針對智能食品攪拌機變頻器驅動策略的設計

范梓豪 鄭鈺良 張志杰 揭 海

（廣州大學）

0 引言

隨著食品機械行業(yè)的發(fā)展，早期使用的利用差速齒輪進行調速的攪拌機，因其笨重、噪聲大、轉速選擇局限、維護成本高而逐漸被變頻器所替代。大多數自主品牌通過采購通用變頻器、電動機以降低開發(fā)難度，根據商品功能特性設計用戶交互面板，再通過連接通用變頻器上的端子進行控制。該商業(yè)模式一方面令通用變頻器功能冗余，另一方面食品攪拌機得不到低頻恒壓、安靜運行等功能的實現。因此開發(fā)一種針對食品攪拌機的變頻器的驅動策略是十分有必要且具市場價值的。

1 食品攪拌機的現狀及不足

市面上的食品攪拌機將轉速一般分為低速、中速、高速三檔，對應使用不同的攪拌器[1]。低速檔位主要用于攪拌面粉等高粘度流體，中速檔位用于攪拌糊、漿、混合糖與黃油等中粘度流體，而高速檔位用于打發(fā)奶油、蛋白等低粘度流體。

隨著生活質量的提高，人們對食品攪拌機的低噪聲、振動小、重量輕等要求越來越高，但當食品攪拌機處于低速檔位運行時，此時電動機定子繞組電流較大，加上逆變器提供的電源為非正弦電壓，因此會帶來可聞的電磁噪聲[2]，此類噪聲受變頻器影響，頻率集中在1～15kHz，處于人耳敏感聽覺頻率范圍內，因此影響甚大；另一方面，由于低速檔位對變頻器、電動機的要求較高，本文將主要討論低速檔位下變頻策略的設計。

2 正弦脈寬調制策略

正弦脈寬調制可理解成利用較高頻的三角波對較低頻的正弦波進行采樣，通過驅動全橋電路，實現將直流電轉換成交流電。

電機在工作時的高頻噪聲主要來源于電流諧波，而提高載頻可以改變輸出諧波[3]，能有效改善電機高頻噪聲，只要將噪聲頻率提高到超出人耳聽覺頻率范圍，即可減小由電磁噪聲帶來的噪聲影響。但提高載頻意味著開關損耗的增大，母線利用率下降，因此可通過對正弦波注入諧波以提高母線電壓利用率[4]，令正弦波為[5]：

式中，a為調制度；ω=2fb；fb為基頻；t為采樣時間。利用基頻為30Hz、調制度為1，分別與載頻為1530Hz，及根據式（1）摻入諧波后與8190Hz生成的SPWM波形作對比，頻譜如圖1所示。

可見，通過提高載頻并注入諧波后，基頻分量有所提高，高頻分量后移，有利于減小由電流高次諧波帶來的噪聲。因此，可根據實際情況，以提高載頻的形式減小電磁噪聲。

市面上通用變頻器亦擁有調節(jié)載頻的功能，但該參數往往在出廠前已確認，在后續(xù)使用中用戶無法更改，假如出廠前統(tǒng)一提高通用變頻器的載頻，一方面母線利用率會大大下降，另一方面攪拌機在中速、高速等工況下由于電流較小，噪聲不明顯而無須高載頻運行，最終導致通用變頻器長期在高載頻模式下運行，加速開關器件老化，亦進一步說明通用變頻器與食品攪拌機功能需求不相匹配的問題。

3 恒定電壓輸出控制

在使用通用變頻器時，當運行頻率小于工頻（50Hz）時，系統(tǒng)為恒轉矩模式，即逆變器調制度固定，輸出電壓由供電電源決定，當食品攪拌機負載較重時，逆變器損耗增高，輸出壓降增大，導致電動機欠壓，影響輸出力矩，此時可以通過電壓補償來解決該問題。實現電壓精確補償，依靠的是電壓精確測量與使用合適的控制策略。

比例積分微分（PID）控制策略是對系統(tǒng)對目標值進行比例、積分、微分操作并作線性組合成下一控制量，以提高系統(tǒng)響應效果。本文將采用增量式PID控制，其表達式為：

式中，△Uk為控制差量；uk-1為上一次控制量；uk為該次控制量；ek、ek-1、ek-2分別為該次誤差，上次誤差與前次誤差，分別對應三個系數，通過實驗效果整定得到。系統(tǒng)通過電壓采集后，根據參數算出控制差量，循環(huán)調整輸出。

