馮高明， 徐 錚

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引 言

為了達(dá)到高精度的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制及磁場(chǎng)定向的目的,要在電動(dòng)機(jī)軸上安裝速度傳感器[4]。但煤礦井下環(huán)境惡劣，使得速度傳感器容易進(jìn)水、發(fā)生碰撞，從而降低系統(tǒng)的可靠性[1～3]。面對(duì)這諸多問題需要改善，國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者和科技人員展開了無速度傳感器的變頻調(diào)速系統(tǒng)研究，目前轉(zhuǎn)速觀測(cè)器的主要方案有：轉(zhuǎn)差頻率計(jì)算法、串聯(lián)雙模型轉(zhuǎn)速觀測(cè)器、基于狀態(tài)方程的直接綜合法、模型參考自適應(yīng)(model reference adaptive,MRAS)轉(zhuǎn)速觀測(cè)器、擴(kuò)展卡爾曼濾波速度觀測(cè)方法[5]。

本文旨在研究以變頻調(diào)速為控制策略的礦用電機(jī)車無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)。

1 無速度傳感器的實(shí)現(xiàn)方法

無速度傳感器矢量控制的核心技術(shù)是如何準(zhǔn)確地獲得電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)速[6]。而轉(zhuǎn)速的估算精度又直接受磁鏈估計(jì)器的影響，所以,要想獲得高精度的調(diào)速性能，必須經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)獲得電機(jī)本體準(zhǔn)確的參數(shù)，并用這些參數(shù)通過算法在程序中得以恰當(dāng)?shù)捏w現(xiàn)。本文的實(shí)驗(yàn)中，各物理量均已歸一化處理，無量綱。

1.1 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器

在轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器的設(shè)計(jì)過程中，輸入的是兩相靜止電壓和兩相靜止電流，經(jīng)此模塊，輸出轉(zhuǎn)子磁通和磁通角，來完成磁鏈觀測(cè)的作用[7]。從電機(jī)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，可以知道電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系上的電壓矩陣方程為

(1)

提取此矩陣的前兩行可以得到

usα=(Rs+Lsdp)isα+Lmdpisα

(2)

usβ=(Rs+Lsdp)isβ+Lmdpisβ

(3)

轉(zhuǎn)子磁鏈在兩相靜止坐標(biāo)系下的分量為

ψd=Lrdisα+Lmdisβ

(4)

ψq=Lrdisβ+Lmdisα

(5)

將式(2)、式(3)分別代入式(4)、式(5)并消去isα,isβ得

(6)

(7)

圖1 兩相靜止坐系下的磁鏈

1.2 速度觀測(cè)器

速度觀測(cè)器的研究是建立在磁鏈觀測(cè)器的基礎(chǔ)之上的，要想輸出估計(jì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，首先需要知道轉(zhuǎn)子磁通Ψd，Ψq,根據(jù)這兩個(gè)值可以計(jì)算出磁鏈的幅值及轉(zhuǎn)子磁通角θ分別為[8]

(8)

(9)

通過計(jì)算,得出估計(jì)的磁通角θ如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子磁通角

計(jì)算出了磁通角，那么轉(zhuǎn)子電角速度為

(10)

進(jìn)而得到

(11)

將此計(jì)算結(jié)果送入到轉(zhuǎn)速觀測(cè)器中去以完成下一環(huán)節(jié)的任務(wù)。

轉(zhuǎn)子磁鏈運(yùn)動(dòng)方程可概括為

(12)

(13)

式中τr為電機(jī)時(shí)間常數(shù)。

將式(12)、式(13)代入式(11)中，可以得到估計(jì)的轉(zhuǎn)速為

(14)

至此,無速度傳感器的基本架構(gòu)得以構(gòu)建出來,本節(jié)只是介紹無速度傳感器的基本原理,下面講述將無速度傳感器應(yīng)用到礦用電機(jī)車系統(tǒng)中的過程,在系統(tǒng)初步建立后,通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)的性能,以驗(yàn)證能否達(dá)到高精度調(diào)速的目的。

2 礦用電機(jī)車無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通常的變頻調(diào)速系統(tǒng)采用交—直—交方式，而本系統(tǒng)礦用電機(jī)車用蓄電池電源供電，所以采用直—交的方式[9]。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。取出三相電壓uA,uB,uC和三相電流iA,iB,iC。通過clark變換(3Φ/2Φ變換)求出靜止軸系中的兩相電壓usα,usβ及兩相電流isα,isβ。將它們送入磁鏈估計(jì)器，經(jīng)磁鏈估計(jì)器得到轉(zhuǎn)子磁通Ψd和Ψq并送入速度估計(jì)器中，最后得到估計(jì)的轉(zhuǎn)速反饋給PI調(diào)節(jié)器，形成了轉(zhuǎn)速閉環(huán)環(huán)節(jié)[10]。無速度傳感器的功能由此產(chǎn)生。

