劉辰昊，宋浩田

（中交機電工程局有限公司，北京 100088）

0 引言

目前港口行業(yè)大功率帶式輸送機的常用驅(qū)動形式主要為：變頻器+減速機+異步電動機，而永磁直驅(qū)系統(tǒng)的構(gòu)成是永磁同步電機和變頻器，在這個系統(tǒng)中省去了減速機等中間環(huán)節(jié)，提高了傳動效率，且在低速運行中有良好的轉(zhuǎn)矩特性，這些年來隨著永磁材料釹鐵硼在性能上逐步的優(yōu)化和制備方法的突破，永磁同步電動機的使用范圍益發(fā)廣泛，正逐步在行業(yè)內(nèi)大面積推廣。而在控制方法上，定子磁鏈DTC技術(shù)的提出和發(fā)展，使得當下電動機直接快速控制成為現(xiàn)實。DTC數(shù)學模型主要依靠無位置傳感技術(shù)[1]，在落實磁通矢量驅(qū)動時，要對轉(zhuǎn)子的狀態(tài)實施磁場定位操作。對于永磁同步電動機DTC系統(tǒng)來說，其核心的參數(shù)為轉(zhuǎn)子角速度ω。在以往的DTC系統(tǒng)里，在檢測速度時，系統(tǒng)要借助速度傳感器得以實現(xiàn)的，而額外檢測元件的增加使得電機變得更大且更加復(fù)雜，增加了電機與控制器的接線，不僅造價成本變高，還增加了更多不穩(wěn)定因素，尤其在工業(yè)環(huán)境下，對電機抗干擾性能力要求較高。因此，在傳統(tǒng)電機系統(tǒng)中，想要向著電機系統(tǒng)高效和精簡的方向進取，速度傳感器等相關(guān)硬件無疑是一種負擔。本文著重研究無速度傳感器技術(shù)及其在港口行業(yè)中的應(yīng)用前景。

1 定子磁鏈估計方法

在永磁電機直接轉(zhuǎn)矩控制過程中，根據(jù)磁鏈位置角、電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈這三個變量來確定適合的定子電壓矢量，并對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩實施高效的調(diào)節(jié)，所以調(diào)速系統(tǒng)的性能會受到這三個變量準確性的直接影響。且磁鏈位置角和電磁轉(zhuǎn)矩通過后者定子磁鏈來確定，定子磁鏈的估計，對于精準控制電機來說就顯得尤為重要。本文將定子磁鏈的估計方法列出下面幾種并進行比對分析。

1.1 直接計算法

直接計算法在獲取電子磁鏈值時，將檢測到的電流值和電壓值輸入到數(shù)學模型中得以準確獲取，其優(yōu)點為迅速、方便，缺點為對電動機參數(shù)的依賴性比較強，易于導(dǎo)致定子磁鏈在調(diào)速時，受電動機參數(shù)變化的影響，無法實現(xiàn)準確的估計。

1.2 電壓積分法

電壓積分法計算時，以定子電阻值為依據(jù)，減少了繁瑣計算量和調(diào)速過程電機參數(shù)變化所帶來的不確定因素。但該方式的缺點也是顯而易見，比如易出現(xiàn)積分飽和，且當溫度變化時，會對阻值帶來較高的變化，進而直接影響估計值的準確性；同時該方法在低速運行時存在多種問題，會造成逆變器死區(qū)效應(yīng)，需要進行額外的補償，且在低速運行的時候，積分器誤差累計和DC-offset（直流偏移）的問題更為明顯。

1.3 觀測器法

觀測器法重新構(gòu)造了被控量的結(jié)構(gòu)，原控量與新系統(tǒng)相同，從而展示了一個新的狀態(tài)反饋。在估值時，觀測器的輸入變量為電動機的可測量數(shù)據(jù)，而定子磁鏈則看成為是觀測器的某種狀態(tài)，以使定子磁鏈實現(xiàn)直接觀測。

1.4 新型空間矢量扇區(qū)判定法

一般想要準確判定定子磁鏈的扇區(qū)位置，需要通過一系列計算公式，這就提高了我們在仿真時候需要編程的工作量。不同于傳統(tǒng)定子磁鏈空間矢量的扇區(qū)判定方法，當下定子磁鏈空間矢量扇區(qū)判定僅通過變量值的正負，把一系列的計算公式，轉(zhuǎn)變成三個變量之間的正負關(guān)系，就能得到定子磁鏈扇區(qū)位置，減少實際使用過程中編程的復(fù)雜程度。本文采用此種方法，但受限于篇幅，在此不做公式推導(dǎo)。

2 對于速度估測的一般方法

無速度傳感器的DTC策略將DTC控制理論和無速度傳感器的開放思路有機的融合在一起，通過減少機械傳感器等硬件的檢測，使用一定的計算方法來對電動機的轉(zhuǎn)速信息進行及時的獲取，并在調(diào)速系統(tǒng)中實施高效的利用，從而使其控制精度得以快速的提升[2]。上述計算方法包含的主要內(nèi)容有控制理論中的參數(shù)辨識與狀態(tài)估計、間接法和直接法等，通過各種計算方法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實物測量，使用計算得到的數(shù)據(jù)和電動機數(shù)學模型來對速度觀測器進行設(shè)計，從而使轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)信息得以準確、快速的獲取。

