交流測(cè)功機(jī)不是變頻器+電動(dòng)機(jī)

　　從電氣傳動(dòng)的角度來(lái)看，交流測(cè)功機(jī)是交流傳動(dòng)，即變頻器的一種特殊的應(yīng)用場(chǎng)合與方式。傳統(tǒng)的測(cè)功機(jī)只是動(dòng)力試驗(yàn)的負(fù)載模擬和能量吸收裝置，由于設(shè)備的特殊性和應(yīng)用的單一性，因而也就習(xí)慣性的把交流測(cè)功機(jī)看作是“變頻器+電動(dòng)機(jī)。”這就如同把雷達(dá)看作是簡(jiǎn)單的無(wú)線電接受與發(fā)射裝置一樣，是非常片面的。

　　從測(cè)功機(jī)的角度來(lái)看，交流測(cè)功機(jī)是一種新型的電力測(cè)功器。它采用交流異步電動(dòng)機(jī)做加載裝置，加載電機(jī)由變頻器提供驅(qū)動(dòng)電源，并精確的控制其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。此外，交流測(cè)功機(jī)同時(shí)具有驅(qū)動(dòng)（電動(dòng)機(jī)）和制動(dòng)（測(cè)功機(jī)）兩種工作模式，可以實(shí)現(xiàn)多種傳統(tǒng)測(cè)功機(jī)不能進(jìn)行的加載方案，如瞬態(tài)加載、加載／反拖轉(zhuǎn)換、動(dòng)態(tài)堵轉(zhuǎn)和帶載啟動(dòng)等。目前，AVL、SCHENCK、BURKE等國(guó)際著名的動(dòng)力試驗(yàn)設(shè)備廠家都積極推廣和應(yīng)用基于交流測(cè)功機(jī)的動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)，并認(rèn)為是目前和未來(lái)最好的測(cè)控方案。

　　什么是DTC？

　　DTC即直接轉(zhuǎn)矩控制（DirectTorqueContol）的英文簡(jiǎn)寫(xiě)，是一種先進(jìn)的交流異步電機(jī)變頻調(diào)速控制技術(shù)，與磁通矢量變頻技術(shù)共同發(fā)展，廣為應(yīng)用。DTC把電機(jī)的轉(zhuǎn)矩作為控制參量，具有無(wú)與倫比的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)和優(yōu)異的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制特性。這一點(diǎn)與動(dòng)力試驗(yàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的要求非常一致，因此DTC變頻器成為交流測(cè)功機(jī)的首選，簡(jiǎn)稱DTC交流測(cè)功機(jī)。

　　DTC變頻器可以在沒(méi)有扭矩傳感器的情況下控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，其原理是依照它自己內(nèi)部DTC電機(jī)模型的計(jì)算。DTC控制的轉(zhuǎn)矩我們稱為電氣轉(zhuǎn)矩，非?？?，非常穩(wěn)，但是不準(zhǔn)，因?yàn)闆](méi)有扭矩傳感器的反饋，不是電機(jī)和傳動(dòng)軸上真實(shí)的機(jī)械扭矩。

　　為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確控制，必須采取轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制策略。

　　PID，體外循環(huán)

　　提起閉環(huán)控制，我們都會(huì)想到PID。PID是一種經(jīng)典的閉環(huán)控制策略，在自動(dòng)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、伺服控制以及風(fēng)機(jī)、泵的壓力和流量控制等場(chǎng)合。

　　PID有多種算法，也叫控制策略，可以由PC機(jī)、PLC或?qū)Ｓ玫腜ID模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們把這種在變頻器之外獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制策略稱為“體外循環(huán)”，以有別于高標(biāo)公司在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的“體內(nèi)循環(huán)”。

　　根據(jù)我們的研究與實(shí)驗(yàn)，“體外循環(huán)”之轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制策略存在以下幾方面問(wèn)題和缺陷，我們認(rèn)為不適合做DTC交流測(cè)功機(jī)。

