礦山機(jī)車無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)
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現(xiàn)代軌道牽引中，異步電機(jī)已經(jīng)逐步代替直流電機(jī)而成為主要的軌道牽引用電機(jī)種類。為了得到較好的交流調(diào)速性能，矢量控制是一種較為理想的控制方法。對于礦山機(jī)車牽引系統(tǒng)，為獲得較好的控制性能，應(yīng)針對礦山機(jī)車的工作特點(diǎn)對傳統(tǒng)的矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。機(jī)車運(yùn)行條件惡劣，震動強(qiáng)烈且工作環(huán)境灰塵多，這些條件對速度傳感器會有很大的危害。所以機(jī)車在某些情況下不能使用速度傳感器，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮實(shí)現(xiàn)無速度傳感器運(yùn)行，利用電壓電流等電量信息估算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。此外在很多情況下要求機(jī)車電機(jī)在大于額定轉(zhuǎn)速工作時(shí)仍然有足夠的轉(zhuǎn)矩輸出。所以系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)必須設(shè)計(jì)合適的弱磁控制算法，以保證電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以上的正常工作。
本文首先針對礦山機(jī)車的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的礦山機(jī)車矢量控制系統(tǒng)，然后對系統(tǒng)中的基于模型參考自適應(yīng)（MRAS）方法轉(zhuǎn)速估算環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析研究，此后重點(diǎn)對系統(tǒng)的弱磁環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析研究，比較分析了傳統(tǒng)弱磁控制策略和考慮電機(jī)電壓電流約束的優(yōu)化弱磁控制策略。設(shè)計(jì)并制作了一套基于TMS320F2812控制器的電機(jī)控制系統(tǒng)，在此系統(tǒng)上完成了基于MRAS方法轉(zhuǎn)速估算環(huán)節(jié)和弱磁環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
2.矢量控制原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)
異步電機(jī)本質(zhì)上是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，由于電機(jī)內(nèi)部各個(gè)量的耦合性的存在，直接控制電機(jī)的三相輸入電壓電流的方法得到的結(jié)果并不令人滿意。經(jīng)過合適的坐標(biāo)變換，電機(jī)內(nèi)部電流將會得到解耦，電機(jī)的模型將被大大簡化。在常用的磁場定向矢量控制系統(tǒng)中，一般使d-q坐標(biāo)系中的d軸與轉(zhuǎn)子磁場方向重合，此時(shí)轉(zhuǎn)子磁通q軸分量為零，在此坐標(biāo)系內(nèi)電機(jī)模型如下：
由轉(zhuǎn)矩方程可知，此種坐標(biāo)系的選擇方法可以實(shí)現(xiàn)電流解耦，從而對轉(zhuǎn)矩和勵磁電流分別控制，獲得較好的控制性能。
由上面矢量控制的原理可知，異步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)就是先對實(shí)際電機(jī)的三相坐標(biāo)系下的物理量進(jìn)行變換，在變換后的坐標(biāo)系下對電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩分別控制，確定控制給定量，然后再經(jīng)過反變換變換至實(shí)際三相坐標(biāo)系系統(tǒng)對電機(jī)進(jìn)行控制的過程。針對前面所提到的礦山機(jī)車牽引電機(jī)的工作特點(diǎn)，應(yīng)該在傳統(tǒng)的矢量控制中加入轉(zhuǎn)速估算和弱磁控制環(huán)節(jié)。綜合考慮礦山機(jī)車系統(tǒng)的特殊要求本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
3.基于模型參考自適應(yīng)（MRAS）方法的轉(zhuǎn)速估算
無速度傳感器矢量控制需要準(zhǔn)確的估算磁鏈和轉(zhuǎn)速信息。傳統(tǒng)的電壓模型法、電流模型法等開環(huán)磁鏈觀測方法都存在著觀測精度和穩(wěn)定性不足的問題，而且這些觀測器僅能估算出磁鏈信息，對于轉(zhuǎn)速信息則需要其他估算方法，系統(tǒng)較為復(fù)雜。為解決此問題，模型參考自適應(yīng)（MRAS）方法提供了一個(gè)很好的思路，通過選擇合適的參考模型和參數(shù)可調(diào)模型，可以同時(shí)觀測出電機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈信息。
