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        基于矢量控制的帶式輸送機(jī)PMSM調(diào)制研究

        2022-02-11 02:30:26楊京東杜賢羿李大偉任麗霜
        山西煤炭 2022年4期
        關(guān)鍵詞:扇區(qū)帶式輸送機(jī)

        楊京東,杜賢羿,李大偉,吳 康,任麗霜

        (山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院,山西 大同 037003)

        礦用帶式輸送機(jī)是一種方便快捷的礦山物料運(yùn)輸設(shè)備。由于帶式輸送機(jī)可長距離、連續(xù)性的運(yùn)輸大量礦用物料等諸多優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于采區(qū)的上下區(qū)段處和平巷地區(qū),以及運(yùn)輸口的大巷處與井口運(yùn)輸?shù)倪^道走廊等地[1]。隨著煤炭需求量日益增大,生產(chǎn)效率得到大幅度提高,礦用帶式輸送機(jī)正逐步向著高端化、大型化、高速化發(fā)展。帶式輸送機(jī)作為礦用關(guān)鍵設(shè)備之一,一旦有故障發(fā)生,會導(dǎo)致大量物料停滯中途而無法運(yùn)輸,與它相關(guān)的一些設(shè)備會產(chǎn)生連鎖反應(yīng)從而受到影響,可能會造成生產(chǎn)停止或者人員傷亡等重大事故。[2]由此可見,礦用帶式輸送機(jī)作為運(yùn)輸系統(tǒng)的中樞環(huán)節(jié),地位極其重要,一旦出現(xiàn)故障將會是不可逆轉(zhuǎn)的,并且可能會發(fā)生重大事故。所以,在礦山生產(chǎn)作業(yè)時確保它的正常運(yùn)行是十分重要的。礦用帶式輸送機(jī)的驅(qū)動依賴于電機(jī),因此控制電機(jī)的穩(wěn)定是其安全運(yùn)行的重點。

        由于交流電機(jī)可直接連接變壓器獲得交流電能,在早期的牽引系統(tǒng)中,往往是采用交流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動的[3]。隨著電機(jī)技術(shù)和變頻器的快速發(fā)展,均給永磁同步電機(jī)(PMSM)在煤礦井下的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。較之傳統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備,永磁同步電機(jī)具有諸多應(yīng)用優(yōu)勢,如:可實現(xiàn)智能控制,并且安全可靠、高效節(jié)能、噪音污染小和便于檢修維護(hù)等[4]。近年來,永磁同步電機(jī)逐漸在煤礦生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用,尤其是在帶式輸送機(jī)中起到了舉足輕重的作用。

        以往在PMSM驅(qū)動系統(tǒng)中檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速,多采用機(jī)械式傳感器進(jìn)行檢測,以實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)對PMSM的控制要求。由于采用機(jī)械式傳感器容易受到機(jī)械運(yùn)行時的沖壓、震蕩等不利因素影響,且安裝在電機(jī)附近容易受電機(jī)的溫升影響,使輸出信號可靠性降低,影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。

        為了盡可能解決這一問題,多年來研究人員通過研究電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,發(fā)現(xiàn)電機(jī)數(shù)學(xué)模型中電壓電流與轉(zhuǎn)子角速度存在一定的聯(lián)系,即通過檢測電機(jī)的電壓、電流值,經(jīng)過理論推導(dǎo)可以得到轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信息,從而代替了機(jī)械式速度檢測傳感器,減少了系統(tǒng)的附加設(shè)備,大大增加了對電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)速度檢測的可靠性,減小了系統(tǒng)的日常維護(hù)量[6]。因此,研究三相PMSM調(diào)速系統(tǒng)對煤礦井下帶式輸送機(jī)的高效性和安全性具有重要的意義。

        1 三相PMSM的基本數(shù)學(xué)模型

        建立PMSM數(shù)學(xué)模型,要假定以下條件[7]:一是不計電機(jī)磁飽和;二是忽略電機(jī)磁滯損耗;三是轉(zhuǎn)子無阻尼繞組。

        PMSM在三相靜止坐標(biāo)系下的電壓方程為

        (1)

        磁鏈方程為

        ψ3s=L3si3s+ψf·F3s(θe).