　　1）轉(zhuǎn)矩過(guò)沖和波動(dòng)。DTC變頻器的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，即加載轉(zhuǎn)矩從零階躍上升到100%額定轉(zhuǎn)矩的時(shí)間小于5ms。而從扭矩傳感器輸出信號(hào)開(kāi)始信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、再到PID運(yùn)算后產(chǎn)生變頻器的轉(zhuǎn)矩調(diào)整信號(hào)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)100ms。因此，PID調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)根本無(wú)法跟上DTC，這必將出現(xiàn)加載電機(jī)在啟動(dòng)和調(diào)整過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩過(guò)沖和波動(dòng)。

　　2）參數(shù)整定。交流測(cè)功機(jī)之最大加載轉(zhuǎn)矩因設(shè)備用途而異，從50Nm到1000Nm，甚至更大。要從1.0Nm開(kāi)始（扣除電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）到最大轉(zhuǎn)矩之全量程范圍內(nèi)僅僅依靠P、I、D三個(gè)參數(shù)的整定來(lái)保證轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性是極其困難的（我個(gè)人認(rèn)為是不可能的）。此外，PID算法和參數(shù)整定是個(gè)學(xué)術(shù)問(wèn)題，對(duì)我這個(gè)理論水平不高的人來(lái)說(shuō)非常頭疼，無(wú)法整定到所謂的最佳狀態(tài)。

　　3）扭矩傳感器。扭矩傳感器的技術(shù)數(shù)據(jù)除了量程和測(cè)量誤差之外，還有一個(gè)非常重要的技術(shù)數(shù)據(jù)是扭矩傳感器自身的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。德國(guó)ETH某型號(hào)傳感器明確標(biāo)注的數(shù)據(jù)是：risetime10-90%=2ms。而我們某些國(guó)產(chǎn)傳感器廠家對(duì)此數(shù)據(jù)要么不說(shuō)，要么胡說(shuō)八道。

　　因此，如果使用了動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間慢的傳感器，當(dāng)電機(jī)加載轉(zhuǎn)矩上去了，而扭矩傳感器還沒(méi)有反應(yīng)出來(lái)，如何閉環(huán)？又有何意義？其結(jié)果還是要產(chǎn)生過(guò)沖和波動(dòng)。

　　4）轉(zhuǎn)矩控制精度。測(cè)功機(jī)是原動(dòng)機(jī)的負(fù)載模擬裝置，對(duì)轉(zhuǎn)矩控制精度的要求當(dāng)然是越高越好。同時(shí)，測(cè)功機(jī)是計(jì)量裝置，轉(zhuǎn)矩控制精度、非線性度和重復(fù)性等技術(shù)指標(biāo)非常重要必須。PID“體外循環(huán)”的這些數(shù)據(jù)是多少，只能是誰(shuí)用誰(shuí)知道。

　　5）零轉(zhuǎn)速滿轉(zhuǎn)矩。DTC變頻器可以在電機(jī)零轉(zhuǎn)速，并從零轉(zhuǎn)速開(kāi)始控制加載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。而其它類型的變頻器在低速（低頻）時(shí)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性不好，更談不上閉環(huán)了。

　　綜上所述，“體外循環(huán)”P(pán)ID控制策略不能解決交流測(cè)功機(jī)之轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制問(wèn)題，由此做出來(lái)的交流測(cè)功機(jī)確實(shí)是“變頻器+電動(dòng)機(jī)”。據(jù)我們所知，很多單位就是這么干的。從技術(shù)上來(lái)說(shuō)是錯(cuò)誤的，而對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是極其不負(fù)責(zé)任的。

　　DTC+PID，體內(nèi)循環(huán)

　　為了實(shí)現(xiàn)DTC變頻器的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，重慶高標(biāo)公司對(duì)此進(jìn)行了長(zhǎng)期深入的研究與試驗(yàn)。在ABB中國(guó)傳動(dòng)部的大力支持與幫助下，運(yùn)用ABB提供的開(kāi)發(fā)工具，將轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制所需要的全部功能模塊（軟件模塊），組成一種全新的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制策略，我們叫它DTC+PID。