對于矢量控制系統(tǒng)，根據(jù)兩相靜止坐標(biāo)系下異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以得到兩種形式的磁鏈估算模型：
電壓模型
可見兩個(gè)模型的輸出均為電機(jī)磁鏈，由于在電壓模型中沒有轉(zhuǎn)速項(xiàng)，所以可以選用電壓模型作為參考模型。電流模型作為參數(shù)可調(diào)模型，轉(zhuǎn)速作為可調(diào)參數(shù)，根據(jù)Popov超穩(wěn)定性理論，選取誤差量為
選取比例積分自適應(yīng)率，即可求得角速度，辨識公式為：
這樣利用模型參考自適應(yīng)方法就可以同時(shí)獲得電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)速信息，一定程度上簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。MRAS是基于觀測器的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的辨識方法，它保證了參數(shù)估計(jì)的漸進(jìn)收斂性。由于MRAS的觀測器是以參考模型為基準(zhǔn)的，參考模型本身的參數(shù)準(zhǔn)確程度直接影響到速度和磁鏈辨識的精度。為消除電壓模型中純積分的影響，可以對電壓模型進(jìn)行改進(jìn)：利用一階慣性環(huán)節(jié)代替對反電動勢的純積分環(huán)節(jié)，慣性環(huán)節(jié)所引進(jìn)的狀態(tài)估計(jì)相位滯后由參考轉(zhuǎn)子磁鏈的濾波信號來補(bǔ)償。本系統(tǒng)中所采用的改進(jìn)的電壓模型如圖2所示：
改進(jìn)后的模型仍然存在低速時(shí)估算精度較低的問題，在礦山機(jī)車牽引系統(tǒng)中低速工作情況較少，所以此模型適用于機(jī)車牽引電機(jī)控制系統(tǒng)。
4.弱磁控制
在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行過程中，磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流不能任意給定，必須考慮各種約束條件以保證電機(jī)的正常運(yùn)行，避免過熱過流及運(yùn)行不穩(wěn)定等問題。系統(tǒng)中逆變器的輸出電壓存在極值，在SVPWM調(diào)制策略下，其輸出的最大相電壓幅值為，其中為直流母線電壓。逆變器的輸出電流以及電機(jī)所能承受的電流也是有限的，存在最大輸出電流限制?？刂茣r(shí)應(yīng)保證電壓限制，電流限制，由矢量控制原理可以推得穩(wěn)態(tài)下電壓關(guān)系，其中為同步轉(zhuǎn)速，為電機(jī)瞬態(tài)電感，分別為電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子以及勵磁電感。可見在忽略電阻壓降時(shí)，電機(jī)的端電壓近似正比于磁鏈和速度之積。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速時(shí)，若保持磁鏈為額定磁鏈不變而提升電機(jī)轉(zhuǎn)速，會導(dǎo)致最大轉(zhuǎn)矩電流減小，影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力，為了避免這種情況最直接的方法就是再增加轉(zhuǎn)速的同時(shí)削弱電機(jī)內(nèi)部磁場強(qiáng)度，降低勵磁電流從而控制電機(jī)的端電壓維持在額定值。
基本弱磁控制
由于在電壓約束表達(dá)式中，所以在轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速后令，其中為額定同步轉(zhuǎn)速，為當(dāng)前電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，為額定勵磁電流。這樣可以保證維持電流所需的電壓基本恒定，不會隨轉(zhuǎn)速升高而明顯上升。為了方便工程實(shí)現(xiàn)，常用電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度代替。由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩與乘積成正比。此時(shí)隨著轉(zhuǎn)速的上升，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會隨速度的反比降低，電機(jī)的輸出功率恒定，這就是基本弱磁控制。此種控制方法下，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率輸出如圖3所示。
此種方法不受電機(jī)參數(shù)的影響，便于工程實(shí)現(xiàn)，但是沒有考慮全部電機(jī)運(yùn)行約束的限制，無法合理分配電流以使轉(zhuǎn)矩最大化，而且由于電機(jī)內(nèi)部，所以此算法無法保持勵磁電壓恒定，勵磁電壓會隨著轉(zhuǎn)速的上升而不斷增大，可能導(dǎo)致電流無法有效跟隨，影響運(yùn)行穩(wěn)定性。
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