摘要

福州大學電氣工程與自動化學院的研究人員莊杰榕、許志紅，在2018年第23期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“智能電磁接觸器自抗擾電流模型預測控制”），基于線圈電流閉環控制的智能接觸器受到廣泛認可，為解決其抗機械擾動和差拍延時控制問題，提出一種自抗擾電流模型預測控制策略。分析線圈電流閉環的擾動機理，探討不同線圈電壓、不同的鐵心分離速度對電流上升斜率的影響。

分析結果表明，線圈兩端電壓為零時，線圈電流上升斜率的異常變化與鐵心運動速度呈正向關系，由電流上升斜率能夠反推鐵心的運動狀態。建立無差拍的電流數值求解模型，引入感應電動勢補償項，預測下一周期的線圈電流，消除數字控制延時；引入二次型評價函數進行滾動優化，求解最優占空比及開關函數，使接觸器受擾動時開關函數為零，自動進入零線圈電壓狀態觀測線圈電流斜率的異常變化，在鐵心分離初期自主調節電流設定，從而抑制擾動沖擊，接觸器吸持狀態具有自抗擾能力；該文提出的控制策略同時兼顧穩定吸持時的線圈電流靜態誤差、紋波，諧波含量低。

仿真及實驗驗證了該控制策略的有效性，提高了智能接觸器在新能源領域運行時的吸持穩定性。

風力、光伏、電動汽車等新能源領域帶動了傳統接觸器的發展，亦給電磁系統交流或開環整流勵磁的接觸器帶來挑戰，即在電壓波動范圍大（額定電壓的1±50%，甚至完全斷電）、存在強外部擾動的新能源領域難以實際應用。基于電磁系統閉環控制的智能接觸器在一定程度上能夠不受電信號擾動及自身參數攝動的影響，獲得良好的動靜態性能，受到國內外學者的廣泛關注。

電磁系統閉環控制分為線圈電壓反饋和電流反饋兩種驅動方式。線圈電壓反饋的作用效果嚴重滯后于接觸器勵磁狀態的改變，難以實現動態過程的最優控制；而電流反饋驅動下的線圈勵磁響應速度快，綜合性能更好，具有電磁系統交直流通用、寬工作電壓、彈跳抑制等優點，在100A以上的大容量接觸器中具有高性價比，ABB、羅克韋爾等國外企業陸續推出具有線圈電流閉環功能的智能接觸器取代其旗下的傳統電磁接觸器。

線圈電流反饋環路是電磁系統閉環控制最直接的環節，目前典型的線圈電流反饋驅動主要包括非線性的斬波控制（也叫開關控制）或滯環控制、線性的比例積分控制（ProportionalIntegral,PI）。其中，斬波控制方法簡單，電磁系統動態響應快，但開關頻率不固定，造成線圈電流諧波分布廣，難以濾波消除，產生高頻噪音；比例積分控制能夠固定開關頻率，但在接觸器起動到保持過程中PI參數整定工作量大，參數不匹配會引起線圈電流振蕩和靜態電流誤差。隨著數字處理器性能的提高，使得一個電流周期內能夠完成更加復雜的計算，出現如模糊控制、位移控制等智能算法。

綜上所述，具有電流反饋的閉環控制方式使接觸器能夠適應新能源領域中大幅度電壓波動，但引入電流紋波、諧波、靜態電流誤差等問題；新能源領域中的強外部擾動，如安裝于風機、車載的接觸器受到強度、方向隨機出現的振動，車輛起動、制動過程接觸器運動部件的慣性沖擊以及風機低電壓穿越后變頻器輸出數倍額定電流帶來的觸頭電動斥力沖擊，均給接觸器的吸持穩定性提出更高的要求。

改變接觸器在振動環境的安裝方向、提高吸持電流設定，在一定范圍內不失為可行的措施。但擾動的不確定性增加了吸持電流的調試難度，盲目提高吸持電流會帶來吸持功耗大、線圈溫升高等系列問題，電磁系統的設計難度增加；改變接觸器的安裝方向只能應對單一方向的沖擊擾動，局限性大。

現有方法均是在觸頭空載時的抗振性測試，無法同時考慮觸頭帶載后沖擊電流帶來的電動斥力，需依賴技術人員的經驗在各種工況下反復調試參數。

近年來，自抗擾控制、預測控制等先進的控制理論在電力電子變流器、電機控制中得到了成功的應用。預測控制具有系統預測模型、反饋校正和滾動優化的特點，選擇評估函數最小從而實現最優控制。自抗擾控制則充分考慮不確定的系統擾動影響，在控制器設計中加入擾動補償，提高控制系統的抗擾動性能。

本文將自抗擾模型預測控制引入基于線圈電流閉環的電磁接觸器，提高其吸持穩定性和自適應能力：考慮線圈電感變化引起的感應電動勢，建立適用于接觸器的線圈電流無差拍模型，預測下一周期的線圈電流，解決數字處理器存在的差拍現象。

差拍現象是數字控制存在的共性問題，即當前計算的占空比在下一個開關周期實現，控制作用始終延時一拍，是引起吸持電流紋波、諧波、穩態誤差的主要原因之一；推導證明鐵心運動引起電流斜率的異常變化，揭示零線圈電壓下鐵心分斷速度與線圈電流上升斜率呈正向關系，間接建立觸頭與電磁系統的電氣聯系，作為預測控制的鐵心運動反饋外環，無需添加額外的硬件，不影響接觸器的正常工作，自適應地調節線圈電流參考值，實時應對機械沖擊擾動；采用二次型評價函數，進行逐周期的滾動優化和反饋校正，求解局部最優的占空比及開關調制函數，在擾動狀態下自動進入零開關函數進行電流斜率異常觀測。

本文所提控制策略采用數字編程實現，降低了對硬件性能的要求，使電磁接觸器具有自適應的抗機械沖擊擾動能力。

圖1線圈驅動拓撲結構

圖2自抗擾電流模型預測控制策略結構框圖

結論

1）闡明鐵心運動引起線圈電流閉環擾動的現象，提出自抗擾電流模型預測控制策略，使接觸器能夠實時自適應地應對擾動沖擊。

2）分析鐵心分離運動引發電流斜率異常變化，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系，從而構建鐵心由靜止到運動的反饋外環，預測接觸器吸持失效。

3）建立無差拍的電流預測數學模型，評價函數在線的滾動優化，得出最佳開關函數及占空比，實現線圈電流紋波、靜態誤差小，諧波含量低，擾動時自動進入零開關函數，反推出鐵心運動狀態。

4）控制策略以數字環路實現，能夠實時應對振動、低電壓穿越等擾動，提高接觸器在新能源領域中運行時的吸持穩定性。

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