        (2)

        式中:LAA、LBB、LCC分別為三相定子繞組的自感;LAB、LBA、LAC、LCA、LBC、LCB分別為繞組間的互感。

        電磁轉(zhuǎn)矩方程為

        (3)

        式中:θm為機(jī)械角;pn為三相PMSM的極對數(shù)。

        由式(2)和式(3)可知,PMSM在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型具有強(qiáng)耦合、多變量的性質(zhì),因此需要通過坐標(biāo)變換將PMSM的數(shù)學(xué)模型簡化。

        2 坐標(biāo)變換

        圖1為各坐標(biāo)系之間的關(guān)系,ABC為自然坐標(biāo)系,α-β為靜止坐標(biāo)系,d-q為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。

        圖1 各坐標(biāo)系之間的關(guān)系

        2.1 Clark變換

        將自然坐標(biāo)系A(chǔ)BC變換到靜止坐標(biāo)系α-β的坐標(biāo)變換為Clark變換,可以得出如式(4)所示的坐標(biāo)變換公式:

        [fαfβ]T=T3s/2r[fAfBfC]T.

        (4)

        式中:f代表電機(jī)的電壓、電流或磁鏈等變量;T3s/2s為坐標(biāo)變換矩陣,采用幅值不變約束條件,可表示為

        (5)

        2.2 Park變換

        將靜止坐標(biāo)系α-β變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q的坐標(biāo)變換稱為Park變換,可以得出如式(6)所示的坐標(biāo)變換公式:

        [fdfq]T=T2s/2r[fαfβ]T.

        (6)

        式中:T2s/2r為坐標(biāo)變換矩陣,可表示為

        (7)

        2.3 反Park變換

        將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q變換到靜止坐標(biāo)系α-β的坐標(biāo)變換稱為反Park變換,可以得出如式(8)所示的坐標(biāo)變換公式:

        [fαfβ]T=T2r/2s[fdfq]T.

        (8)

        其中:T2s/2r為坐標(biāo)變換矩陣,可表示為

        (9)

        3 三相電壓源逆變器PWM技術(shù)

        電壓源逆變器PWM技術(shù)在電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)中尤為重要,目前常用的PWM技術(shù)主要為正弦脈寬調(diào)制(SPWM)和空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)。SPWM技術(shù)的控制思想是設(shè)法將直流母線電轉(zhuǎn)變?yōu)檎也ǖ碾娏?,一般通過比較三角載波和正弦調(diào)制波來生成PWM,然后再控制IGBT的高頻通來實現(xiàn)正弦波的電流。而SVPWM技術(shù)是由SPWM技術(shù)應(yīng)用改進(jìn)而來,其工作原理是:基于跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場的原理,對IGBT的6個控制開關(guān)進(jìn)行規(guī)律控制,從而使產(chǎn)生8種基本的空間矢量,再將矢量轉(zhuǎn)換成調(diào)制波,使電機(jī)產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩[8]。

        相較于SPWM技術(shù),SVPWM技術(shù)對電壓的利用率更高、開關(guān)損耗更低。SVPWM自首次提出以來,由于其性能優(yōu)良,受電機(jī)領(lǐng)域的許多研究者追捧,爭相對其開展研究應(yīng)用。

        圖2中的三相逆變電路通過SVPWM技術(shù)輸出的調(diào)制波,對6個功率開關(guān)管(VT1-VT6)進(jìn)行規(guī)律控制,控制其接通和閉合的時間,控制其接通的順序,從而使三相逆變電路輸出能使PMSM高性能控制的交流電。

        圖2 PMSM的逆變電路

        圖2中,Ua、Ub、Uc分別為逆變器輸出的相電壓;Udc為直流母線電壓。

        根據(jù)開關(guān)狀態(tài)a、b、c對于0和1的選擇,可以組合成逆變器的6種開關(guān)狀態(tài),這6種開關(guān)狀態(tài)可等分地將正六邊形劃分為6個扇區(qū),每個狀態(tài)占用一個扇區(qū)。正六邊形中的圓是磁鏈的目標(biāo)軌跡。SVPWM空間矢量如圖3所示。

        圖3 空間矢量圖

        3.1 參考電壓扇區(qū)判斷

        用uα和uβ表示參考電壓Uref在α、β軸上的分量,定義Uref1、Uref2和Uref3三個變量,令

        (10)

        再定義3個變量A、B、C,可知:

