盧如意，鄭昌陸，耿宇翔

（1.中煤集團(tuán)大屯煤電公司機(jī)電部，江蘇 徐州 221611；2.上海申傳電氣股份有限公司，上海 200072；3.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072）

0 引言

蓄電池電機(jī)車是全國(guó)各煤礦主要使用的運(yùn)輸設(shè)備，目前，全國(guó)煤礦使用的驅(qū)動(dòng)裝置主要采用直流電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)存在電刷損害率高、維護(hù)成本高、安全性能低等缺點(diǎn)[1]，已經(jīng)成為制約煤礦現(xiàn)代化技術(shù)升級(jí)的重要因素。而交流電動(dòng)機(jī)可以很好的避免這些現(xiàn)象。

永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）較異步電動(dòng)機(jī)具有響應(yīng)速度快、效率高、功率密度大等優(yōu)勢(shì)，在煤礦上低電壓應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)就更加明顯了。相比直流電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)，具有的優(yōu)點(diǎn)有： 維護(hù)費(fèi)用將大幅度降低，節(jié)約大量的人力和財(cái)力；更加節(jié)能，永磁同步電動(dòng)機(jī)以高效節(jié)能著稱，可以實(shí)現(xiàn)電氣制動(dòng)功能，安全性能也得以大幅度提高。傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)制動(dòng)依靠機(jī)械閘摩擦力使機(jī)車減速，存在安全隱患，采用永磁同步電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)電氣制動(dòng)功能，在節(jié)能的同時(shí)增強(qiáng)了安全性。因此，永磁同步電動(dòng)機(jī)在礦用蓄電池電機(jī)車上的應(yīng)用具有更廣闊的發(fā)展前景。研究矢量控制永磁同步電動(dòng)機(jī)具有非常重要的意義。

1 永磁同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電機(jī)車上的控制原理

近二十多年來(lái)，隨著電動(dòng)機(jī)的矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等技術(shù)的問(wèn)世和計(jì)算機(jī)人工智能技術(shù)的進(jìn)步，電動(dòng)機(jī)控制理論和控制技術(shù)上升到一個(gè)新的高度。目前，永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要以矢量控制為主。

永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制技術(shù)的核心思想是將永磁同步電動(dòng)機(jī)放在一個(gè)同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系下，從永磁同步電動(dòng)機(jī)中獲得了直流電動(dòng)機(jī)的控制規(guī)律，這樣勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量就是相互獨(dú)立的，因此永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制方式得到了簡(jiǎn)化。

式（1）為永磁同步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩公式，從式（1）中能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈ψr、定子繞組的直軸電感和交軸電感Ld，Lq確定以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩就與id和iq相關(guān)。而電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩與一定的id*和iq*相對(duì)應(yīng)，所以，當(dāng)控制id*和iq*時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的控制。通過(guò)PI 控制使id和iq跟隨指令值id*和iq*，可以快速精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制。

由于實(shí)際饋入電樞繞組的電流是三相交流電流iA、iB、iC，因此三相電流的指令值必須由下面的變化從id*和iq*得到：

2 永磁同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電機(jī)車上的控制策略分析

矢量控制中電流的控制是很重要的，而電流的控制策略有很多種，電流的控制策略和轉(zhuǎn)子的幾何結(jié)構(gòu)影響著PMSM 的性能和驅(qū)動(dòng)器的容量[2]。PMSM 的電流控制方式主要有以下幾種： id=0 控制、cosφ=1 控制、轉(zhuǎn)矩電流比最大控制、恒磁鏈控制等。

本系統(tǒng)根據(jù)煤礦電機(jī)車的應(yīng)用特點(diǎn)，采用了轉(zhuǎn)矩電流比最大控制方式。與其他電流控制策略相比，該控制策略是滿足永磁同步電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩一定的情況下，通過(guò)減小PMSM 的銅損耗，最大幅度的降低定子的電流。因此，相對(duì)來(lái)說(shuō)，就可以減小驅(qū)動(dòng)器的容量，達(dá)到降低成本的效果。在基頻以上運(yùn)行時(shí)，需要通過(guò)弱磁控制達(dá)到改善PMSM 高速運(yùn)行的性能的目標(biāo)。當(dāng)然，轉(zhuǎn)矩電流比最大控制模式的缺陷是隨著轉(zhuǎn)矩輸出的變大功率因數(shù)下降較多。但是針對(duì)煤礦電機(jī)車的應(yīng)用實(shí)際，以及直流電機(jī)、異步電機(jī)來(lái)說(shuō)，永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前兩者的。