圖3 無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)整體框圖

2.1 硬件部分

對(duì)于任何速度推算器的推算精度和計(jì)算的快速性，要達(dá)到應(yīng)用水平均須采用高速微處理器才能實(shí)現(xiàn)[11]。本系統(tǒng)中所使用的控制芯片為TMS320F28335 DSP(該芯片是由TI公司所研發(fā)的)具有估算磁鏈位置，控制矢量等作用[12]。硬件電路包括主電路、控制電路、電流電壓檢測(cè)電路、電源電路和IPM驅(qū)動(dòng)電路。

實(shí)驗(yàn)針對(duì)一臺(tái)型號(hào)為YP—50—1.1—4的兩極異步電機(jī)進(jìn)行研究，該電機(jī)的額定功率、額定電壓、額定電流、額定頻率分別為1.1 kW，220 V，5.2 A，50 Hz，其額定轉(zhuǎn)速為1 400轉(zhuǎn)/min。定子電阻和轉(zhuǎn)子電阻分別為6.808，5.632 Ω，互感(勵(lì)磁電感)為541.8 mH，定子漏感和轉(zhuǎn)子漏感分別為22.69,30.07 mH。

2.2 軟件部分

無速度傳感器實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是軟件部分算法的設(shè)計(jì)。結(jié)合硬件部分，本系統(tǒng)開發(fā)了CCS工作環(huán)境，利用CCS 3.3編寫程序之后，依托硬件仿真器調(diào)試、仿真編寫軟件并編譯形成目標(biāo)代碼。最后向開發(fā)板TMS320F28335燒寫所開發(fā)的程序。DSP在這一過程中充當(dāng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，需要進(jìn)行中斷服務(wù)子程序、主程序等在內(nèi)的軟件設(shè)計(jì)，其中，主程序具有初始化變量、賦予各個(gè)軟件控制器初值、在整個(gè)運(yùn)行過程中將地址分配給各變量并設(shè)置初值的作用。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

針對(duì)實(shí)驗(yàn)室一臺(tái)感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，電機(jī)一側(cè)裝有光電編碼器，是為了測(cè)得電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，并與估計(jì)速度作比較，很容易得出無速度傳感器性能的優(yōu)劣，機(jī)組如圖4所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)得了電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和估計(jì)轉(zhuǎn)速的波形(圖5)，通過數(shù)據(jù)光標(biāo)描點(diǎn)可以顯示出波形曲線上某點(diǎn)的縱橫坐標(biāo)，對(duì)比可知，在0.2 s時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)速為0.461 5，估計(jì)轉(zhuǎn)速為0.457 8；在0.283 5 s時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)速為0.479 8，估計(jì)轉(zhuǎn)速為0.480 9；在0.422 5 s時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)速為0.491 5，估計(jì)轉(zhuǎn)速為0.491 2。通過這三組數(shù)據(jù)說明電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，速度估計(jì)器計(jì)算出來的結(jié)果誤差不超過0.80 %，由此可以得出無速度傳感器的設(shè)計(jì)達(dá)到比較高的精度。

圖4 實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)

圖5 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

圖6 兩相電流和兩相電壓

通過霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器測(cè)得的三相電壓和電流，經(jīng)過clark變換后，得到兩相電壓和兩相電流，由于此時(shí)仍是在靜止坐標(biāo)系下的電壓和電流，所以電流仍是交流電，如圖6(a)所示，兩相電壓的波形如圖6(b)所示。 至此，通過實(shí)驗(yàn)得到了無速度傳感器模塊比較理想的波形。礦用電機(jī)車在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，要想獲得更好的調(diào)速性能，通常采用閉環(huán)，本文用無速度傳感器獲得的速度作為速度環(huán)，與電流閉環(huán)構(gòu)成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。礦用電機(jī)車在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，常常要裝卸貨物，為此進(jìn)行了負(fù)載實(shí)驗(yàn)，通過CCS中View功能將變量SpeedRpm以波形圖的形式展示出來，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，給定電機(jī)的轉(zhuǎn)速為750 r/min，可以看出，電機(jī)很快達(dá)到了給定的轉(zhuǎn)速，跟隨迅速，超調(diào)量比較小。當(dāng)進(jìn)行到第5 s時(shí)，給電機(jī)加以8.3 N·m的負(fù)載，通過觀察得知，當(dāng)電機(jī)加以負(fù)載時(shí)其轉(zhuǎn)速波動(dòng)很小，基本保持不變，由此可以得出結(jié)論，本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的礦用電機(jī)車無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)在閉環(huán)時(shí)性能良好，能夠達(dá)到高精度調(diào)速的要求。

圖7 有負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速

4 結(jié)束語

礦用電機(jī)車在礦井下運(yùn)輸貨物，其工作環(huán)境比較惡劣，在這種情況下不適宜加裝光電編碼器或測(cè)速發(fā)電機(jī)，且容易損壞，成本較高。本文針對(duì)交流電機(jī)矢量控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的測(cè)速方法，將其改進(jìn)為礦用電機(jī)車無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明其控制性能良好，也為交流電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域提供了借鑒和理論參考。