摘要

福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院的研究人員莊杰榕、許志紅，在2018年第23期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文（論文標(biāo)題為“智能電磁接觸器自抗擾電流模型預(yù)測(cè)控制”），基于線圈電流閉環(huán)控制的智能接觸器受到廣泛認(rèn)可，為解決其抗機(jī)械擾動(dòng)和差拍延時(shí)控制問題，提出一種自抗擾電流模型預(yù)測(cè)控制策略。分析線圈電流閉環(huán)的擾動(dòng)機(jī)理，探討不同線圈電壓、不同的鐵心分離速度對(duì)電流上升斜率的影響。

分析結(jié)果表明，線圈兩端電壓為零時(shí)，線圈電流上升斜率的異常變化與鐵心運(yùn)動(dòng)速度呈正向關(guān)系，由電流上升斜率能夠反推鐵心的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。建立無差拍的電流數(shù)值求解模型，引入感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償項(xiàng)，預(yù)測(cè)下一周期的線圈電流，消除數(shù)字控制延時(shí)；引入二次型評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化，求解最優(yōu)占空比及開關(guān)函數(shù)，使接觸器受擾動(dòng)時(shí)開關(guān)函數(shù)為零，自動(dòng)進(jìn)入零線圈電壓狀態(tài)觀測(cè)線圈電流斜率的異常變化，在鐵心分離初期自主調(diào)節(jié)電流設(shè)定，從而抑制擾動(dòng)沖擊，接觸器吸持狀態(tài)具有自抗擾能力；該文提出的控制策略同時(shí)兼顧穩(wěn)定吸持時(shí)的線圈電流靜態(tài)誤差、紋波，諧波含量低。

仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略的有效性，提高了智能接觸器在新能源領(lǐng)域運(yùn)行時(shí)的吸持穩(wěn)定性。

風(fēng)力、光伏、電動(dòng)汽車等新能源領(lǐng)域帶動(dòng)了傳統(tǒng)接觸器的發(fā)展，亦給電磁系統(tǒng)交流或開環(huán)整流勵(lì)磁的接觸器帶來挑戰(zhàn)，即在電壓波動(dòng)范圍大（額定電壓的1±50%，甚至完全斷電）、存在強(qiáng)外部擾動(dòng)的新能源領(lǐng)域難以實(shí)際應(yīng)用�；陔姶畔到y(tǒng)閉環(huán)控制的智能接觸器在一定程度上能夠不受電信號(hào)擾動(dòng)及自身參數(shù)攝動(dòng)的影響，獲得良好的動(dòng)靜態(tài)性能，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

電磁系統(tǒng)閉環(huán)控制分為線圈電壓反饋和電流反饋兩種驅(qū)動(dòng)方式。線圈電壓反饋的作用效果嚴(yán)重滯后于接觸器勵(lì)磁狀態(tài)的改變，難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)過程的最優(yōu)控制；而電流反饋驅(qū)動(dòng)下的線圈勵(lì)磁響應(yīng)速度快，綜合性能更好，具有電磁系統(tǒng)交直流通用、寬工作電壓、彈跳抑制等優(yōu)點(diǎn)，在100A以上的大容量接觸器中具有高性價(jià)比，ABB、羅克韋爾等國外企業(yè)陸續(xù)推出具有線圈電流閉環(huán)功能的智能接觸器取代其旗下的傳統(tǒng)電磁接觸器。

線圈電流反饋環(huán)路是電磁系統(tǒng)閉環(huán)控制最直接的環(huán)節(jié)，目前典型的線圈電流反饋驅(qū)動(dòng)主要包括非線性的斬波控制（也叫開關(guān)控制）或滯環(huán)控制、線性的比例積分控制（ProportionalIntegral,PI）。其中，斬波控制方法簡(jiǎn)單，電磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，但開關(guān)頻率不固定，造成線圈電流諧波分布廣，難以濾波消除，產(chǎn)生高頻噪音；比例積分控制能夠固定開關(guān)頻率，但在接觸器起動(dòng)到保持過程中PI參數(shù)整定工作量大，參數(shù)不匹配會(huì)引起線圈電流振蕩和靜態(tài)電流誤差。隨著數(shù)字處理器性能的提高，使得一個(gè)電流周期內(nèi)能夠完成更加復(fù)雜的計(jì)算，出現(xiàn)如模糊控制、位移控制等智能算法。

綜上所述，具有電流反饋的閉環(huán)控制方式使接觸器能夠適應(yīng)新能源領(lǐng)域中大幅度電壓波動(dòng)，但引入電流紋波、諧波、靜態(tài)電流誤差等問題；新能源領(lǐng)域中的強(qiáng)外部擾動(dòng)，如安裝于風(fēng)機(jī)、車載的接觸器受到強(qiáng)度、方向隨機(jī)出現(xiàn)的振動(dòng)，車輛起動(dòng)、制動(dòng)過程接觸器運(yùn)動(dòng)部件的慣性沖擊以及風(fēng)機(jī)低電壓穿越后變頻器輸出數(shù)倍額定電流帶來的觸頭電動(dòng)斥力沖擊，均給接觸器的吸持穩(wěn)定性提出更高的要求。