圖1 PMSM 矢量控制策略框圖Fig.1 PMSM vector control strategy frame

圖1 為PMSM 矢量控制的原理圖。PMSM 定子電流是三相交流電流ia、ib和ic，要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制，就需要轉(zhuǎn)換成dq 坐標(biāo)軸系下的反饋電流值id和iq為：

PMSM 矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的控制過(guò)程由以下幾個(gè)步驟組成：

（1）經(jīng)過(guò)位置和速度檢測(cè)傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子的角度θ，就可以得到相對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)子角速度ωr。

（2）通過(guò)霍爾傳感器檢測(cè)流入PMSM 電樞電流ia和ib，經(jīng)過(guò)空間坐標(biāo)變換后得到反饋值id和iq。

（3）將反饋得到的實(shí)際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速指令值進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)PI 控制器得到q 軸電流指令值。

（4）通過(guò)控制d 軸電流的指令值，把dq 軸電流的指令值與反饋值進(jìn)行對(duì)比，然后通過(guò)PI 控制器，得到dq坐標(biāo)系下的ud和uq值，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后，得到靜止坐標(biāo)系的uα和uβ值。

（5）利用矢量合成法則，由uα和uβ的空間矢量合成得到確定的扇區(qū)，總共有6 個(gè)扇區(qū)。相鄰電壓矢量和零矢量依次導(dǎo)通時(shí)間可以由公式計(jì)算得到。然后，得到的計(jì)算值通過(guò)設(shè)置數(shù)字信號(hào)處理器的三個(gè)全比較單元的比較寄存器值[3]，產(chǎn)生PMSM 驅(qū)動(dòng)器的脈沖波形。

3 永磁同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Matlab 仿真研究

蓄電池電機(jī)車調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有三個(gè)方面：加速，穩(wěn)速，減速。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬的多的穩(wěn)態(tài)特性，能夠大幅提高調(diào)速范圍和精度。

圖2 的模型是根據(jù)矢量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)建立的。該模型利用坐標(biāo)變換原理將PMSM 的電樞電流ia、ib、ic分解成dq 坐標(biāo)系上的兩個(gè)分量id和iq。這樣就可以得到交流電動(dòng)機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦，可以像調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速那樣調(diào)節(jié)PMSM 的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩[4]。

恒負(fù)載起動(dòng)： 速度給定為300rpm，負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定值TL=11.9N·m。轉(zhuǎn)矩限幅值為30N·m，速度PI 調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp=50，積分系數(shù)Ki=20。

轉(zhuǎn)速突變時(shí)： 速度給定為300rpm，t=0.5s 時(shí)，速度給定150rpm，負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定值TL=11.9N·m，轉(zhuǎn)矩限幅為30N·m。

從圖3 中可以看出，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速上升平滑，且能很好的跟隨設(shè)定的速度，在調(diào)速過(guò)程中穩(wěn)態(tài)時(shí)精度高，定子三相電流經(jīng)過(guò)很短的時(shí)間調(diào)整為正弦波。從圖4 中可以看出，0.5s 負(fù)載突變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速依然保持閉環(huán)，很穩(wěn)定，且轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)很快。

圖2 PMSM 矢量控制Matlab 仿真系統(tǒng)圖Fig.2 PMSM vector control Matlab simulation system

圖3 恒負(fù)載起動(dòng)時(shí)的仿真圖Fig.3 Simulation diagram when starting with constant load

圖4 轉(zhuǎn)速突變時(shí)的仿真圖Fig.4 Simulation diagram when speed change suddenly

4 結(jié)論

本文提出了一種新的蓄電池電機(jī)車調(diào)速系統(tǒng)方案，即采用矢量控制型永磁同步調(diào)速系統(tǒng)。方案旨在提高蓄電池電機(jī)車的調(diào)速性能。文中對(duì)矢量控制進(jìn)行了分析，并根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制策略，并進(jìn)行了Matlab 仿真，結(jié)果證明了矢量控制算法在永磁同步電機(jī)式蓄電池電機(jī)車上的應(yīng)用是可行的。

[1] 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2] 鄭寶周. 永磁同步電動(dòng)機(jī)無(wú)傳感器矢量控制技術(shù)研究[D].鄭州大學(xué)，2006.

[3] 王磊.全數(shù)字永磁交流伺服研究[D].鄭州輕工業(yè)學(xué)院，2007.

[4]王沫然. Simulink 4 建模及動(dòng)態(tài)仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.