雙SRM無(wú)位置控制系統(tǒng)在采煤機(jī)中的應(yīng)用

摘要：針對(duì)采煤機(jī)惡劣的工作環(huán)境導(dǎo)致位置傳感器故障率高，系統(tǒng)可靠性差的問(wèn)題，提出了雙開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)無(wú)位置傳感器控制策略。以DSP為核心控制芯片，搭建了雙18．5 kW SRM控制器，并在某型電牽引采煤機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，主、從機(jī)換相平穩(wěn)，輸出功率平衡，位置估計(jì)精確，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。
關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)；無(wú)位置傳感器；控制

1 引言
    采煤機(jī)是煤礦井下主要的生產(chǎn)設(shè)備，不僅需要較大的牽引力，而且需要頻繁的啟動(dòng)和換相，工作環(huán)境十分惡劣，因此要求調(diào)速系統(tǒng)具有防爆、防潮以及防塵等要求。
    采煤機(jī)牽引主要有液壓牽引和電牽引兩種方式。前者故障率高，維修費(fèi)用大；后者有運(yùn)行可靠，系統(tǒng)反應(yīng)快，效率高，可四象限運(yùn)行，維修簡(jiǎn)單方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛重視。SRM起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，機(jī)械特性較硬，適合頻繁起停，具有堅(jiān)固可靠，易于水冷等優(yōu)點(diǎn)，因此較其他電機(jī)更適合作為采煤機(jī)的牽引。
    位置傳感器的應(yīng)用不僅增加了系統(tǒng)成本和復(fù)雜程度，更重要的是降低了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性，影響運(yùn)行可靠性，尤其是在潮濕、振動(dòng)、多塵等環(huán)境較惡劣的場(chǎng)合。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種可行的無(wú)傳感器控制方案，如電壓脈沖注入法、磁鏈電流法、電感模型法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。在此采用了簡(jiǎn)化的磁鏈電流法，首先以高性能DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)字磁鏈積分器獲得估算磁鏈，然后與當(dāng)前換向位置磁鏈比較，確定是否到達(dá)換相位置。

2 雙SRM無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)
2．1 采煤機(jī)電牽引系統(tǒng)
    采煤機(jī)的任務(wù)是同時(shí)完成落煤、裝煤兩道工序。雙滾筒采煤機(jī)是目前應(yīng)用最廣的采煤機(jī)械，主要由截割部(包括截割電機(jī)、搖臂和截割滾筒)、牽引部和中間箱組成。左右截割部的電機(jī)動(dòng)力經(jīng)齒輪減速傳遞到搖臂進(jìn)而最終驅(qū)動(dòng)左右滾筒實(shí)現(xiàn)割煤，搖臂用于調(diào)整滾筒的截割高度；左右牽引部的作用是使采煤機(jī)沿工作面移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)割煤；中間箱主要包含采煤機(jī)的電氣控制部分。此處研究的兩臺(tái)SRM分別安裝在采煤機(jī)左右牽引部中，采用防爆水冷方式。
2．2 SRM無(wú)位置傳感器控制策略
2．2．1 SRM的磁鏈特性
    SRM的雙凸極結(jié)構(gòu)使得其通常工作在磁飽和狀態(tài)，因此難以建立可以求解的精確數(shù)學(xué)模型。SRM的磁鏈特性可以通過(guò)有限元分析或?qū)嶒?yàn)測(cè)量的方法獲得，其表現(xiàn)形式為電動(dòng)機(jī)磁鏈、相電流和轉(zhuǎn)子位置之間的曲線(xiàn)族。三相12／8極結(jié)構(gòu)的SRM，θ=0°對(duì)應(yīng)于定子凸極中心與轉(zhuǎn)子凹槽中心重合的位置，此處相電感最小；θ=25°對(duì)應(yīng)于定、轉(zhuǎn)子凸極中心完全對(duì)齊的位置，此處相電感最大。圖1a為磁鏈特性的二維曲線(xiàn)，圖1b為磁鏈特性的三維曲線(xiàn)。
   
