何俊強(qiáng)，張 宇

(太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

大型礦用挖掘機(jī)調(diào)速系統(tǒng)從最初的發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)到90 年代的可控硅控制系統(tǒng)，再到如今的變頻電控系統(tǒng)，其發(fā)展歷程代表了電氣調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展方向。如今，WK 系列礦用挖掘機(jī)性能卓越，達(dá)到了國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，生產(chǎn)能力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力。其核心變頻系統(tǒng)更是代表了當(dāng)今礦用挖掘機(jī)的最高水平。變頻調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于電鏟這一特殊行業(yè)。

1 傳動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)辨識(shí)分析

WK 系列挖掘機(jī)采用西門子或ABB 變頻傳動(dòng)系統(tǒng)。變頻傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能卓越。變頻調(diào)速系統(tǒng)從理論形成到成熟的產(chǎn)品不過短短的30 年時(shí)間。如今，變頻調(diào)速已應(yīng)用于各行各業(yè)，大有取代直流調(diào)速的趨勢。作為變頻系統(tǒng)的核心，矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制方案都非常依賴于電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。因此，為了實(shí)現(xiàn)高性能控制效果，必須要很好的完成電機(jī)辨識(shí)這一關(guān)鍵的一步。

電機(jī)辨識(shí)即通過計(jì)算電機(jī)銘牌參數(shù)，并通過變頻裝置對電機(jī)通以特定的電壓、電流得到電機(jī)數(shù)學(xué)模型所需要的各參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高性能控制。無論是基于矢量控制理論的西門子變頻系統(tǒng)，還是基于直接轉(zhuǎn)矩控制理論的ABB 變頻系統(tǒng)，其性能完全依賴于其中所使用到電機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確程度。如果電機(jī)參數(shù)不準(zhǔn)確，將直接導(dǎo)致性能指標(biāo)下降甚至導(dǎo)致變頻器故障。因此，電機(jī)辨識(shí)的作用是在電機(jī)正常運(yùn)行前，得到電機(jī)的等效電路參數(shù)［1］。

1.1 矢量控制電機(jī)辨識(shí)分析

矢量控制的基本思路是利用坐標(biāo)變換的方法，將交流電動(dòng)機(jī)的控制特性等效為一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，從而可用直流電動(dòng)機(jī)的控制方法去控制交流電動(dòng)機(jī)，得到與直流電動(dòng)機(jī)相似的性能指標(biāo)。對于矢量控制技術(shù)，在旋轉(zhuǎn)dq 坐標(biāo)系下其異步電機(jī)的等效電路圖如圖1［2，3］。

圖1 dq 坐標(biāo)系下異步電機(jī)的等效電路圖

電機(jī)的磁鏈轉(zhuǎn)矩公式如下:

其中:P 為電機(jī)極對數(shù);ψqm，ψdm分別為d，q 軸磁鏈;ids，iqs為dq 軸電流;idr，iqr分別為dq 軸轉(zhuǎn)子電流;Lm定子電感。

我們不難從上述公式中得出結(jié)論，磁鏈公式是在dq 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下得到，并且轉(zhuǎn)矩與磁鏈相差90°的電角度，實(shí)現(xiàn)了自然解耦，因此可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高精度控制。我們可以從上述公式中得出結(jié)論，想要實(shí)現(xiàn)高性能控制，其dp 軸磁鏈電感一系列等參數(shù)必須精確。因此，電機(jī)辨識(shí)至關(guān)重要。

根據(jù)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型，知道了電機(jī)的精確參數(shù)，便可實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，電機(jī)辨識(shí)即為了完成此項(xiàng)目標(biāo)?？刂破鞯玫诫姍C(jī)的銘牌參數(shù)后，電機(jī)在變流器通電的狀態(tài)下根據(jù)測量的電壓，電流，轉(zhuǎn)速等參數(shù)，通過電測量計(jì)算出電機(jī)的漏感，轉(zhuǎn)子電阻等，便可得到電機(jī)磁鏈曲線等。知道了磁鏈及轉(zhuǎn)矩，并且磁鏈及轉(zhuǎn)矩相差90°的電角度，相互獨(dú)立，便可對電機(jī)進(jìn)行高性能控制。電機(jī)辨識(shí)還有一項(xiàng)額外的功能，自動(dòng)調(diào)節(jié)整定動(dòng)態(tài)比例積分值，免去調(diào)試人員繁瑣的調(diào)節(jié)時(shí)間［4］。

1.2 直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)電機(jī)辨識(shí)分析

對于ABB 引領(lǐng)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。其基本思想是，通過借助空間矢量理論對電機(jī)的磁鏈轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制。對基于定子磁鏈定向的直接轉(zhuǎn)矩控制公式如下:

從公式中我們可以得出結(jié)論，雖然控制的核心思路存在區(qū)別，但是仍然需要磁鏈觀測器，磁鏈調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)矩觀測器及轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器等。這些數(shù)學(xué)模型的建立都是基于得到了電機(jī)的等效電路參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2 為西門子矢量變頻系統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)際調(diào)試辨識(shí)后，利用主令給定得到的速度曲線。其中，紅色曲線為實(shí)際給定值，黑色曲線為速度設(shè)定值。

我們可以清晰的看出，剛開始斜坡函數(shù)給定，兩曲線能夠很好的擬合。然后，是反向的階躍給定。仍然能夠很好的跟蹤給定，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間非常短，并且沒有超調(diào)。正反向多次都能夠得到很好的跟蹤曲線。我們可以得出結(jié)論，無論是斜坡給定還是階躍給定，都實(shí)現(xiàn)了很好的跟蹤效果，因此，控制器很精確地得到了異步電機(jī)各參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了很好的調(diào)速性能。

圖2 電機(jī)給定速度與實(shí)際速度比較

3 結(jié)論

本文重點(diǎn)論述了變頻調(diào)速系統(tǒng)中電機(jī)辨識(shí)的原因及過程。首先，通過對電機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論分析闡述了電機(jī)辨識(shí)的目的。然后對現(xiàn)場實(shí)際調(diào)試結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，電機(jī)辨識(shí)的好壞對變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能發(fā)揮至關(guān)重要。

［1］劉錦波，張承慧.電機(jī)與拖動(dòng)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2001.

［2］胡守松.自動(dòng)控制原理［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2001.

［3］黃俊，王兆安.電力電子變流技術(shù)［M］.第3 版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

［4］宋書中.交流調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.