采用PID策略后，能夠保證食品攪拌機在輕載時電動機電壓不會過高，而在重載時電動機又有足夠的電壓以保證力矩。同時，可通過偵測電流來判斷電機有無過載。

4 實驗效果

在選取載頻時，應注意載波比應為3的整數倍，一方面可使三相信號相差為嚴格的120°，另一方面可消除3的整數倍次諧波[7]。

4.1 噪聲分析

將基頻設置為30Hz，以載頻為1530Hz啟動，穩(wěn)定后立即將載頻提升至8190Hz，同時對基波引入諧波，采用錄音設備采集電機噪聲，得到聲音的頻譜如圖2所示。

由圖2可見，當載頻較低時，噪聲峰值主要集中在1.5kHz、3kHz（二次諧波）、4.6kHz（三次諧波）12.2kHz（八次諧波）、13.8kHz（九次諧波），諧波分布在聽覺范圍內，導致聲音嘈雜，而載頻較高時，其頻譜僅有載頻（8.2kHz）及其二次諧波（16.4kHz），聲音更加純凈，另一方面噪聲整體上有3～5dB的減小，因此電機在低頻運行時提高載頻有減小噪聲的效果。

4.2 振動分析

由于驅動載頻的不同，電機的振動亦受到一定程度的影響。將基頻設置為30Hz，以載頻為1530Hz啟動，穩(wěn)定后立即將載頻提升至8190Hz，同時對基波引入諧波，實驗中重復切換一次，令實驗過程中輸出電流始終穩(wěn)定在1A附近，模塊以500Hz速率采樣電機X，Y，Z三個方向的加速度，記錄數據后，利用最小二乘法、五點三次平滑法處理振動數據[8]，得到三維方向振動數據如圖3所示。

可見振動數據得：使用高載頻并對基波引入諧波對電動機振動有增大的影響，各方向振動加速度比低載頻大約0.02g，由于增大幅度較小，經實驗可通過將電動機固定來消除，因此使用該方法對電機振動的影響不大，可忽略不計。

4.3 開關器件溫升情況

由于調制策略的改變，逆變器的損耗亦隨之變化，損耗形式主要轉化為熱量，導致逆變器開關器件溫升。將基頻設置為30Hz，分別以載頻為1530Hz，運行一段時間，記錄溫升數據，待逆變器回溫后，再令其以載頻為8190Hz，同時對基波引入諧波模式持續(xù)運行相同時間，兩種模式下溫升情況如圖4所示。

可見，由于逆變器載頻的提高，帶來的開關損耗增大，高載頻下溫升比低載頻要快，兩種模式下不同的溫度對應的損耗相似，因此，在使用高載頻驅動時，須注意有良好的散熱條件，可將開關器件散熱器固定接觸攪拌機機身，依靠攪拌機外殼散熱，另一方面，在機身內亦需要創(chuàng)建合適的通風路徑，同時亦應注意避免將面粉等顆粒吸入變頻器中導致短路等現象。

4.4 恒壓輸出效果

將基頻設置為30Hz，啟動待電動機穩(wěn)定后引入一定負載后撤出，比較有無PID兩種情況下輸出電壓與逆變器調制度的變化，如圖5所示。

由實驗數據得：當負載加重時，輸出電壓欠壓，無PID策略下輸出電壓一直低于目標電壓，此時電動機輸出力矩下降，轉速滑差增大；而有PID策略下逆變器通過調整調制度使輸出電壓迅速回升至目標電壓及以上，實現電壓補償，保證電動機輸出力矩。因此，通過使用PID策略能夠使食品攪拌機在低頻重負載下保持足夠的力矩。

5 結束語

本文通過對食品攪拌機中逆變器的變頻驅動策略的改進，通過提高載頻，對基波摻入諧波，增加PID策略的形式，使食品攪拌機在攪動面粉等高粘度流體時不僅更加安靜，還能夠保持恒定輸出電壓，以保證力矩，解決了使用通用變頻器的不足。除此之外，使用本文驅動策略還可以大大減小電動機容量，同樣是20L和面攪拌機，市面上常用1500W電動機，使用本文驅動策略，可使用僅550W電機取代，更加高效節(jié)能。本文策略亦可推廣至食品攪拌機中速、高速運行模式。但經過實驗指出，使用本文驅動策略應注意變頻器的散熱及安裝固定，同時做好防塵、防水等工作。