祝龍記， 馬永旺， 王淑瑩

(安徽理工大學(xué) 電信學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

0 引言

帶式輸送機是廣泛應(yīng)用于煤礦、電廠、碼頭等行業(yè)的連續(xù)運輸機械[1-2]。帶式輸送機的傳動系統(tǒng)主要通過異步電動機配合減速器和液力偶合器等來驅(qū)動主滾筒。這種驅(qū)動方式雖然可以實現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩輸出，但其工作效率等于各部件的效率相乘，總的工作效率低，能量損耗大，而且液力偶合器的維護工作量大，還存在機械振動、滲油、漏油等問題[3-4]。永磁同步電動機(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)可以在低速條件下實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，與異步電動機相比，PMSM有著比較明顯的性能優(yōu)勢。PMSM有內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)之分[5]。外轉(zhuǎn)子PMSM是將永磁電動機的轉(zhuǎn)子嵌套在定子外圍，轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)表貼多極永磁體，設(shè)計成多極電動機，因為電動機極數(shù)越多，越容易實現(xiàn)低速運行[6]。帶式輸送機的主滾筒直接嵌套在永磁電動機的外轉(zhuǎn)子上，組成帶式輸送機直驅(qū)型滾筒[7]。這種結(jié)構(gòu)可以簡化傳動機構(gòu)，提高傳動效率和可靠性[8]，同時，由于外轉(zhuǎn)子直徑大，增大了剎車半徑，減小了剎車力，從而可提高剎車可靠性。

PMSM調(diào)速控制方式主要有直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制2種。因為帶式輸送機直驅(qū)滾筒的運行速度在低速范圍內(nèi)，直接轉(zhuǎn)矩控制的脈動會影響其低速性能，所以不適用于需要低速大轉(zhuǎn)矩的帶式輸送機控制[9-10]。矢量控制將三相定子電流轉(zhuǎn)換為兩相dq旋轉(zhuǎn)坐標系電流，然后對dq軸電流分別進行控制，其中直軸電流id=0控制方法結(jié)構(gòu)相對簡單[11]。帶式輸送機啟動時間較長，穩(wěn)態(tài)速度偏低，帶載啟動轉(zhuǎn)矩大，要求電動機在一定的定子電流幅值下輸出盡量大的轉(zhuǎn)矩。因外轉(zhuǎn)子PMSM為表貼式磁極，采用id=0矢量控制方法能夠提高轉(zhuǎn)矩與電流的比值[12]，比較適用于帶式輸送機直驅(qū)滾筒的控制。

在直驅(qū)滾筒PMSM的矢量控制系統(tǒng)中，由于帶式輸送機工作環(huán)境惡劣，轉(zhuǎn)子位置和速度參數(shù)的測量不適宜通過安裝外部位置傳感器的方式獲得。為簡化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，增加可靠性，直驅(qū)滾筒PMSM更適合采用無傳感器的估算方法來獲取轉(zhuǎn)子位置角和速度參數(shù)。目前應(yīng)用較多的采用無傳感器的位置/速度估算方法有反電動勢估算法、三次檢測諧波法、高頻脈振信號注入法等[13-14]。高頻脈振信號注入法的估算穩(wěn)態(tài)誤差不受濾波器影響，其注入信號與電動機運行狀態(tài)無關(guān)，位置估算也不受電動機參數(shù)變化的影響[15-16]，因此，直驅(qū)滾筒低速狀態(tài)下轉(zhuǎn)子位置和速度的估算宜采用高頻脈振信號注入法。

本文提出一種基于外轉(zhuǎn)子PMSM的帶式輸送機直驅(qū)滾筒控制方案，在低速大轉(zhuǎn)矩情況下，采用id=0矢量控制方案；針對低速運行時電動機反電動勢小、轉(zhuǎn)子位置和速度估算精度低的問題，引入高頻脈振信號注入法來估算轉(zhuǎn)子位置及速度，實現(xiàn)了帶式輸送機直驅(qū)滾筒的低速大轉(zhuǎn)矩控制。

1 外轉(zhuǎn)子PMSM矢量控制

外轉(zhuǎn)子PMSM的定子齒槽內(nèi)裝有三相繞組，轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)表貼有永磁體。定子鐵芯和通以三相交流電流的三相繞組構(gòu)成定子旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子永磁體構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁場，定子磁場吸引著轉(zhuǎn)子磁場同步旋轉(zhuǎn)。

帶式輸送機直驅(qū)滾筒要求在低速時轉(zhuǎn)動脈動小、運行平穩(wěn)，要具有更好的低速特性，應(yīng)使PMSM在一定的定子電流下輸出盡量大的電磁轉(zhuǎn)矩。較好的控制方法是通過轉(zhuǎn)子磁鏈定向和旋轉(zhuǎn)坐標變換，使得轉(zhuǎn)子永磁體N磁極的磁場方向與d軸重疊，將PMSM的定子電流矢量is分解為d軸電流分量id和q軸電流分量iq，且保持id=0，通過iq產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。矢量控制坐標如圖1所示，其中ωr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度，θr為轉(zhuǎn)子的位置角。對于表貼式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，由于氣隙磁場分布是均勻的，d軸和q軸的電感相等。