改變接觸器在振動(dòng)環(huán)境的安裝方向、提高吸持電流設(shè)定，在一定范圍內(nèi)不失為可行的措施。但擾動(dòng)的不確定性增加了吸持電流的調(diào)試難度，盲目提高吸持電流會(huì)帶來吸持功耗大、線圈溫升高等系列問題，電磁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度增加；改變接觸器的安裝方向只能應(yīng)對(duì)單一方向的沖擊擾動(dòng)，局限性大。

現(xiàn)有方法均是在觸頭空載時(shí)的抗振性測(cè)試，無法同時(shí)考慮觸頭帶載后沖擊電流帶來的電動(dòng)斥力，需依賴技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)在各種工況下反復(fù)調(diào)試參數(shù)。

近年來，自抗擾控制、預(yù)測(cè)控制等先進(jìn)的控制理論在電力電子變流器、電機(jī)控制中得到了成功的應(yīng)用。預(yù)測(cè)控制具有系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型、反饋校正和滾動(dòng)優(yōu)化的特點(diǎn)，選擇評(píng)估函數(shù)最小從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。自抗擾控制則充分考慮不確定的系統(tǒng)擾動(dòng)影響，在控制器設(shè)計(jì)中加入擾動(dòng)補(bǔ)償，提高控制系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性能。

本文將自抗擾模型預(yù)測(cè)控制引入基于線圈電流閉環(huán)的電磁接觸器，提高其吸持穩(wěn)定性和自適應(yīng)能力：考慮線圈電感變化引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，建立適用于接觸器的線圈電流無差拍模型，預(yù)測(cè)下一周期的線圈電流，解決數(shù)字處理器存在的差拍現(xiàn)象。

差拍現(xiàn)象是數(shù)字控制存在的共性問題，即當(dāng)前計(jì)算的占空比在下一個(gè)開關(guān)周期實(shí)現(xiàn)，控制作用始終延時(shí)一拍，是引起吸持電流紋波、諧波、穩(wěn)態(tài)誤差的主要原因之一；推導(dǎo)證明鐵心運(yùn)動(dòng)引起電流斜率的異常變化，揭示零線圈電壓下鐵心分?jǐn)嗨俣扰c線圈電流上升斜率呈正向關(guān)系，間接建立觸頭與電磁系統(tǒng)的電氣聯(lián)系，作為預(yù)測(cè)控制的鐵心運(yùn)動(dòng)反饋外環(huán)，無需添加額外的硬件，不影響接觸器的正常工作，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)線圈電流參考值，實(shí)時(shí)應(yīng)對(duì)機(jī)械沖擊擾動(dòng)；采用二次型評(píng)價(jià)函數(shù)，進(jìn)行逐周期的滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正，求解局部最優(yōu)的占空比及開關(guān)調(diào)制函數(shù)，在擾動(dòng)狀態(tài)下自動(dòng)進(jìn)入零開關(guān)函數(shù)進(jìn)行電流斜率異常觀測(cè)。

本文所提控制策略采用數(shù)字編程實(shí)現(xiàn)，降低了對(duì)硬件性能的要求，使電磁接觸器具有自適應(yīng)的抗機(jī)械沖擊擾動(dòng)能力。

圖1線圈驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2自抗擾電流模型預(yù)測(cè)控制策略結(jié)構(gòu)框圖

結(jié)論

1）闡明鐵心運(yùn)動(dòng)引起線圈電流閉環(huán)擾動(dòng)的現(xiàn)象，提出自抗擾電流模型預(yù)測(cè)控制策略，使接觸器能夠?qū)崟r(shí)自適應(yīng)地應(yīng)對(duì)擾動(dòng)沖擊。

2）分析鐵心分離運(yùn)動(dòng)引發(fā)電流斜率異常變化，揭示零線圈電壓下線圈電流上升斜率與鐵心分離速度呈正向關(guān)系，從而構(gòu)建鐵心由靜止到運(yùn)動(dòng)的反饋外環(huán)，預(yù)測(cè)接觸器吸持失效。

3）建立無差拍的電流預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，評(píng)價(jià)函數(shù)在線的滾動(dòng)優(yōu)化，得出最佳開關(guān)函數(shù)及占空比，實(shí)現(xiàn)線圈電流紋波、靜態(tài)誤差小，諧波含量低，擾動(dòng)時(shí)自動(dòng)進(jìn)入零開關(guān)函數(shù)，反推出鐵心運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

4）控制策略以數(shù)字環(huán)路實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崟r(shí)應(yīng)對(duì)振動(dòng)、低電壓穿越等擾動(dòng)，提高接觸器在新能源領(lǐng)域中運(yùn)行時(shí)的吸持穩(wěn)定性。

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