CN106685300B - 工业计量泵专用数字变频控制器的动态补偿方法 - Google Patents

工业计量泵专用数字变频控制器的动态补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种工业计量泵专用数字变频控制器的动态补偿方法。基于工业计量泵的流体定量投加和比例投加（简称定比投加）普遍应用于石油、化工、水处理、食品、制药、环保、液态施肥等领域。本发明基于霍尔磁钢和霍尔传感器，实时观测计量泵驱动电机的转速波动，将电机转速波动变换为时间波动，进而在标准矢量控制中，将转速环变为时间环，通过闭环控制，对电机转速进行动态补偿，使电机在脉动负载下平稳运转，以减轻对机械传动系统的冲击破坏，降低无功损耗和驱动模块发热，提高流体定比投加精度。

Description

工业计量泵专用数字变频控制器的动态补偿方法
技术领域
本发明涉及工业计量泵领域，具体是一种计量泵专用数字变频控制器的动态补偿方法。
背景技术
流体定量投加和比例投加(简称定比投加)普遍存在于石油、化工、水处理、食品、制药、环保、液态施肥等领域。实现这一过程的低层设备通常是往复式隔膜计量泵，通常采用三相异步电机驱动(它不同于普通的泵，由特种材料和专门的传动机构制成，对防腐和防泄露有极高的要求)。传统流体投加多采用固定频率(通常为50Hz)的加压泵、节流电磁阀和减压电磁阀(出于安全考虑)来实现流量自动调节，其优点是方法简单，工艺成熟，易于实现，缺点是加压、节流和减压交互作用，造成不必要的能量消耗和驱动电机发热，对设备形成冲击破坏导致寿命缩短，对管线耐压有较高的要求从而导致设备成本增加，更严重的是难以达到精确配比的工艺要求，进而影响产品质量。为了克服传统流体投加的不足，实现节能减排和精确定比投加，需要寻找新的投加方案和控制方法。
发明内容
本发明针对计量泵脉动负载的特点，给出计量泵专用数字变频控制器的动态补偿技术。具体技术方案如下：
一种计量泵专用数字变频控制器的动态补偿方法，实时观测电机转速的波动情况，基于闭环控制对转矩电流进行动态补偿，使电机在脉动负载下平稳运转。
进一步的，采用霍尔磁钢和霍尔传感器观测转速。
进一步的，所述霍尔磁钢均匀安装在计量泵三相异步电机轴上。
进一步的，根据期望的流量Qref，采用式计算出参考转速nref，再根据式计算出参考时间Δtref，然后进行动态补偿，其中M为永久磁钢个数，设电机蜗轮蜗杆减速器的传动比为r，隔膜腔容积的最大变化量为ΔV(升)，电机转速为n(转/分)，Δt为转过相邻两磁钢所需时间。
本发明针对涡轮蜗杆传动系统的动力输出轴承受非线性脉动负载的特点，实时检测电机转速的波动情况，通过闭环控制调节转矩电流，使电机在脉动负载下平稳运转，以减轻对机械传动系统的冲击破坏，降低无功损耗和驱动模块发热，提高流体定比投加精度。
附图说明
图1是工业计量泵应用系统图；
图2是减速电动机动力输出轴旋转一周过程中负载变化情况图；
图3是电机转子轴示意图；
图4是动态补偿闭环控制方式示意图；
图5是霍尔磁钢和霍尔传感器的安装位置示意图；
具体实施方式
为了便于说明本发明的内容，首先从整体上介绍一下数字变频计量泵应用系统。如附图1所示，系统以电机专用数字信号控制器芯片1为核心，具有按键输入18和液晶显示4，用以通过人机交互实现参数配置和工作模式设定。通过CAN总线接口3和485接口2，实现远程监控。利用远程启停6手动控制计量泵的启动和停止。
可通过4-20mA标准信号输入接口，跟踪流量检测仪表8或来自其他外部控制器的信号，实现闭环控制。往复式计量泵11在三相异步交流电机驱动下，将待加流体从容器12通过真空原理和挤压方式输送到投加点9。电机专用数字信号控制器芯片1，通过光电隔离15，利用智能IGBT功率模块，将整流后的直流母线电压变为频率可调的三相交流电，驱动三相异步电机工作。频率改变，三相电机转速改变，进而达到调节流量的目的。电机检测部分可实时检测电机转速在脉动冲击载荷下的波动情况，作为本发明进行动态补偿的依据。
