武凱斌

（山西離柳焦煤集團(tuán)有限公司，山西 孝義 032300）

引言

由于井下低壓設(shè)備眾多，電機(jī)類(lèi)感性負(fù)載也十分常見(jiàn)，這類(lèi)負(fù)載通常需要蓄電池來(lái)供電，供電電壓一般在12～48 V 范圍內(nèi)。不同負(fù)載的需求可以通過(guò)低壓蓄電池串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)供電。水泵，風(fēng)機(jī)等負(fù)載需要多個(gè)同時(shí)工作，一些手持式傳感器例如甲烷傳感器，二氧化碳傳感器等也是采用低壓供電，也需要連接蓄電池。因此蓄電池的負(fù)載相對(duì)較大，達(dá)到一定程度的負(fù)載需求往往需要增加BMS 控制系統(tǒng)保證蓄電池的穩(wěn)定輸出。因此降低低壓負(fù)載的使用功率、提升低壓負(fù)載的控制效率是十分有必要的。

現(xiàn)階段，礦用低壓電機(jī)主要控制方式可分為有矢量控制（FOC）、直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）兩類(lèi)，其中FOC 控制的代表產(chǎn)品為西門(mén)子電機(jī)控制及變頻器設(shè)備等，DTC 控制則主要是由ABB 將其推廣到電機(jī)控制領(lǐng)域內(nèi)。在低壓控制器的設(shè)計(jì)中為了避免霍爾傳感器以及電流傳感器的使用，控制策略選擇無(wú)感FOC 控制，采用SMO（滑膜觀測(cè)器）估算轉(zhuǎn)子位置信息實(shí)現(xiàn)電機(jī)恒轉(zhuǎn)速或者恒扭矩控制，為了彌補(bǔ)電機(jī)轉(zhuǎn)子估算的誤差，加入了相電壓采集作為估算補(bǔ)償。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)控制效率的高效運(yùn)行。

1 電機(jī)FOC 控制簡(jiǎn)介

通常來(lái)說(shuō)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以等效為一個(gè)電阻，一個(gè)電感與一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)的串聯(lián)。電阻是線(xiàn)圈自身的阻值，電感是線(xiàn)圈與定子轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的，反電動(dòng)勢(shì)是電機(jī)自帶的一個(gè)重要參數(shù)，可以通過(guò)電機(jī)對(duì)拖等方式測(cè)量，此時(shí)電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。這樣就構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)單的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，如圖1 所示。

圖1 電機(jī)模型

三相電機(jī)系統(tǒng)從電機(jī)的電流采樣到數(shù)學(xué)變換，得到勵(lì)磁電流Id與轉(zhuǎn)矩電流Iq。通過(guò)與目標(biāo)值的比較及PID 算法優(yōu)化輸出得到SVPWM的輸入，通過(guò)逆變換得到三相電壓輸出。最終實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完成的閉環(huán)控制策略，具體的電機(jī)控制框圖如圖2 所示。

圖2 FOC 控制原理框圖

2 基于相電壓采集控制策略

位置和速度估算器在FOC 控制中扮演著十分重要的角色，如圖2 所示的控制框圖中，角度估算不僅關(guān)系到轉(zhuǎn)子位置的正確與否，還關(guān)系到SVPWM的發(fā)波是否正常，正確的估算可以有利于電機(jī)降低工作電流，提升效率。錯(cuò)誤的估算導(dǎo)致電流變大，發(fā)熱十分嚴(yán)重，且電流波形畸變，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)震動(dòng)變大及電子噪音的產(chǎn)生。

傳統(tǒng)的角度估算模塊的輸入為Vα、Vβ、Iα和Iβ四個(gè)參數(shù)，其中Iα和Iβ的大小由電流采樣直接通過(guò)clarke，park 變換得到，Vα、Vβ的獲取是通過(guò)迭代計(jì)算以及故斷獲取，這樣就存在一個(gè)時(shí)效性，誤差也會(huì)累積，因此輸出的轉(zhuǎn)子位置信息是存在誤差的，這一點(diǎn)相對(duì)于電機(jī)控制來(lái)說(shuō)十分重要，輸出的轉(zhuǎn)子位置信息直接關(guān)系到電機(jī)的換相角度與換相時(shí)間，稍有偏差就會(huì)造成能量消耗，降低控制效率。

為了更為準(zhǔn)確的獲取到轉(zhuǎn)子的位置信息，采用直觀的方法獲取Vα、Vβ的大小。通過(guò)相電壓采集推算出開(kāi)關(guān)時(shí)間，進(jìn)而再反演推算得出電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的Vα、Vβ。這樣起到了一個(gè)模擬電流傳感器的作用。獲取到的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置更為準(zhǔn)確。電壓的采集方法如圖3 所示。

圖3 相電壓采集原理圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

電機(jī)作為一個(gè)整體其效率可以通過(guò)測(cè)功機(jī)測(cè)試出來(lái)。通過(guò)繪制出電機(jī)的效率map 圖可以很直觀的看出電機(jī)的效率高低，但是這部分效率包含有電機(jī)效率與控制器效率兩部分組成。如果要直觀的獲取到電機(jī)中控制器的效率值則需要借助功率分析儀來(lái)完成。功率分析儀在工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，主要用于變頻電動(dòng)機(jī)、變頻器、電池以及新能源汽車(chē)等功率分析、計(jì)算等[4-5]。山西某礦為年產(chǎn)500 萬(wàn)t 的大型現(xiàn)代化礦井，井下綜合機(jī)械化水平達(dá)到95%以上，采掘、運(yùn)輸、通風(fēng)、排水等基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化控制，井下布置有各類(lèi)型機(jī)電設(shè)備，文中就以該礦現(xiàn)階段使用的低壓電機(jī)為工程對(duì)象，具體采用功率分析儀獲取到的傳統(tǒng)FOC 矢量控制、基于FOC 的相電壓采集控制兩種控制策略下的電機(jī)效率如圖4、圖5 所示。

圖4 傳統(tǒng)FOC 矢量控制效率測(cè)試結(jié)果

圖5 基于FOC 的相電壓采集控制策略控制效率測(cè)試結(jié)果

通過(guò)測(cè)試結(jié)果（圖4、圖5）對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)的FOC 控制，基于FOC 的相電壓采集控制策略可以將控制效率從93%左右提升到97%以上。采用基于FOC 的相電壓采集控制策略后可大幅提升電機(jī)控制器的工作效率，電機(jī)同樣的輸出則相電流更小，相電壓利用率更高，系統(tǒng)的發(fā)熱有所降低從而在一定程度上解決發(fā)熱問(wèn)題，可靠性得到了提升。

4 結(jié)論

將基于FOC 的三相電壓采集控制策略應(yīng)用到井下低壓電機(jī)控制中，通過(guò)冷卻水泵的測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)的FOC 控制策略，該控制策略可以更為準(zhǔn)確地估算轉(zhuǎn)子位置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)可以將控制器效率由93%提升到97%，大大提升了控制器的效率，降低了控制器的能量消耗?？梢?jiàn)，該策略的應(yīng)用，保證了控制器的可靠性與高效性。