，，

（1.成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都 610059；2.四川省電力公司，四川成都 610041；3.四川省電力科學(xué)研究院，四川成都 610072）

1 引言

異步電機頂驅(qū)裝置相比直流電機和液壓頂驅(qū)裝置［1-3］，因其結(jié)構(gòu)更加簡單、維護工作量小、體積小重量輕，已在海洋石油鉆機中得以廣泛運用。

目前異步電機頂驅(qū)裝置較多采用矢量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)存在電流環(huán)，通過電流環(huán)間接控制轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)較慢，鉆頭掘進過程中，經(jīng)常出現(xiàn)卡鉆、埋鉆等情況［1-3］，對轉(zhuǎn)矩控制不及時容易引起鉆桿斷裂，引起勘探效率下降，而直接轉(zhuǎn)矩控制強調(diào)對轉(zhuǎn)矩的直接控制，其轉(zhuǎn)矩響應(yīng)在2 ms左右，此外，直接轉(zhuǎn)矩控制算法較為簡單，對電機參數(shù)魯棒性也較好，雖然其在低速啟動時存在轉(zhuǎn)矩脈動問題，但并不影響鉆頭的掘進，此外通過各種調(diào)制算法的改進也能抑制轉(zhuǎn)矩脈動，因此直接轉(zhuǎn)矩控制極為適合轉(zhuǎn)矩驟變的掘進場合異步電機驅(qū)動。

本文設(shè)計了基于空間矢量調(diào)制和新型磁鏈觀測器的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，通過Matlab/Simulink全軟件仿真驗證其可行性，最后利用基于TMS320F28335和IGBT電力電子器件的數(shù)字化硬件實驗平臺，完成實際控制系統(tǒng)控制算法的調(diào)試，理論和實驗結(jié)果分析，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果吻合，表明本文所提方法的有效性。

2 直接轉(zhuǎn)矩控制策略的設(shè)計

日本學(xué)者Takahashi在文獻［4］完成了直接轉(zhuǎn)矩控制的基本實踐，它將定子磁鏈控制成圓形，在一個開關(guān)周期內(nèi)只輸出一個電壓矢量，使得定子磁鏈迅速加速或停止，因此轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)迅速，但在穩(wěn)態(tài)運行時，轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性不甚理想，開關(guān)頻率不固定，文獻［5-6］首先提出了空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制，在一個開關(guān)周期內(nèi)混合多個電壓矢量，他們的研究重點普遍放在了提高極低速下的滿載啟動性能、轉(zhuǎn)矩脈動限制、開關(guān)頻率的恒定運行等，其中具有代表意義的是異步電機間接自控制（ISC）［7］，它利用預(yù)測的思想，得出下一時刻滿足轉(zhuǎn)矩與磁鏈控制要求的參考電壓矢量，再利用空間矢量調(diào)制單元得到開關(guān)信號從而達到了閉環(huán)控制的目的，目前已在電動汽車上使用，考慮到頂驅(qū)異步電機和電動汽車容量相似，因此本文擬使用ISC作為頂驅(qū)異步電機的控制策略。

2.1 異步電機的ISC控制

異步電機ISC控制原理如圖1所示。

圖1 頂驅(qū)異步電機的ISC控制Fig.1 ISC control in induction motor for top drive drilling system

圖1中觀測器首先利用電流和電壓傳感器采集電流和直流側(cè)電壓，再結(jié)合當(dāng)前的開關(guān)狀態(tài)和轉(zhuǎn)速信息，計算當(dāng)前的定子磁鏈矢量，主要是獲得定子磁鏈幅值 ||Ψs及其在靜止αβ坐標軸上的磁鏈分量：Ψsα和Ψsβ，上述分量和采集的定子電流可以用下式計算轉(zhuǎn)矩Te：

對Te和 ||Ψs分別進行PI調(diào)節(jié)，以保持兩者與各自指令一致，轉(zhuǎn)矩PI將調(diào)節(jié)出轉(zhuǎn)矩動態(tài)增量Δθd，磁鏈PI將調(diào)節(jié)出磁鏈動態(tài)增量kΨ，那么最后可以得到在本控制周期ts結(jié)束時，希望定子磁鏈所在的位置θref為當(dāng)前磁通角θ加上穩(wěn)定運行掃過的角度Δθs以及Δθd，表達如下：