        若Uref1>0,則A=1,否則A=0;

        若Uref2>0,則B=1,否則B=0;

        若Uref3>0,則C=1,否則C=0。

        令N=A+2B+4C,可得N與扇區(qū)的關(guān)系如表1所示:

        表1 N與扇區(qū)的對應(yīng)關(guān)系

        3.2 計算作用時間

        根據(jù)式(10)對電壓空間矢量幾何分析和圖3的電壓空間矢量圖可以得到如下關(guān)系式:

        (11)

        式中:t1、t2分別為扇區(qū)1、2內(nèi)的作用時間。對其化簡得:

        (12)

        根據(jù)以上對特定扇區(qū)的時間計算原理,可以知道其他扇區(qū)的時間計算。X、Y、Z做為所設(shè)中間變量如下式:

        (13)

        表2為各個扇區(qū)t0(t7)、t4和t6作用的時間。

        表2 各扇區(qū)作用時間t0(t7)、t4和t6

        如果t4+t6>ts,則需要進(jìn)行過調(diào)制處理,令

        (14)

        3.3 扇區(qū)矢量切換點的確定

        首先定義

        (15)

        則三相電壓開關(guān)時間切換點tcm1、tcm2和tcm3與各扇區(qū)的關(guān)系如表3所列。

        表3 各扇區(qū)時間切換點tcm1、tcm2和tcm3

        經(jīng)過以上三個步驟,只需再添加合適頻率的三角載波信號即可輸出脈沖信號。

        4 三相PMSM的矢量控制

        矢量控制技術(shù)是通過對電機(jī)定子電流在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中大小和方向的控制,達(dá)到對直軸和交軸分量的解耦目的。三相PMSM矢量控制系統(tǒng)是一個多環(huán)控制系統(tǒng),由轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成,其構(gòu)成的開環(huán)傳遞函數(shù)并不是典型的系統(tǒng),一般可以采用PI調(diào)節(jié)器,將電流內(nèi)環(huán)校正為典型Ⅰ型系統(tǒng),其作用是使PMSM的定子電流與設(shè)定電流盡量吻合,減小估計誤差;將轉(zhuǎn)速外環(huán)校正為典型Ⅱ型系統(tǒng),其作用是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,使其能夠達(dá)到既能調(diào)速又能穩(wěn)速的目的,提高了其抗干擾能力[9]。

        4.1 PMSM的PI電流內(nèi)環(huán)控制

        矢量控制系統(tǒng)中,電流環(huán)是對iq、id進(jìn)行控制,進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩[10]。由于PMSM的磁通完全由永磁體來提供,當(dāng)id=0時,PMSM無直軸的電樞反應(yīng),只需控制交軸電流值即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩,實現(xiàn)PMSM的靜態(tài)解耦。

        由于id=0,分析q軸電流環(huán)即可,結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示:

        圖4 電流調(diào)節(jié)器PI控制動態(tài)框圖

        分析圖4可得零極點形式的傳遞函數(shù)是:

        (16)

        為了簡化分析,合并電流采樣周期模塊,并忽略ωΨf的擾動,如圖5所示。

        圖5 電流調(diào)節(jié)器PI控制簡化動態(tài)框圖

        開環(huán)傳遞函數(shù)校正后可得:

        (17)

        由式(17)知閉環(huán)傳遞函數(shù):

        (18)

        受開關(guān)頻率較高的影響,s2的系數(shù)通??珊雎裕吹煤喕蟮拈]環(huán)傳遞函數(shù):

        (19)

        考慮調(diào)節(jié)時間、響應(yīng)速度和超調(diào)量的綜合因素,若想得最優(yōu)值,需設(shè)定阻尼比ξ=0.707,可得:

        (20)

        由式19和式20可推出電流環(huán)的PI參數(shù)為:

        (21)

        4.2 PMSM的PI轉(zhuǎn)速外環(huán)控制

        圖6為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器PI 控制動態(tài)框圖。

        圖6 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器PI控制動態(tài)框圖

        先忽略負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl,并將電流內(nèi)環(huán)等效為小時間常數(shù)4ts與速度信號采樣的小時間常數(shù)ts進(jìn)行合并得tes=5ts,簡化圖如圖7所示:

        圖7 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器PI控制簡化動態(tài)框圖

        由圖7可知開環(huán)傳遞函數(shù)為:

