周德華

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

目前異步電動機在煤礦井下梭車，純蓄電池支架搬運車等煤礦運輸裝備已得到了廣泛的應(yīng)用，為此對異步電動機的調(diào)速特性也提出了更高的要求，全數(shù)字化實現(xiàn)是交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。有速度傳感器矢量控制系統(tǒng)一般具有以下問題：

1) 調(diào)速系統(tǒng)成本大大增加。

2) 異步電動機簡單可靠的優(yōu)點被破壞，系統(tǒng)的機械魯棒性降低，同時電動機軸向尺寸增加，也增加了電動機的維護難度。

3) 速度傳感器的安裝存在同心度問題，安裝位置不恰當(dāng)將會影響檢測精度。

4) 速度傳感器測量精度易受環(huán)境條件的影響，在高溫、高濕等惡劣環(huán)境下無法正常工作。

通過分析認(rèn)為，為了減少電動機控制系統(tǒng)成本，增加系統(tǒng)可靠性，對無速度傳感器技術(shù)進行了研究，并搭建了交-直-交兩電平雙PWM四象限電動機實驗平臺，在該平臺上實現(xiàn)繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子變頻無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)，實驗結(jié)果驗證了理論分析的可行性。

1 實驗平臺系統(tǒng)設(shè)計

矢量控制系統(tǒng)的原理主要是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的。而無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)是利用檢測的電動機電壓、電流信號進行轉(zhuǎn)速辨識，并將辨識的轉(zhuǎn)速反饋給控制系統(tǒng)。典型的異步電動機無速度傳感器矢量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該實驗平臺主要包括控制回路、主回路、電動機等器件構(gòu)成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 異步電動機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 控制回路

數(shù)字處理器是交流調(diào)速系統(tǒng)全數(shù)字化實現(xiàn)的核心，本系統(tǒng)控制芯片選用TI公司TMS320F2812，它是一款電動機控制專用芯片，32位定點處理、150MIPS的處理速度、豐富的外圍電路，可以滿足高性能的電動機控制。選擇一片CPLD作為輔助處理器，用于保護和選線控制。反饋信號的精度對控制系統(tǒng)精度影響較大，為了提高模擬量檢測精度，外擴2片16位雙極性的AD7656采樣芯片，提高了控制精度。為了增加調(diào)試的方便性，外擴一塊16位的四通道DAC7744E轉(zhuǎn)換芯片，系統(tǒng)調(diào)試過程中可將轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等內(nèi)部變量經(jīng)DA輸出，為調(diào)試提供了極大的方便性[1]。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.2 功率器件選型

實驗用電動機參數(shù)為：額定功率2.2 kW、定子額定電壓380 V、定子額定電流5 A、額定頻率50 Hz、額定轉(zhuǎn)矩15 N·m、額定轉(zhuǎn)速1 420 r/min。針對上述實驗用電動機，設(shè)計交-直-交兩電平PWM變頻器。通過計算實驗平臺中的IGBT模塊選擇EUPEC公司的BSM50GB120DLC模塊。濾波電容采用4個3 900 μF的電容串聯(lián)，均壓電阻選擇為33 kΩ、15 W的水泥電阻。

2 系統(tǒng)實驗

圖3所示為本系統(tǒng)中所搭建的交-直-交兩電平PWM變頻器的硬件實驗平臺。為方便后續(xù)雙PWM四象限變頻器的研究，本實驗平臺同時搭建了PWM整流電路，可實現(xiàn)二極管不控整流和PWM整流的切換。在圖3所示的硬件平臺上進行繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子變頻無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的實驗，實驗過程中，觀察電動機在轉(zhuǎn)速階躍給定條件下的響應(yīng)曲線，轉(zhuǎn)速給定值為0.8pu。由于實驗條件的限制，電動機處于空載狀態(tài)。

圖3 實驗裝置實物

2.1 輸出電壓重構(gòu)

實驗中，改進電壓型定子磁鏈觀測器中需用到逆變器的輸出電壓。而電壓源型PWM逆變器的輸出電壓是一系列脈沖波形，其線電壓如圖3上半部分所示。此時，必須增加低通濾波器或采用過采樣技術(shù)來完成對輸出電壓的檢測，從而增加了系統(tǒng)成本。在一般應(yīng)用場合，可對電壓源型逆變器輸出電壓進行電壓重構(gòu)。

忽略死區(qū)效應(yīng)對輸出電壓的影響時，可認(rèn)定輸出電壓可以很好地跟隨指令電壓值，重構(gòu)的輸出電壓即可用輸出指令電壓代替。輸出指令電壓的計算通過系統(tǒng)內(nèi)部PWM占空比乘以實時測量的直流母線電壓值得到。這種輸出電壓重構(gòu)的方法不需要增加系統(tǒng)的硬件，僅通過軟件實現(xiàn)，算法簡單，較適用于低成本的無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)。本文采用了這種電壓重構(gòu)方法，重構(gòu)線電壓波形如圖4下半部分所示[2]。

