周德華

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

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

1) 調(diào)速系統(tǒng)成本大大增加。

2) 異步電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)被破壞，系統(tǒng)的機(jī)械魯棒性降低，同時(shí)電動(dòng)機(jī)軸向尺寸增加，也增加了電動(dòng)機(jī)的維護(hù)難度。

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

4) 速度傳感器測(cè)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(wú)法正常工作。

通過(guò)分析認(rèn)為，為了減少電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)成本，增加系統(tǒng)可靠性，對(duì)無(wú)速度傳感器技術(shù)進(jìn)行了研究，并搭建了交-直-交兩電平雙PWM四象限電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子變頻無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

矢量控制系統(tǒng)的原理主要是通過(guò)測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。而無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)是利用檢測(cè)的電動(dòng)機(jī)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)速辨識(shí)，并將辨識(shí)的轉(zhuǎn)速反饋給控制系統(tǒng)。典型的異步電動(dòng)機(jī)無(wú)速度傳感器矢量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括控制回路、主回路、電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)無(wú)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(shí)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(dòng)機(jī)控制專用芯片，32位定點(diǎn)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(dòng)機(jī)控制。選擇一片CPLD作為輔助處理器，用于保護(hù)和選線控制。反饋信號(hào)的精度對(duì)控制系統(tǒng)精度影響較大，為了提高模擬量檢測(cè)精度，外擴(kuò)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(kuò)一塊16位的四通道DAC7744E轉(zhuǎn)換芯片，系統(tǒng)調(diào)試過(guò)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(shí)驗(yàn)用電動(dòng)機(jī)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(duì)上述實(shí)驗(yàn)用電動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)交-直-交兩電平PWM變頻器。通過(guò)計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的IGBT模塊選擇EUPEC公司的BSM50GB120DLC模塊。濾波電容采用4個(gè)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(shí)驗(yàn)

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(shí)驗(yàn)平臺(tái)。為方便后續(xù)雙PWM四象限變頻器的研究，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)同時(shí)搭建了PWM整流電路，可實(shí)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(tái)上進(jìn)行繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子變頻無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，觀察電動(dòng)機(jī)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(shí)驗(yàn)條件的限制，電動(dòng)機(jī)處于空載狀態(tài)。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物

2.1 輸出電壓重構(gòu)

實(shí)驗(yàn)中，改進(jìn)電壓型定子磁鏈觀測(cè)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(shí)，必須增加低通濾波器或采用過(guò)采樣技術(shù)來(lái)完成對(duì)輸出電壓的檢測(cè)，從而增加了系統(tǒng)成本。在一般應(yīng)用場(chǎng)合，可對(duì)電壓源型逆變器輸出電壓進(jìn)行電壓重構(gòu)。

忽略死區(qū)效應(yīng)對(duì)輸出電壓的影響時(shí)，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(jì)算通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部PWM占空比乘以實(shí)時(shí)測(cè)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(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，算法簡(jiǎn)單，較適用于低成本的無(wú)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)DA將重構(gòu)的輸出電壓輸出，波形見(jiàn)圖5。

圖4 輸出電壓真實(shí)值和重構(gòu)值波形

(a) 啟動(dòng)過(guò)程

(b) 穩(wěn)態(tài)過(guò)程

由實(shí)驗(yàn)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(cè)量的困難。

2.2 定子磁鏈觀測(cè)器

實(shí)驗(yàn)中，采用電流型及改進(jìn)電壓型定子磁鏈觀測(cè)器分別對(duì)定子磁鏈進(jìn)行了估計(jì)，實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示。

(a) 全過(guò)程磁鏈幅值

(b) 啟動(dòng)過(guò)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(jìn)電壓模型Ψsα,Ψsβ

(e) 電流模型及改進(jìn)電壓模型中Ψsα

(f) 電流模型及改進(jìn)電壓模型中Ψsβ

從實(shí)驗(yàn)波形可以看出：

1) 由圖6(a)、(b)中可知：電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)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(jìn)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(cè)效果均較好，可滿足電動(dòng)機(jī)調(diào)速要求。

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

2.3 無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)

利用上述電流模型及改進(jìn)電壓模型觀測(cè)的定子磁鏈，本文采用基于MRAS的轉(zhuǎn)速辨識(shí)方法對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行辨識(shí)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)速給定初始值為0.4 pu，穩(wěn)定運(yùn)行后，階躍升至0.8 pu；因?qū)嶒?yàn)條件有限，電動(dòng)機(jī)處于空載狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)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(shí)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)加速至給定轉(zhuǎn)速；當(dāng)給定轉(zhuǎn)速突加時(shí)，電動(dòng)機(jī)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(yùn)行在新的給定轉(zhuǎn)速；同時(shí)辨識(shí)轉(zhuǎn)速和編碼器所測(cè)轉(zhuǎn)速基本重合，驗(yàn)證了基于MRAS的轉(zhuǎn)速辨識(shí)方法的可行性[3]。

為進(jìn)一步驗(yàn)證異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子變頻無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的調(diào)速性能，實(shí)驗(yàn)中對(duì)轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行了觀察。

從圖8可以看出，系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子電流勵(lì)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(shí)，轉(zhuǎn)子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的實(shí)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(yàn)證了電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)的有效性[5]。

從圖9可以看出，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)子電流并沒(méi)有保持以最大電流啟動(dòng)，其幅值逐漸減小。由于電動(dòng)機(jī)處于空載運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，電動(dòng)機(jī)加速過(guò)快導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)波形和理論分析間的差異。此外，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，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(jìn)一步驗(yàn)證了異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子變頻無(wú)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(lì)磁分量

(b) 轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)矩分量

(a) 啟動(dòng)過(guò)程

(b) 穩(wěn)態(tài)過(guò)程

2 結(jié)論

通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

1) 硬件平臺(tái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的可行性，大量的實(shí)驗(yàn)波形驗(yàn)證了異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子變頻無(wú)速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的可行性。

2) 由于實(shí)驗(yàn)條件有限，電動(dòng)機(jī)沒(méi)有在全速段運(yùn)行，且電動(dòng)機(jī)并沒(méi)有在額定負(fù)載工況下運(yùn)行。在后續(xù)研究中，需要完善實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，保證電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載工況下全速段運(yùn)行。