        (22)

        通過典型Ⅱ型系統(tǒng)可整定為:

        (23)

        (24)

        即可推出轉(zhuǎn)速外環(huán)的PI參數(shù)為:

        (25)

        5 三相PMSM系統(tǒng)的建模與仿真

        根據(jù)以上分析過程,建立三相PMSM調(diào)速系統(tǒng)仿真模型,如圖8所示。設(shè)定電機(jī)初始轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,并在0.5 s時突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=10 N·m。

        圖8 三相PMSM調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

        5.1 坐標(biāo)變換的建模

        由式(5)可建立如圖9所示的Clark變換模型,由式(7)可建立如圖10所示的Park變換模型,由式(9)可建立如圖11所示的反Park變換模型。

        圖9 Clark變換

        圖10 Park變換

        圖11 反Park變換

        5.2 SVPWM算法的建模

        圖12所示為SVPWM算法的仿真模塊圖。PWM開關(guān)周期Tpwm=1/6 000,直流側(cè)電壓Udc=560 V。由式(10)可建立如圖13所示的扇區(qū)N的判斷模型,由式(13)可建立如圖14所示的中間變量X、Y和Z的計算模型,由式(14)可建立如圖15所示的T4(T1)和T6(T2)的計算模型,由式(15)可建立如圖16所示的切換時間tcm1、tcm2和tcm3的計算模型。

        圖12 SVPWM模塊

        圖13 扇區(qū)N的判斷

        圖14 計算X、Y和Z

        圖15 t4(t1)和t6(t2)的計算

        圖16 切換時間的計算

        圖17 脈沖寬度調(diào)制輸出

        5.3 仿真結(jié)果

        由圖18可知,扇區(qū)N值呈現(xiàn)為交替變換的特點,與表1所示的結(jié)果相同。圖19所示的調(diào)制波形呈馬鞍形,即提高了母線電壓利用率,增強(qiáng)了PMSM的動態(tài)響應(yīng)。由圖20可知,PMSM以較快的響應(yīng)速度上升到設(shè)定轉(zhuǎn)速值,且僅有很小的超調(diào)量;在0.5 s時,PMSM產(chǎn)生波動并在0.05 s內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)定值。結(jié)果表明,PMSM轉(zhuǎn)速可以較好地跟隨系統(tǒng)設(shè)定值,轉(zhuǎn)速上升時間短,跟蹤速度快,超調(diào)量較小,只在負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變時產(chǎn)生較小波動,三相正弦電流和電磁轉(zhuǎn)矩都具有較好的動態(tài)響應(yīng)性能。從而說明所設(shè)計的PMSM系統(tǒng)模型具有較好的動態(tài)性能和抗擾動能力,符合礦用帶式輸送機(jī)對PMSM的控制要求。

        圖18 扇區(qū)N的計算結(jié)果

        圖19 切換時間tcm1、tcm2和tcm3的計算結(jié)果

        圖20 轉(zhuǎn)速nr的變化曲線

        圖21 電磁轉(zhuǎn)矩Te的變化曲線

        圖22 三相電流的變化曲線

        6 結(jié)語

        由于PMSM具有啟動轉(zhuǎn)矩大、體積小和高效節(jié)能等優(yōu)點,很快被大量應(yīng)用在各個制造業(yè)領(lǐng)域。本文以礦用帶式輸送機(jī)系統(tǒng)PMSM為研究對象,選用的調(diào)速系統(tǒng)控制方案為基于矢量控制技術(shù)和SVPWM的三相PMSM調(diào)速系統(tǒng)。對矢量控制技術(shù)和SVPWM的控制原理做了詳細(xì)的介紹,并在MATLAB/Simulink中搭建仿真模塊進(jìn)行實驗。結(jié)果表明,在基于矢量控制技術(shù)和SVPWM的三相PMSM調(diào)速系統(tǒng)具有快速準(zhǔn)確、效率高和抗擾動能力強(qiáng)的優(yōu)點。證實了PMSM在煤礦井下帶式輸送機(jī)的應(yīng)用中,能夠極大地提高生產(chǎn)效率和提升煤礦生產(chǎn)的安全性。因此PMSM控制系統(tǒng)必將隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,在煤礦井下的應(yīng)用開拓更加廣闊的發(fā)展空間。

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