穩(wěn)定運行掃過的角度Δθs可用下式表達：

式中：ωs為轉(zhuǎn)差角速度；ωr為機械角速度；np為極對數(shù)；Δθs為穩(wěn)態(tài)電角速度采樣周期ts內(nèi)走過的角度。

ωs可用下式代替：

ωs的表達式涉及到轉(zhuǎn)子電阻Rr，但不必擔(dān)心由于轉(zhuǎn)子溫升導(dǎo)致的參數(shù)誤差，這是因為式（2）中假如由于Rr設(shè)置過小，那么Δθs就會減小，導(dǎo)致θref減小，因此下一時刻的轉(zhuǎn)矩就會減小，但是很快會由轉(zhuǎn)矩PI環(huán)自動對Δθd進行增益，以彌補不足。

對于定子磁鏈的閉環(huán)控制，設(shè)當(dāng)前量為 ||Ψs，因此希望在本控制周期結(jié)束時，定子磁鏈幅值為，最后可以確定預(yù)測的Ψsref：

那么在ts內(nèi)定子磁鏈的增量為

顯然ΔΨs既包括了磁鏈角度的增量又包括了磁鏈幅值的增量，因為ts很小，根據(jù)下式可得參考電壓矢量

將u*s進行空間矢量調(diào)制或者載波PWM調(diào)制就能完成對異步電機的控制。

2.2 定子磁鏈觀測

在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中電壓電流模型是最簡單的磁鏈估算方法如下式：

但是由于該方法中使用了定子繞組反電動勢積分環(huán)節(jié)，很有可能在積分初始值不為零的情況下，造成直流偏置或者飽和［8］。此外，這種開環(huán)觀測器對定子電阻敏感［9］，因此估計精度較差。

另一種被稱為電流轉(zhuǎn)速觀測器被用于定子磁鏈觀測［9］，如下式：

相比電壓電流模型，電流轉(zhuǎn)速模型不包含定子電阻，在低速時可以避免定子電阻壓降的影響，去掉了積分的不良影響，因此低速效果要好于電壓電流模型，但它卻異常復(fù)雜，并引入了轉(zhuǎn)子電阻，電感，漏電感等更多的參數(shù)，大大降低了直接轉(zhuǎn)矩控制的魯棒性。

為此本文將兩種模型結(jié)合起來，借用模型參考自適應(yīng)的思想，利用異步電機的實際電流is作為參考本體，而將式（9）逆向使用，即將原本的定子電流is和轉(zhuǎn)速ωr輸入，計算得到定子磁鏈矢量，改為電壓電流模型計算的定子磁鏈矢量和轉(zhuǎn)速ωr作為輸入，得到估算的定子電流?作為輸出，is和?的誤差進行 PI調(diào)節(jié)，不斷去修正電壓電流模型計算的?一致時，可以認為即為真實的定子磁鏈，本文的定子磁鏈觀測器如圖2所示。

圖2 定子磁鏈觀測器Fig.2 Stator flux observer

2.3 ISC控制的仿真驗證

在圖1所示異步電機ISC控制的原理基礎(chǔ)上搭建了基于Matlab/Simulink的軟件仿真框圖，仿真選用圖3所示的異步電機參數(shù)。

圖3 電機的仿真參數(shù)Fig.3 Simulation parameters of induction motor

在基于Matlab/Simulink的軟件仿真時，本文并未采用Power Gui自帶的異步電機模塊，而是自行編寫了基于定子αβ兩相靜止坐標系，以定子電流和定子磁鏈為狀態(tài)變量的異步電機模型，如下式：

其中

式中：is為定子電流矢量，is=C[isΨs]；Ψ為定子磁鏈矢量，Ψs=[ΨsαΨsβ]T；us為定子電壓矢量，us=[usαusβ]T。

自行編寫的異步電機仿真模型，由于只考慮了異步電機的基本電磁和運動關(guān)系，所以仿真速度較快，由于本文只從異步電機的運動控制考慮，對于由模型簡化所造成的失真度，本文不做考慮。

2.4 軟件仿真結(jié)果

圖4～圖6是利用本文自行搭建的異步電機ISC控制仿真模型所得到的部分波形，實驗設(shè)置為初始轉(zhuǎn)速給定8 r/min，后期階躍為16 r/min，考察其定子磁鏈、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和定子電流的性能。