圖1 矢量控制坐標Fig.1 Vector control coordinates

在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系下，PMSM的定子電壓、定子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩方程分別為

(1)

(2)

(3)

式中：ud，uq為dq軸系定子電壓；Rs為定子電阻；ψd，ψq為dq軸系定子磁鏈；t為時間；Ld，Lq為dq軸系定子電感；ψrf為永磁體在定子繞組上的耦合磁鏈；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；p為永磁體極對數(shù)。

因為帶式輸送機直驅(qū)滾筒的PMSM外轉(zhuǎn)子永磁體為表貼式，所以有Ld=Lq，則式(3)可寫成

Te=1.5pψrfiq

(4)

直驅(qū)滾筒的運動方程為

(5)

式中：TL為負載轉(zhuǎn)矩；B為阻尼系統(tǒng)；J為轉(zhuǎn)動慣量。

從式(4)可看出，ψrf固定不變，電磁轉(zhuǎn)矩Te只和iq線性相關(guān)，只要改變iq的大小就可以調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩的大小?？刂苅d=0，不僅能減少定子電流的無功分量，而且使控制變得非常簡單。

PMSM無傳感器矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PMSM無傳感器矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of PMSM sensorless vector control system

2 無傳感器轉(zhuǎn)子位置和速度檢測

采用高頻脈振電壓信號注入法進行直驅(qū)滾筒PMSM低速運行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子位置和速度估算。

圖3 dq坐標與坐標之間的關(guān)系Fig.3 The relationship between dq and axis

(6)

式中ψdh,ψqh是由定子高頻電流產(chǎn)生的高頻磁鏈，和轉(zhuǎn)子磁鏈無關(guān)，故式(6)可以改寫為

(7)

(8)

式中ωh為高頻脈振角頻率。

由于ωr≤ωh，Rs≤ωhLd=ωhLq，結(jié)合式(8)可得

(9)

(10)

式中：Zdh為d軸高頻阻抗；Ydh為d軸高頻導(dǎo)納，Ydh=1/Zdh；Zqh為q軸高頻阻抗；Yqh為q軸高頻導(dǎo)納，Yqh=1/Zqh。

(11)

(12)

(13)

式中：Y為dq軸的平均導(dǎo)納，Y=(Ydh+Yqh)/2；ΔY為dq軸的導(dǎo)納差，ΔY=Ydh-Yqh。

(14)

(15)

轉(zhuǎn)子位置估計誤差信息f(Δθ)為

(16)

圖4 轉(zhuǎn)子位置估計誤差信號處理流程Fig.4 Error signal processing flow of rotor position estimation

圖5 轉(zhuǎn)子位置估計結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of rotor position estimation

在直驅(qū)滾筒的矢量控制系統(tǒng)中(圖2)，高頻電壓注入信號HF_inj是在轉(zhuǎn)子dq旋轉(zhuǎn)坐標系下注入的。注入高頻電壓信號后，從三相定子電流中提取高頻電流響應(yīng)信號并進行計算處理，獲得轉(zhuǎn)子位置估計誤差信號f(Δθ)，通過位置速度觀測器估算出位置角和轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)PMSM低速運行時的無傳感器控制。

3 實驗分析

帶式輸送機直驅(qū)滾筒調(diào)速實驗裝置由直驅(qū)滾筒(外轉(zhuǎn)子PMSM)、4個換向滾筒及機架組成，如圖6所示。輸送帶繞在各滾筒上形成一個閉合的環(huán)，當逆變器輸出三相交流電給PMSM時，其外轉(zhuǎn)子的直驅(qū)滾筒旋轉(zhuǎn)，從而帶動輸送帶作直線運動。在機架右下方的滾筒上同軸連接一臺直流發(fā)電機作為直驅(qū)滾筒的模擬負載，當調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出功率時，相當于改變直驅(qū)滾筒的負載大小，可進行電動機的加減載實驗。變頻器輸出的三相交流電由PMSM定子端部接入。PMSM參數(shù)見表1。由表1可知，PMSM極對數(shù)為20，額定轉(zhuǎn)速為90 r/min，最高工作頻率為30 Hz。

圖6 帶式輸送機直驅(qū)滾筒實驗裝置Fig.6 Experimental equipment of direct drive roller of belt conveyor