　　完成后的控制策略直接安裝到變頻器的主板內(nèi)存中，與變頻器的其它功能高度集成，協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了DTC控制與PID控制的完美結(jié)合。這種控制模式我們叫“體內(nèi)循環(huán)”。

　　DTC+PID如同給變頻器增加了轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的功能。從此不再需要外部的數(shù)據(jù)采集、PID調(diào)節(jié)等模塊，也無(wú)需研究PID算法和參數(shù)如何整定等學(xué)術(shù)問(wèn)題。

　　DTC+PID+STP，轉(zhuǎn)矩精確控制

　　復(fù)合制導(dǎo)是導(dǎo)彈的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，是說(shuō)采用多種制導(dǎo)手段來(lái)提高導(dǎo)彈探測(cè)、跟蹤和攻擊目標(biāo)的精度，實(shí)現(xiàn)精確打擊，減少平民傷亡。制導(dǎo)手段有雷達(dá)、激光、遠(yuǎn)紅外、CCD和GPS等。

　　基于復(fù)合制導(dǎo)的戰(zhàn)術(shù)思想，我們?cè)贒TC+PID轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上使用了一種復(fù)合控制策略，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的精確控制。我們把這種全新的控制策略稱為DTC+PID+STP轉(zhuǎn)矩精確控制，STP是高標(biāo)公司的簡(jiǎn)寫(xiě)，意思是高標(biāo)獨(dú)創(chuàng)的控制策略。其主要特點(diǎn)是：

　　n具有DTC（開(kāi)環(huán)）和PID（閉環(huán)）兩種控制模式，動(dòng)態(tài)特性完全相同，可任意轉(zhuǎn)換。

　　n轉(zhuǎn)矩誤差值絕對(duì)可控，與傳感器量程無(wú)關(guān)，最高控制精度0.2Nm（ETH傳感器）。

　　n消除了PID參數(shù)對(duì)閉環(huán)可能造成的影響，全量程范圍內(nèi)無(wú)過(guò)沖，無(wú)波動(dòng)，無(wú)靜差。

　　圖示波形為某品牌5Nm伺服電機(jī)的階梯加載試驗(yàn)曲線。藍(lán)色線是轉(zhuǎn)矩給定，綠色線是加載轉(zhuǎn)矩（完全真實(shí)的扭矩傳感器信號(hào)輸出），無(wú)轉(zhuǎn)速測(cè)量（紅色線）。

　　提示：實(shí)現(xiàn)小扭矩閉環(huán)是考驗(yàn)閉環(huán)策略的關(guān)鍵所在。高標(biāo)的STP控制策略從1.0Nm起步，即從克服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量開(kāi)始，就完全實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的精確閉環(huán)控制。

　　交流測(cè)功機(jī)，新的時(shí)代

　　從動(dòng)力試驗(yàn)的發(fā)展歷程和使用方法來(lái)看，現(xiàn)代的動(dòng)力試驗(yàn)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率等基本參數(shù)的測(cè)試，交流測(cè)功機(jī)也不僅僅只是完成單一的負(fù)載模擬和能量吸收功能。先進(jìn)的交流傳動(dòng)技術(shù)促進(jìn)了交流測(cè)功機(jī)技術(shù)的成熟與發(fā)展，為現(xiàn)代動(dòng)力試驗(yàn)設(shè)備提供了諸多新的解決方案和測(cè)控手段，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、汽車等動(dòng)力設(shè)備和車輛的總體性能發(fā)揮了前所未有的作用，開(kāi)創(chuàng)了動(dòng)力試驗(yàn)新的時(shí)代。

　　我們始終認(rèn)為，交流測(cè)功機(jī)是一門(mén)技術(shù)，動(dòng)力試驗(yàn)是一個(gè)專業(yè)。只有從技術(shù)的角度和專業(yè)的高度去研究和應(yīng)用交流測(cè)功機(jī)，才能做出性能優(yōu)良、質(zhì)量可靠的動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)。

　　作者簡(jiǎn)介

　　李茂森，重慶市高標(biāo)科技有限公司總工程師，Email：amir-li@stp-dyno.com