从性能上讲，现有的通用数字变频器一般只适合于负载相对平稳或变化缓慢的对象，而计量泵流体传送部分在一个往复行程过程(对应于驱动电机动力输出轴转一圈)中，负载变化较大，具有明显的非线性脉动特征。计量泵的驱动电机减速器动力输出轴在旋转一周的过程中，负载变化情况如附图2所示。图中带箭头的线段长度表示扭矩大小，假设动力输出轴顺时针旋转。右半部分ABC段表示通过负压将流体从容器吸入泵的隔膜腔内，这时扭矩比较小，且基本上保持不变。左半部分CDA段表示通过对流体的挤压将其从泵的隔膜腔中排出，这时从C点到D点，扭矩逐渐增大，到D点时达到最大，然后，在从D到A的过程中，扭矩又逐渐减小，到达A点时达到最小，隔膜腔内的流体全部排出。从A点开始，又将流体吸入隔膜腔内，再重复上述过程。
减速器动力输出轴每转一圈，往复式计量泵的隔膜腔工作完整的一个周期，前半周期容积由最小变为最大，形成内部真空，关闭出口球阀，打开进口球阀，将流体从容器吸入隔膜腔，后半周期容积由最大变为最小，关闭进口球阀，打开出口球阀，将隔膜腔的流体从出口排出。
设三相异步电机转子轴上均匀安装M个永久磁钢，如图3所示。
设电机蜗轮蜗杆减速器的传动比为r，隔膜腔容积的最大变化量为ΔV(升)，电机转速为n(转/分)，则体积流量为
电机以转速n(转/分)旋转时，图3中转过相邻两磁钢所需时间为
转速n不变，Δt不变。负载增加，n减小，Δt变大，反之，Δt变小。
Δt可用光电编码器测量，但成本高，且安装不便。采用无传感器磁场定向控制(矢量控制)技术，通过检测相电流估计反电动势，进而计算电机转速n，再按(2)式求出Δt，但当转速较低时，反电势为零，因此，无法估算转速，也就无法根据(1)式计算流量。另外，采用无传感器磁场定向控制技术估算转速时需要进行二次滤波，这将导致所求得的转速是平均转速，不能反映转速随负载瞬时变化的波动情况，因此，不能用此转速信号进行动态补偿。
本方明通过在电机转子轴上均均安状若干个磁钢，用霍尔传感器实时观测转速，其特点是成本低、易于安装，在低速时也能测得转速，而且通过Δt的变化可以直接反映出转速随负载瞬时变化的波动情况，从而可进行有效的动态补偿。
本发明在公知的无传感器磁场定向控制的速度环中，根据期望的流量Qref，采用(1)式计算出参考转速nref，再根据(2)式计算出参考时间Δtref，然后按图4构成闭环控制，既可实现动态补偿。
图4中，动态补偿算法可采用经典的PI闭环控制算法，亦可采用公知的模糊逻辑控制算法。为了重点说明本发明的原理，虚线框对标准的矢量控制作了简化。
下面简要说明霍尔磁钢和霍尔传感器的安装方法。对于3粒霍尔磁钢的情况，应相隔120°均匀安装在计量泵三相异步电机轴上，如图5所示。正确的安装应该是磁钢轴线和霍尔轴线通过电机轴心，并在同一个平面内。不正确的安装会丢失信号，影响测量精度。
磁钢是有极性的，不能装反，具体判断方法是：给霍尔传感器正、负端加9-12V直流电，当霍尔对准磁钢时，指示灯变亮，则极性正确，否则应调换极性。转轴直径大时，可安装的磁钢，以增强信号。

Claims (1)

1.一种计量泵专用数字变频控制器的动态补偿方法，其特征在于：根据工业计量泵输出轴承受非线性脉动负载的特点，实时观测电机转速的波动情况，基于闭环控制对转矩电流进行动态补偿，根据期望的流量Qref，采用式计算出参考转速nref，再根据式计算出参考时间Δtref，然后进行动态补偿，其中M为永久磁钢个数，设电机蜗轮蜗杆减速器的传动比为r，隔膜腔容积的最大变化量为ΔV(升)，电机转速为n(转/分)，Δt为转过相邻两磁钢所需时间；使电机在脉动负载下平稳运转，以减轻对机械传动系统的冲击破坏，降低无功损耗和驱动模块发热，提高流体定比投加精度；
采用廉价的霍尔磁钢和霍尔传感器观测转速，以克服无传感器磁场定向控制技术在低转速时无法估计转速的局限性；
将传统的转速环变成反映电机瞬时波动的时间环，可对冲击负载引起的电机转速波动进行补偿，以提高流量检测精度。
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