礦山機車無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)

1.引言
      現(xiàn)代軌道牽引中，異步電機已經逐步代替直流電機而成為主要的軌道牽引用電機種類。為了得到較好的交流調速性能，矢量控制是一種較為理想的控制方法。對于礦山機車牽引系統(tǒng)，為獲得較好的控制性能，應針對礦山機車的工作特點對傳統(tǒng)的矢量控制系統(tǒng)進行改進。機車運行條件惡劣，震動強烈且工作環(huán)境灰塵多，這些條件對速度傳感器會有很大的危害。所以機車在某些情況下不能使用速度傳感器，在系統(tǒng)設計時要考慮實現(xiàn)無速度傳感器運行，利用電壓電流等電量信息估算出電機轉速。此外在很多情況下要求機車電機在大于額定轉速工作時仍然有足夠的轉矩輸出。所以系統(tǒng)在設計時必須設計合適的弱磁控制算法，以保證電機在額定轉速以上的正常工作。
      本文首先針對礦山機車的工作特點，設計了相應的礦山機車矢量控制系統(tǒng)，然后對系統(tǒng)中的基于模型參考自適應（MRAS）方法轉速估算環(huán)節(jié)進行了分析研究，此后重點對系統(tǒng)的弱磁環(huán)節(jié)進行了分析研究，比較分析了傳統(tǒng)弱磁控制策略和考慮電機電壓電流約束的優(yōu)化弱磁控制策略。設計并制作了一套基于TMS320F2812控制器的電機控制系統(tǒng)，在此系統(tǒng)上完成了基于MRAS方法轉速估算環(huán)節(jié)和弱磁環(huán)節(jié)的實驗驗證。
2.矢量控制原理及系統(tǒng)設計
      異步電機本質上是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，由于電機內部各個量的耦合性的存在，直接控制電機的三相輸入電壓電流的方法得到的結果并不令人滿意。經過合適的坐標變換，電機內部電流將會得到解耦，電機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坐標系中的d軸與轉子磁場方向重合，此時轉子磁通q軸分量為零，在此坐標系內電機模型如下：
                                                                       

      由轉矩方程可知，此種坐標系的選擇方法可以實現(xiàn)電流解耦，從而對轉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，異步電機的矢量控制系統(tǒng)就是先對實際電機的三相坐標系下的物理量進行變換，在變換后的坐標系下對電機的磁鏈和轉矩分別控制，確定控制給定量，然后再經過反變換變換至實際三相坐標系系統(tǒng)對電機進行控制的過程。針對前面所提到的礦山機車牽引電機的工作特點，應該在傳統(tǒng)的矢量控制中加入轉速估算和弱磁控制環(huán)節(jié)。綜合考慮礦山機車系統(tǒng)的特殊要求本系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

3.基于模型參考自適應（MRAS）方法的轉速估算
      無速度傳感器矢量控制需要準確的估算磁鏈和轉速信息。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，對于轉速信息則需要其他估算方法，系統(tǒng)較為復雜。為解決此問題，模型參考自適應（MRAS）方法提供了一個很好的思路，通過選擇合適的參考模型和參數(shù)可調模型，可以同時觀測出電機的轉速和磁鏈信息。
      對于矢量控制系統(tǒng)，根據(jù)兩相靜止 坐標系下異步電機的數(shù)學模型可以得到兩種形式的磁鏈估算模型： 
電壓模型

      
      可見兩個模型的輸出均為電機磁鏈，由于在電壓模型中沒有轉速項，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)可調模型，轉速作為可調參數(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率，即可求得角速度，辨識公式為：

      這樣利用模型參考自適應方法就可以同時獲得電機的磁鏈和轉速信息，一定程度上簡化了系統(tǒng)的結構。MRAS是基于觀測器的穩(wěn)定性設計的辨識方法，它保證了參數(shù)估計的漸進收斂性。由于MRAS的觀測器是以參考模型為基準的，參考模型本身的參數(shù)準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，可以對電壓模型進行改進：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)所引進的狀態(tài)估計相位滯后由參考轉子磁鏈的濾波信號來補償。本系統(tǒng)中所采用的改進的電壓模型如圖2所示：

      改進后的模型仍然存在低速時估算精度較低的問題，在礦山機車牽引系統(tǒng)中低速工作情況較少，所以此模型適用于機車牽引電機控制系統(tǒng)。
4.弱磁控制
      在實際系統(tǒng)運行過程中，磁場電流和轉矩電流不能任意給定，必須考慮各種約束條件以保證電機的正常運行，避免過熱過流及運行不穩(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應保證電壓限制 ，電流限制 ，由矢量控制原理可以推得穩(wěn)態(tài)下電壓關系 ，其中 為同步轉速， 為電機瞬態(tài)電感， 分別為電機的定子、轉子以及勵磁電感。可見在忽略電阻壓降時，電機的端電壓近似正比于磁鏈和速度之積。當電機的轉速大于電機的額定轉速時，若保持磁鏈為額定磁鏈不變而提升電機轉速，會導致最大轉矩電流減小，影響電機的轉矩輸出能力，為了避免這種情況最直接的方法就是再增加轉速的同時削弱電機內部磁場強度，降低勵磁電流從而控制電機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式中 ，所以在轉速超過額定轉速后令 ，其中 為額定同步轉速， 為當前電機同步轉速， 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，不會隨轉速升高而明顯上升。為了方便工程實現(xiàn)，常用電機的轉子速度 代替 。由于電機轉矩與  乘積成正比。此時隨著轉速的上升，電機的輸出轉矩會隨速度的反比降低，電機的輸出功率恒定，這就是基本弱磁控制。此種控制方法下，電機的轉矩和功率輸出如圖3所示。

      此種方法不受電機參數(shù)的影響，便于工程實現(xiàn)，但是沒有考慮全部電機運行約束的限制，無法合理分配電流以使轉矩最大化，而且由于電機內部 ，所以此算法無法保持勵磁電壓恒定，勵磁電壓會隨著轉速的上升而不斷增大，可能導致電流無法有效跟隨，影響運行穩(wěn)定性。
優(yōu)化弱磁控制
     
      







  6.  結論
      由于礦山機車工作環(huán)境的特殊性，在設計礦山機車牽引電機矢量控制系統(tǒng)時必須考慮速度估算環(huán)節(jié)和弱磁控制環(huán)節(jié)，基于MRAS方法的轉速估算方法可以同時估算電機的轉速和磁鏈信息，簡化了系統(tǒng)結構，較為適合應用于牽引電機矢量控制系統(tǒng)中。優(yōu)化弱磁控制可以保證電機的最大轉矩輸出，使電機有更好的帶載能力和更寬的運行范圍，較為適合應用在對電機轉矩輸出要求較高的牽引電機矢量控制系統(tǒng)中。