王 靖

(中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

交流變頻傳動系統(tǒng)依靠轉速控制精度高、速度控制范圍廣、傳動電機維護簡便等優(yōu)勢，成為測試臺行業(yè)首選傳動平臺。但眾所周知，交流變頻傳動系統(tǒng)在扭矩控制模式下，其精度最高可至3%，從而限制該系統(tǒng)在高精度扭矩控制需求上的應用。本文通過研究交流變頻傳動系統(tǒng)扭矩直接閉環(huán)控制技術，解決交流變頻系統(tǒng)扭矩控制精度低等問題，并以某航空慣性試驗臺為例，詳細闡述扭矩直接閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)組成

航空慣性試驗臺主要用于完成飛機剎車裝置動態(tài)性能測試，傳動系統(tǒng)是其關鍵組成部分，為試驗臺試驗提供滿足要求的速度、加速度、扭矩等試驗條件。該試驗臺的傳動系統(tǒng)采用交流變頻傳動平臺，主要由傳動電機、電機變頻驅動器、編碼器、動態(tài)扭矩計等組成。

3 技術原理

某慣性試驗臺交流傳動系統(tǒng)架構如圖1所示，該試驗臺采用ABB ACS880交流變頻平臺，根據試驗臺測試工況要求，傳動系統(tǒng)應根據試驗階段分別具備轉速控及扭矩控兩種控制方式。轉速控時依靠電機編碼器實時測量電機轉速且實現轉速閉環(huán)控，該技術已經非常成熟，這里不再贅述。當傳動系統(tǒng)由轉速控切換至扭矩控時，常規(guī)做法是通過電機輸入電流矢量分解控制方式控制電機電磁扭矩，這無法保證電機實際輸出扭矩的精度，在此引入電機扭矩直接閉環(huán)控制策略。

圖1 某慣性試驗臺交流傳動系統(tǒng)架構

如圖1所示，電機負載輸出軸上加置動態(tài)扭矩計，用來實時測量電機輸出扭矩，并且可利用該測量值進行扭矩直接閉環(huán)控。扭矩直接閉環(huán)控可在總控系統(tǒng)實現，但因為總控系統(tǒng)與變頻器之間存在通信延時，無法滿足動態(tài)響應性能的要求，故本文提出在變頻器內部實現直接扭矩閉環(huán)控制。

為保證動態(tài)扭矩計輸出信號的抗干擾能力，建議扭矩計輸出信號為脈沖量。本文所選扭矩計為HBM T40系列動態(tài)扭矩計，通過ACS880變頻器FEN-01編碼器采集板塊，接收扭矩計脈沖反饋信號，最后根據反饋的扭矩實時值，在變頻器內部進行自編程，實現高速的扭矩閉環(huán)控，可編程部分控制周期最低可設為1ms。

需要注意的是，ACS880變頻器FEN-01編碼器采集板塊有線路校驗的要求，要求通道CHA和通道CHB均有信號，而扭矩儀只有一路信號，為了滿足傳動的線路校驗要求，需要將CHA信號復制給通道CHB。因為信號完全復制，在工程量轉換計算的時候選擇CHA計算，忽略CHB信號。

4 編程實現

如圖2所示，在運行前需對扭矩計信號進行零點校準，即在傳動不運行時，變頻器內部一直在提取扭矩計反饋值的平均值。一旦開始運行，鎖住該值，作為本次運行的扭矩計零點對應值。運行時，需對扭矩計的頻率量反饋值進行工程量轉換，轉換為變頻器內部可進行識別計算的工程值，ACS880平臺轉換后扭矩計的反饋值以電機額定轉矩的百分比形式輸出。工程量轉換模塊如圖3所示。

圖2 動態(tài)扭矩計零點處理模塊

圖3 工程量轉換模塊

在扭矩控制方式下，利用上述扭矩工程量反饋值，進行電機實際輸出扭矩PI閉環(huán)控制。在此需要注意扭矩階躍給定時的超調現象，為此需要有條件地投入扭矩閉環(huán)控制積分調節(jié)環(huán)節(jié)(建議投入條件：反饋值絕對值大于給定絕對值的90%)。扭矩閉環(huán)控制模塊如圖4所示。

圖4 扭矩閉環(huán)控制模塊

交流變頻傳動系統(tǒng)在進行扭矩直接閉環(huán)控制時，應具備扭矩計信號故障時的應急保護措施。動態(tài)扭矩計由內環(huán)、外環(huán)組成，內環(huán)通過法蘭盤與電機輸出軸連接，外環(huán)安裝于固定支座上。試驗臺因長期運行振動，可能會造成外環(huán)支座工裝發(fā)生一定量的位移，從而使扭矩計外環(huán)與內環(huán)不對中，輸出信號錯誤(一般為負方向最大值)。這樣導致扭矩峰值輸出，對試驗件可能造成不可恢復的損壞。鑒于此，應具備扭矩閉環(huán)應急保護措施，即當扭矩計信號出現負方向最大值時(選擇扭矩計的量程應大于電機力矩量程的20%)，扭矩閉環(huán)失效，自動轉入開環(huán)控制，繼續(xù)完成試驗。

5 技術驗證

通過上述扭矩直接閉環(huán)控制技術，有效地提高了交流電機的扭矩控制精度。某航空試驗臺電機扭矩控制曲線如圖5所示。Y1時刻，給定為-80%，反饋為-80.012%；Y2時刻，給定為100%，反饋為100.240%。除了在轉矩給定階躍上升段略有超調外，穩(wěn)態(tài)段扭矩控制精度可達0.5%，滿足該試驗臺扭矩控制精度1%的要求。

圖5 某航空試驗臺電機扭矩控制曲線

6 結 論

經過試驗驗證，交流變頻傳動系統(tǒng)扭矩閉環(huán)控制技術能夠將電機扭矩控制精度從3%提高至1%，滿足扭矩高精度、快響應的測試臺要求。