表1 PMSM參數(shù)Table 1 Parameters of PMSM

3.1 穩(wěn)態(tài)特性測試

為了測試電動機的穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)，設(shè)變頻器輸出電壓頻率為20 Hz，測量定子側(cè)的兩相電壓/電流，結(jié)果如圖7所示。電壓波形為經(jīng)SVPWM調(diào)制的六拍階梯波，電流波形接近標準的20 Hz正弦波。

在穩(wěn)態(tài)實驗過程中，設(shè)定4種給定頻率：5，10，20，30 Hz，測試PMSM的轉(zhuǎn)速跟蹤精度。當PMSM穩(wěn)態(tài)運行時，記錄4種頻率下電動機的實際轉(zhuǎn)速和估算轉(zhuǎn)速，結(jié)果見表2。實際轉(zhuǎn)速由光電編碼器測量得到，估算轉(zhuǎn)速由控制芯片DSP計算輸出。對比實測轉(zhuǎn)速和估算轉(zhuǎn)速可知，同一頻率下的轉(zhuǎn)速誤差較小，驗證了高頻脈振信號注入法適用于低速情況下轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的估算，估算精度較高。

(a) 兩相電壓

(b) 兩相電流

表2 估算轉(zhuǎn)速和實測轉(zhuǎn)速對比Table 2 Comparison of estimated speed and measured speed

3.2 啟動特性測試

設(shè)定帶式輸送機直驅(qū)滾筒PMSM的啟動加速曲線為S形，啟動時間為10 s，其中第1階段啟動時間為2 s，主滾筒速度從0加速到12 r/min，維持2 s的勻速運動，主滾筒在4 s時開始第2次加速，到10 s時到達額定轉(zhuǎn)速90 r/min。

轉(zhuǎn)速設(shè)定值n*和轉(zhuǎn)速實測值nr的對比如圖8所示。與設(shè)定值相比，轉(zhuǎn)速實測值有一定脈動。除了PMSM自身存在速度脈動外，輸送帶與滾筒屬于柔性連接，也會有一定的速度脈動，屬于正常現(xiàn)象。

(a) 轉(zhuǎn)速設(shè)定值

(b) 轉(zhuǎn)速實測值

3.3 負載特性測試

帶式輸送機直驅(qū)滾筒變頻調(diào)速系統(tǒng)運行過程中，負載突然增加會造成電動機轉(zhuǎn)速下降，定子電流急增，如果電動機的電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)過慢，可能會造成PMSM的失步故障。頻率為10 Hz時負載突變情況下的轉(zhuǎn)速nr、A相電流ia及電磁轉(zhuǎn)矩Te變化波形如圖9所示。

(a) 突加負載

(b) 突減負載

從圖9(a)可看出,突加負載時，在1.5 s之前，負載轉(zhuǎn)矩為0；1.5～1.8 s，設(shè)置負載轉(zhuǎn)矩為590 N·m；1.8～2.0 s，負載轉(zhuǎn)矩增加到792 N·m；2.0 s后，負載轉(zhuǎn)矩恢復(fù)為590 N·m。在負載轉(zhuǎn)矩增加期間，定子電流也隨之增大，電動機轉(zhuǎn)速略有下降，但很快恢復(fù)到正常轉(zhuǎn)速30 r/min。從圖9(b)可看出,突減負載時，在1.5 s之前，負載轉(zhuǎn)矩為0；1.5～1.8 s，負載轉(zhuǎn)矩為792 N·m；1.8～2.0 s，負載轉(zhuǎn)矩突減到460 N·m；2.0 s后，負載轉(zhuǎn)矩恢復(fù)為792 N·m。在負載轉(zhuǎn)矩減少期間，定子電流也隨之減小，電動機轉(zhuǎn)速略有抬升，但很快恢復(fù)到正常轉(zhuǎn)速。測試結(jié)果表明，調(diào)速系統(tǒng)對負載突變的響應(yīng)速度較快，抗擾能力較強。

4 結(jié)論

(1) 提出用直驅(qū)滾筒外轉(zhuǎn)子PMSM取代異步電動機配合減速器和液力偶合器的帶式輸送機驅(qū)動傳動方案。針對低速運行時反電動勢小、轉(zhuǎn)子位置和速度估算精度低的問題，引入高頻脈振信號注入法來估算轉(zhuǎn)子位置及速度。

(2) 穩(wěn)態(tài)特性測試結(jié)果表明，同一頻率下，實測轉(zhuǎn)速和估算轉(zhuǎn)速的誤差較小，驗證了高頻脈振信號注入法適用于低速情況下轉(zhuǎn)子位置和速度的估算，估算精度較高。

(3) 啟動特性測試和負載特性測試結(jié)果表明，直驅(qū)滾筒變頻調(diào)速系統(tǒng)具有良好的低速啟動調(diào)速性能和帶負載能力，能較好地滿足帶式輸送機直驅(qū)滾筒的啟動調(diào)速要求，具有良好的應(yīng)用前景。