_d=Cmv-KIw/w02。根據(jù)減小后的Jm，即可進一步確定Rmv的選取范圍，從而得到Rmv_d=Rmv/(1-RmvKPw)。實現(xiàn)Cmv時，仍可采用式(10)的形式，將其重寫為

    由式(11)，即可根據(jù)Rmv_d和Cmv_d近似求得kd和Td：

4仿真驗證

異步電機的仿真參數(shù)如表1所示。

表1異步電機仿真參數(shù)

    驅(qū)動用的逆變器的開關(guān)頻率fsw=4.8kHz，仿真控制頻率fcon=4.8kHz，d，q軸電流環(huán)截止頻率約為fc_i=270Hz，相位裕度約為PMi=65°。

    負載及傳動軸參數(shù)為：JL=0.1kgm2，Ks=4000，Ds=0。計算可得振蕩頻率f1=w1/2p=31.8Hz，f0=w0/2p=45.5Hz。令，不改變Jm，可算得Rmv_max≈Rmv_min=0.03?。

    令轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)KPw=93，33.3，6，PI調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)折頻率均為10Hz，這三組參數(shù)下轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率和相位裕度分別為230Hz(30°)，80Hz(65°)，17Hz(50°)。在這三組參數(shù)下，可算得對應(yīng)的Rmv及阻尼比x0，x1如表2所示。

表2 3組PI調(diào)節(jié)器參數(shù)下Rmv及阻尼比x0、x1

    根據(jù)這三組參數(shù)，進行仿真，圖7給出了仿真結(jié)果。由圖7可以看出，轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率越高，負載跳變時轉(zhuǎn)速波動越小。圖7a中，KPw=93時，由于x1=0.211，阻尼很弱，因此負載跳變時Ts有頻率為f1=31.8Hz的振蕩；圖7c中，KPw=6時，由于x0=0.113，阻尼很弱，因此負載跳變時Ts有頻率為f0=45.5Hz的振蕩；圖7b中，由于x0≈x1=0.6，系統(tǒng)具有較好的阻尼，負載跳變時Ts振蕩迅速得到抑制。仿真結(jié)果與理論分析吻合得很好。

KPw=93

KPw=33.3

KPw=6

    圖7JL=0.1kgm2，Ks=4000，Ds=0不同轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)時的仿真結(jié)果

    由于該組傳動軸參數(shù)下，Jm和JL較為接近，使得滿足x0≈x1=0.6條件時Rmv的選取范圍很小。下面，使用虛擬負電容的方案來實現(xiàn)Ts的阻尼。由式(7)，可得到滿足x0=x1=0.6條件下，Jm變化時對應(yīng)的Rmv最大值和最小值曲線，如圖8的Rmvmax和Rmvmin所示。再根據(jù)系統(tǒng)最大振蕩頻率f0的限制(f0≤0.2fc_i)，還可得到一條Jm最小值的曲線，這三條曲線所包圍的區(qū)間，即是Jm和Rmv所能取的區(qū)間范圍，如圖8所示。本文選取Jm=0.05kgm2，Rmv=0.045?來實現(xiàn)阻尼，采用KPw=6的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)，根據(jù)式(12)可算得kd=18，Td=0.0023。圖9給出了加入該阻尼環(huán)節(jié)后KPw=6的參數(shù)下的仿真結(jié)果。對比圖9和圖7c可見，負載跳變時，Ts的振蕩明顯被阻尼，該阻尼甚至比圖7(b)的阻尼效果還好，這是由于虛擬負電容后Rmv的取值范圍變寬，使得該組參數(shù)下x0=0.64，x1=0.68，故阻尼效果更好。

圖8虛擬負電容后滿足x0=x1=0.6時Jm和Rmv的選取范圍

圖9圖7(c)的仿真參數(shù)下增加虛擬負電容后的仿真結(jié)果

    另外，由圖8可知，當Jm變化時，Rmvmin的變化并不明顯。因此，對于傳動軸參數(shù)不確定的場合，實際調(diào)試時，可以先令Cmv=0，然后調(diào)整Rmv，直到系統(tǒng)具有較好的阻尼效果，然后再根據(jù)式(12)，逐漸增加Cmv，直到系統(tǒng)阻尼良好。

5結(jié)論

    傳動系統(tǒng)中彈性軸的扭振模型可通過電路模型來等效，通過分析等效電路中的LC諧振機理來分析其扭振機理。在矢量控制系統(tǒng)中，可通過控制Tm的特性來達到抑制扭振的目的。本文的分析表明，針對Tm的虛擬電阻Rmv能實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)軸扭振的抑制。另外針對Tm的虛擬負電容Cmv能拓寬虛擬電阻Rmv的選取范圍，可進一步提升系統(tǒng)抑制扭振的性能。