變頻液壓舵機驅動電機調速研究

施水娟，董應超

（南通職業大學，江蘇南通 226007）

0 引言

船舶變頻液壓舵機是一種采用變頻調速技術的新型液壓系統，由變頻器、交流感應電機、定量泵、轉舵機構等構成，通過變頻器改變電機的供電電源頻率和電壓來改變電機轉速，調節液壓回路流量，實現對轉舵機構的控制。

變頻液壓舵機的結構如圖1所示。當操舵指令發出時，卸荷電磁閥得電，切斷卸荷回路，感應電機根據控制信號的要求以相應工作轉速和規定的方向驅動泵工作，推動轉舵油缸轉舵。當舵角達到要求后，變頻電機轉速下降至泵的最低穩定工作轉速，同時卸荷電磁閥斷電，系統卸荷[1]。

雙向定量泵輸出流量為：

圖1 變頻液壓舵機結構原理圖

其中：n為電機（液壓泵）轉速，qp為液壓泵排量，p為電機極對數，s為電機轉差率；fs為電機定子供電頻率。

由式(1)可知，通過改變電機轉速，從而改變油泵轉速，最終改變泵的輸出流量，以調節系統中液壓馬達的速度。電機作為驅動部件，其轉速控制在整個變頻液壓舵機系統中至關重要。本文搭建了一個交流感應電機的轉速調節系統，利用PID控制實現了電機的啟動、升速、降速和停機。

1 調速系統硬件組成

調速系統由工控機、數據采集卡、變頻器、交流感應電機和霍爾轉速傳感器組成。工控機和數據采集卡是控制單元，在數據采集卡的模擬輸出端輸出電壓，將該電壓信號接入變頻器的模擬量輸入端，變頻器根據輸入的電壓信號調節電機供電電源的頻率和電壓，從而調節電機轉速。電機輸出軸上裝有測量轉速用的信號盤，數據采集卡采集霍爾轉速傳感器的信號將電機實際轉速作為反饋送入工控機，工控機進行PID計算，從而實現轉速的閉環調節[2]。

圖2 調速系統硬件組成

鑒于虛擬儀器技術和labview圖形化變成的優點，數據采集卡采用NI PCI-6221。該數據采集卡具有模擬輸入通道、模擬輸出通道、數字通道和計數器通道。將數據采集卡的ao0作為變頻器輸入電壓的產生通道，計數器ctr0作為轉速信號的采集通道。交流感應電機選用臺灣先川YP-50-11-4，額定功率為11 kW，極數為4。變頻器采用LS產電SV110iS5-4VT，其輸入信號采用單極電壓輸入（0～10 V），對應電機最高轉速為0～4000 rpm。

2 調速系統程序

采用labVIEW編寫實驗程序，使用了NI提供的DAQmx和PID工具包。

2.1 轉速測量

PID運算中PV（過程變量）是需要控制的對象，根據PV與SP（設定值）的偏差來進行調整，從而使PV進入穩態。因此，實際轉速的測量是轉速閉環調節的一個重要環節。

霍爾轉速傳感器采用南京新捷中旭CSHG-2型霍爾效應齒輪傳感器，頻率響應為10 Hz～20 kHz。測速用信號盤開有等間隔的60個短槽齒，齒形滿足傳感器測量要求。利用6221卡的計數器0對傳感器的輸出信號進行頻率測量，程序框圖如圖3所示。每20 ms測量一次，由于信號盤進行了60等份，再將Hz轉換成rpm，測得的頻率值與轉速值相等。因為霍爾轉速傳感器的低頻響應差，所以低轉速特別是零轉速測量存在偏差[3]。

圖3 脈沖頻率測量程序框圖

2.2 PID運算

利用 NI提供的PID工具包中的PID Autotuning.vi進行PID運算。將測得的實際轉速值接入PID Autotuning.vi的PV端，設定轉速值接入SP端。輸出限制在0～1200 rpm，對應電壓為0～3 V。因為要求舵機從一舷的最大舵角35°轉到另一舷的最大舵角35°需要的時間不超過30 s，所以自整定參數中系統響應速度設為fast，控制器類型選擇PID，期望值偏差設為1（保證在最大轉速下油泵的流量穩定）。

轉速輸出值除以轉速最大值1200 rpm，再乘以對應電壓值3 V，得出電壓輸出值。利用DAQ的模擬輸出vi，在模擬輸出通道ao0上輸出電壓至變頻器模擬量輸入端，模擬輸出的類型為單通道單樣本。PID運算程序框圖如圖4所示，每20 ms進行一次[4]。

圖4 PID運算程序框圖

將SP和PV合成一個簇，在waveform chart中顯示出來，并將SP和PV保存在excel文件中，以便后續分析。

3 調速試驗

3.1 PID參數調整

增大P加快響應，減小偏差，但是P過大會產生超調和振蕩。增大積分時間I減小超調，但建立時間變長。增大微分時間D，加快響應，減小超調，但對擾動抑制能力變弱。本文運用試湊法進行PID參數調整，步驟如下：

1) 調節P。逐步增大P，當PV振蕩加劇并且偏差無法消除時加入I環節；

2) 調節I。從小到大增大I直到超調消失，此時建立時間延長[5]。

雖然參數D可使響應加快，但是輸出量MV會出現嚴重抖動，如圖5所示。為了延長電機壽命，將D設為0。

圖5 參數D的影響

根據上述步驟，在大量實驗的基礎上，本調速系統的最佳PID參數確定為：P=0.8、I=0.0148。

3.2 分段實驗

假定油泵的工作轉速為800 rpm，最低穩定轉速為200 rpm。據此，進行了0→200 rpm的啟動過程、200→800 rpm的升速過程、800→200 rpm的降速過程和停機過程的實驗，SP和PV的結果如圖6所示。

從實驗結果看以看出，啟動、升速和降速三個過程都沒有出現超調，建立時間為8 s左右，速度穩態偏差為±1 rpm，基本滿足變頻液壓舵機的工作要求。因為本調速系統并沒有使用零轉速傳感器（電渦流轉速傳感器），所以在停機時使用P調節。SP置0前，將參數I設為0，轉速降到P調節穩態值88 rpm。當SP置0時，轉速由88 rpm迅速下降到0，避免了因霍爾轉速傳感器低頻響應差而引起的抖動。

4 結束語

變頻液壓舵機需要其驅動電機在規定時間內將油泵的轉速由最低穩定工作轉速上升到工作轉速，舵角到位后，要回到最低穩定工作轉速。本文搭建的異步感應電機變頻調速系統模擬了這個工作過程，利用PID算法進行了電機啟動、升速、降速和停機的實驗。實驗結果顯示啟動、升速和降速三個過程都沒有出現超調，建立時間為8 s左右，速度穩態偏差為±1 rpm。

今后可通過安裝零轉速傳感器、改進信號盤設計來實現轉向判別等措施完善變頻液壓舵機驅動電機的調速系統。

[1] 朱鈺, 鄭超瑜, 蔡振雄．變頻液壓舵機系統的開發研究[J]．機床與液壓, 2008, 36 (8).

[2] 曾勝斌, 林少芬, 江小霞, 朱鈺．基于LabVIEW船舶變頻液壓舵機測控系統的設計與實現[J]．設計、制造及自動化, 2009．

[3] 邵顯濤, 陳明, 李俊．基于霍爾傳感器電機轉速的單片機測量[J]．電子測試, 2008．

[4] 陳樹學, 劉萱．LabVIEW寶典[M]．北京： 電子工業出版社, 2011．

[5] 胡壽松．自動控制原理[M]．北京：科學出版社, 2001．