2.1 動態(tài)轉(zhuǎn)矩估測

動態(tài)轉(zhuǎn)矩估測以數(shù)學模型計算和電動機的參數(shù)為基礎(chǔ)，該方法可以通過一個較小的計算量來達到較強的直觀結(jié)果，其動態(tài)響應(yīng)速度非常快。動態(tài)轉(zhuǎn)矩估測不存在誤差校正環(huán)節(jié)，對電動機參數(shù)的依賴性非常強，實際試驗中，往往不能達到較好的控制效果。

2.2 人工智能理論估測

人工智能理論估測對被控量的數(shù)學模型依賴性較低，因此數(shù)學模型的準確性不需要過高，其優(yōu)點為能夠較好的控制系統(tǒng)干擾量和系統(tǒng)參數(shù)的不確定性，缺點為受計算方法過于繁瑣的影響，使得計算量非常大。

2.3 模型參考自適應(yīng)法估測

模型參考自適應(yīng)法估測的核心理念為把可調(diào)模型當做有待估量值的數(shù)學模型，把參考模型當做被控項，參考模型的性能受狀態(tài)和輸出的影響，整體模型中自適應(yīng)機構(gòu)的輸入為可調(diào)模型與參考模型性能指標差。在調(diào)制可調(diào)模型的待估量值時，要以輸出量為基礎(chǔ)[3]。

2.4 高頻注入估測

高頻注入估測在電機一端輸入高頻電壓，借助凸極效應(yīng)使轉(zhuǎn)速信息和轉(zhuǎn)子位置得以準確的獲取。高頻注入估測在獲取最佳的轉(zhuǎn)速估計值時，其在調(diào)速范圍之內(nèi)即可實現(xiàn)，非常適合于凸極電動機，且該方法無論在動態(tài)條件還是穩(wěn)態(tài)條件，都可以降低飽和凸極所帶來的影響。但是，該方法往往會因為高頻信號的注入而導(dǎo)致高頻噪聲出現(xiàn)。

2.5 狀態(tài)觀測器估測

狀態(tài)觀測器估測的輸入為原來系統(tǒng)的電流值和電壓值，電機轉(zhuǎn)速被看成是一個觀測狀態(tài)，并在最佳的規(guī)則范圍內(nèi)觀測轉(zhuǎn)速，狀態(tài)觀測器估測的穩(wěn)定性比較好。

3 無速度傳感器技術(shù)基本理論

表1 θ 象限對應(yīng)關(guān)系圖示

ωs代表同步角速度，ω代表電機角速度，ωsl代表轉(zhuǎn)差角速度。

永磁同步電機的同步角速度與電機角速度相等，轉(zhuǎn)差角速度等于零，也就是：ω=ωs。

互相對應(yīng)的四個象限中θ的計算公式已經(jīng)在表1中列清，θ處于0～2π的計算公式中時，ωs不會受到π和2π的任何影響。故有以下一系列計算過程：

綜上可得：

通過α-β軸的電流與電壓，可計算出磁鏈值和速度數(shù)據(jù)，此時估計的速度數(shù)據(jù)經(jīng)過比例積分處理，在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中發(fā)揮作用。

4 matlab仿真實驗

4.1 仿真模塊

無速度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的仿真模塊如圖1所示。

圖1 無速度傳感器仿真內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4.2 建立仿真圖形

借助matlab/simulink實現(xiàn)仿真，在永磁直驅(qū)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中使用無速度傳感器技術(shù)，其系統(tǒng)仿真情況詳見下圖2。

圖2 DTC 無速度傳感器控制系統(tǒng)仿真圖

4.3 仿真結(jié)果

電動機參數(shù)：Ld=0.0 0 8 5 H，Lq=0.0 0 8 5 H，RS=0.875Ω,Ψf=0.175Wb，極對數(shù)為4極，轉(zhuǎn)動慣量J=0.0008Kg·m2，滯系數(shù)B=0，ΨS=0.9Wb，逆變器直流電壓U=800V，電機的狀態(tài)認定為是理想的狀態(tài)，摩擦系數(shù)不計。

定子磁鏈波形如圖3所示，三相電流波形如圖4所示：

圖3 定子磁鏈波形

圖4 電流波形

轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線如圖5所示：

圖5 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線對比如圖6所示：

4.4 仿真結(jié)果分析

通過仿真結(jié)果我們可以得到，無速度傳感器技術(shù)不僅有不錯的實用性并且可以良好的融合直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。在詳細觀察圖6中無速度傳感器和有速度傳感器時轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線后，發(fā)現(xiàn)無速度傳感器技術(shù)的電機加速到參考轉(zhuǎn)速時，花費的時間最少，且無超調(diào)，減少了對電機參數(shù)的依賴性，能高效的進行電機轉(zhuǎn)速的快速跟蹤。

圖6 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線對比

5 結(jié)語

本文以永磁直驅(qū)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)為對象，從原理和仿真上對無速度傳感器技術(shù)做了驗證，由于仿真時對電機模型進行了理想化處理，因此可能導(dǎo)致電動機參數(shù)對理論成果的準確性造成一定影響，但仿真結(jié)果在很大程度上還是證明了無速度傳感器技術(shù)的可應(yīng)用性。在我司最近承建的港口項目中，ABB、匯川技術(shù)等廠商在唐山港、黃驊港已有無速度傳感器技術(shù)的應(yīng)用，然而在設(shè)備選型時，由于工程師對變頻器產(chǎn)品原理不熟悉，往往造成不必要的速度編碼器的投入。可以預(yù)見，在將來港口散物料輸送行業(yè)中，無論是同步電機還是異步電機驅(qū)動領(lǐng)域，無速度傳感器技術(shù)將會應(yīng)用更加廣泛。