    式中：T為離散積分磁鏈的計(jì)算周期；u(k)，i(k)，r(k)均為第k個(gè)離散周期內(nèi)繞組的電壓、電流和電阻值。

2．2．2 磁鏈-電流法
    電機(jī)運(yùn)行中無(wú)需每一時(shí)刻的轉(zhuǎn)子位置，僅需轉(zhuǎn)子的精確換相位置。簡(jiǎn)化磁鏈-電流法通過(guò)采樣的相電壓和相電流由式(3)估算出ψ，再與當(dāng)前相電流對(duì)應(yīng)的換相位置磁鏈比較，若前者大于后者就認(rèn)為換相位置己到，開(kāi)始換相；否則繼續(xù)導(dǎo)通。圖2為簡(jiǎn)化磁鏈-電流法的原理框圖。

    換相位置磁鏈一般通過(guò)最大電感處磁鏈ψm乘以系數(shù)K(0<K<1)得到，因此只需測(cè)出&psi;m關(guān)于電流的曲線(xiàn)，然后以二維表的形式存儲(chǔ)，無(wú)需其他位置的磁鏈曲線(xiàn)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：
    n=kconc△θ／△t    (4)
    式中：△θ為相鄰兩相的角度差；△t為兩相鄰換相時(shí)間間隔；kconc為角速度轉(zhuǎn)換速度的系數(shù)。
    轉(zhuǎn)子的位置可由速度估算得出。此方法所需內(nèi)存小，算法簡(jiǎn)單，結(jié)果較準(zhǔn)確。

3 雙SRM無(wú)傳感器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    雙SRM控制系統(tǒng)分為主、從兩個(gè)系統(tǒng)。每個(gè)系統(tǒng)擁有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路、功率變換器、電壓電流采樣電路、保護(hù)電路等。主、從機(jī)均采用磁鏈-電流模型獲取轉(zhuǎn)子位置角度，其中主機(jī)為轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，控制器實(shí)時(shí)對(duì)電壓、電流進(jìn)行采樣，將主機(jī)運(yùn)行電流作為從機(jī)給定輸入，形成電流閉環(huán)。圖3示出雙SRM無(wú)傳感器控制框圖。

    采煤機(jī)工作時(shí)因兩臺(tái)SRM是剛性連接，故轉(zhuǎn)速n相同，為了確保電機(jī)的輸出功率相同，僅需控制電機(jī)輸出相同轉(zhuǎn)矩。SRM的繞組電流平均值近似與電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩成線(xiàn)性關(guān)系，因此調(diào)節(jié)兩臺(tái)SRM繞組電流平衡就能使輸出功率平衡?？刂葡到y(tǒng)中從機(jī)給定輸入是主機(jī)運(yùn)行電流，因此，存在負(fù)載轉(zhuǎn)矩差異的情況下，兩臺(tái)SRM仍能保持相同轉(zhuǎn)矩輸出，實(shí)現(xiàn)功率平衡。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    以TMS320F2812型DSP為核心控制器，在某型電牽引采煤機(jī)上對(duì)兩臺(tái)SRM樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。樣機(jī)參數(shù)為：三相12／8結(jié)構(gòu)，額定功率18．5 kW，額定電壓514 V，額定轉(zhuǎn)速1 500 r&middot;min-1。主、從功率變換器均采用三相不對(duì)稱(chēng)半橋式結(jié)構(gòu)，有源前端采用兩電平可控整流結(jié)構(gòu)，輸入電壓為三相交流380 V，直流母線(xiàn)電壓給定為650 V。圖4a為電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子估計(jì)位置和實(shí)際位置比較波形。圖4b為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)主、從機(jī)的定子相電流波形。

    可見(jiàn)，通過(guò)磁鏈-電流法計(jì)算出的估計(jì)位置與實(shí)際位置的誤差很小，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行需求。在雙SRM的控制策略下，主、從機(jī)相電流基本相等，換相平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，恒轉(zhuǎn)矩特性較好。

5 結(jié)論
    建立了電機(jī)磁鏈特性曲線(xiàn)，通過(guò)磁鏈、相電流對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行了估算。提出了雙SRM無(wú)位置傳感器控制策略。以TMS320F2812型DSP為核心控制器，搭建了兩臺(tái)SRM控制樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩臺(tái)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，轉(zhuǎn)子位置估計(jì)精確，輸出功率基本平衡。在相同的負(fù)載情況下，雙SRM的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比單機(jī)系統(tǒng)小，運(yùn)行時(shí)消耗的電能也少。當(dāng)雙SRM中只有一臺(tái)損壞時(shí)，另一臺(tái)還能正常工作，采煤機(jī)的運(yùn)行可靠性更高。