實驗過程中，通過DA將重構(gòu)的輸出電壓輸出，波形見圖5。

圖4 輸出電壓真實值和重構(gòu)值波形

(a) 啟動過程

(b) 穩(wěn)態(tài)過程

由實驗波形看出，重構(gòu)的輸出電壓波形呈現(xiàn)較好的正弦化(正弦性)，可以解決逆變器輸出電壓測量的困難。

2.2 定子磁鏈觀測器

實驗中，采用電流型及改進電壓型定子磁鏈觀測器分別對定子磁鏈進行了估計，實驗波形如圖6所示。

(a) 全過程磁鏈幅值

(b) 啟動過程中電流模型磁鏈幅值及磁鏈角

(c) 電流模型中Ψsα,Ψsβ

(d) 改進電壓模型Ψsα,Ψsβ

(e) 電流模型及改進電壓模型中Ψsα

(f) 電流模型及改進電壓模型中Ψsβ

從實驗波形可以看出：

1) 由圖6(a)、(b)中可知：電動機啟動過程中定子磁鏈響應(yīng)速度較快，且兩種模型的定子磁鏈幅值均基本保持恒定。

2) 由圖6(c)、(d)中可知：電流模型中的定子磁鏈Ψsα,Ψsβ幅值相同，相角相差90°，正弦度較好；同樣，改進電壓模型中的定子磁鏈Ψsα,Ψsβ幅值相同，相角相差90°，正弦度較好；兩種定子磁鏈模型的觀測效果均較好，可滿足電動機調(diào)速要求。

3) 由圖6(e)、(f)中可知：電流模型中的Ψsα與改進電壓模型中的Ψsα重合，電流模型中的Ψsβ與改進電壓模型中的Ψsβ重合，為后續(xù)基于MRAS的轉(zhuǎn)速辨識提供了保障。

2.3 無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)

利用上述電流模型及改進電壓模型觀測的定子磁鏈，本文采用基于MRAS的轉(zhuǎn)速辨識方法對轉(zhuǎn)速進行辨識。

實驗時，轉(zhuǎn)速給定初始值為0.4 pu，穩(wěn)定運行后，階躍升至0.8 pu；因?qū)嶒灄l件有限，電動機處于空載狀態(tài)。實驗波形如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

由圖7可知，當(dāng)系統(tǒng)采用辨識的轉(zhuǎn)速進行變頻調(diào)速時，電動機平穩(wěn)加速至給定轉(zhuǎn)速；當(dāng)給定轉(zhuǎn)速突加時，電動機快速加速至新的給定轉(zhuǎn)速，并伴有微小超調(diào)，最終穩(wěn)定運行在新的給定轉(zhuǎn)速；同時辨識轉(zhuǎn)速和編碼器所測轉(zhuǎn)速基本重合，驗證了基于MRAS的轉(zhuǎn)速辨識方法的可行性[3]。

為進一步驗證異步電動機轉(zhuǎn)子變頻無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的調(diào)速性能，實驗中對轉(zhuǎn)子電流進行了觀察。

從圖8可以看出，系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦，且保證了電流內(nèi)環(huán)的快速性；同時，轉(zhuǎn)子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的實際值均較好地跟蹤了系統(tǒng)的給定值，穩(wěn)態(tài)誤差小，從而驗證了電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計的有效性[5]。

從圖9可以看出，電動機啟動過程中轉(zhuǎn)子電流并沒有保持以最大電流啟動，其幅值逐漸減小。由于電動機處于空載運行狀態(tài)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量較小，電動機加速過快導(dǎo)致了實驗波形和理論分析間的差異。此外，電動機穩(wěn)定運行時，轉(zhuǎn)子電流α，β分量幅值相同，相角相差90°，正弦度較好，由此進一步驗證了異步電動機轉(zhuǎn)子變頻無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的調(diào)速性能[5]。

(a) 轉(zhuǎn)子電流勵磁分量

(b) 轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)矩分量

(a) 啟動過程

(b) 穩(wěn)態(tài)過程

2 結(jié)論

通過理論分析和實驗結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

1) 硬件平臺實驗結(jié)果驗證了理論分析的可行性，大量的實驗波形驗證了異步電動機轉(zhuǎn)子變頻無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的可行性。

2) 由于實驗條件有限，電動機沒有在全速段運行，且電動機并沒有在額定負(fù)載工況下運行。在后續(xù)研究中，需要完善實驗平臺，保證電動機在額定負(fù)載工況下全速段運行。