圖4 定子磁鏈軌跡Fig.4 Stator flux trace

圖5 定子電流與轉(zhuǎn)速Fig.5 Stator current and rotor speed

圖6 轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速Fig.6 Torque and rotor speed

從仿真結(jié)果分析，采用本文所提出的定子磁鏈觀測器可以使得定子磁鏈圓保持了較好的圓度，幾乎沒有畸變，因而定子電流也能保持較好的正弦性能，使得系統(tǒng)THD值盡量減小，圖5中0.2～0.3 s以及1～1.3 s發(fā)生了電流激增，這是因為此時電機處于滿力矩輸出加速狀態(tài)，并非電流畸變，它在其它時刻的電流正弦性能表現(xiàn)良好，由于新型直接轉(zhuǎn)矩控制策略和SVPWM調(diào)制策略的使用，轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)態(tài)脈動較小，且轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)速度也較快。

3 實驗驗證

以圖1所示控制框圖為基礎(chǔ)，設(shè)計了本文的硬件實驗系統(tǒng)，實驗過程為：異步電機拖動直流發(fā)電機電機帶電阻負載，異步電機首先由靜止啟動加速至7.5 r/min，利用控制器的DA電路觀測定子磁鏈軌跡、轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速、觀測器的電流與實際電流。

實驗電機選用圖3所示的電機參數(shù)，其轉(zhuǎn)矩限幅輸出為10 N·m，對應(yīng)限幅電流12 A，逆變器選用IGBT全控器件，開關(guān)容量為1 200 V/50 A，開關(guān)頻率1 000 Hz，中間直流環(huán)節(jié)為600 V，為了滿足控制器實時性與快速性的設(shè)計要求，數(shù)字化硬件實驗平臺采用目前TI公司最新的電機控制專用2000系列DSP中的TMS320F28335作為主控芯片，使得控制器的實際控制周期可以控制在100 μs，關(guān)于 TMS320F28335及其在電機運動控制的設(shè)計實例，已經(jīng)有很多文獻介紹，本文不再詳述。

圖7中，控制器計算的定子磁鏈軌跡圓度較好，達到了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)將定子磁鏈控制成圓形的目的。圖8中，定子磁鏈觀測器的估算定子電流與實時仿真器的定子電流非常吻合，誤差很小，達到了定子磁鏈閉環(huán)觀測器自我矯正的目的。圖9中，實時仿真電機由靜止開始啟動，當(dāng)轉(zhuǎn)速達到給定的7.5 r/min時，轉(zhuǎn)矩輸出等于負載，而在速度達到給定之前，轉(zhuǎn)矩按最大限幅輸出，轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)迅速，穩(wěn)態(tài)脈動較小。

定子相電壓由于實時仿真系統(tǒng)的輸出限制，無法直接顯示，但其它波形與軟件仿真波形較為吻合，說明本文設(shè)計的異步電機ISC控制及其定子磁鏈觀測器都能很好的運行，而實時仿真系統(tǒng)也能保證較高的仿真可信度。

圖7 定子磁鏈軌跡實驗波形Fig.7 The experiment waveform of stator flux trace

圖8 控制器估算電流與仿真器輸出電流Fig.8 Estimated current of controller and output current of real-time simulator

圖9 轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的實驗波形Fig.9 The experiment waveforms of torque and rotor speed

4 結(jié)論

本文以頂驅(qū)異步電機為研究對象，將ISC控制引入鉆井電機控制，這樣可以提高系統(tǒng)的參數(shù)魯棒性、減小轉(zhuǎn)矩脈動，提出一種基于MARS理論的定子磁鏈觀測器，它以實際定子電流為參考，利用可調(diào)模型輸出的定子電流與之構(gòu)成閉環(huán)反饋，修正可調(diào)模型的定子磁鏈，提高定子磁鏈的觀測準確性，為了驗證本文所提出一系列方法的可行性，搭建了基于Matlab/Simulink的軟件仿真系統(tǒng)以及基于DSP的數(shù)字化控制器，開發(fā)了一套數(shù)字化硬件實驗系統(tǒng)，最后利用仿真與實驗系統(tǒng)，對上述理論進行了仿真和實驗驗證，仿真與實驗結(jié)果一致，驗證了本文所提出一系列方法及措施的正確性。

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