變參數速度辨識在礦井提升機控制系統中的應用

改造者：李建華

變參數速度辨識在礦井提升機控制系統中的應用

改造者：李建華

以MRAS模型參考自適應法理論為基礎，提出一種變參數速度辨識方法，設計了轉子磁鏈定向的異步電機矢量控制系統，實現對轉速、電流及轉矩的閉環控制，并應用于礦井提升機調速系統。首先確定基于MRAS的無速度傳感器轉子磁場定向的矢量控制方案，然后根據控制方案在 MATLAB/Simulink 環境下建立矢量控制系統模型，對系統進行仿真，并對比分析變參數速度辨識系統與定參數速度辨識系統的仿真結果。結果表明：變參數估計方法在性能上明顯優于定參數估計方法。

矢量控制技術一般采用同軸安裝速度傳感器測速，但是這種方法具有成本增加、機械誤差影響大、可調性下降、不適用于惡劣環境等缺點。因此礦井提升機的調速系統中應用無速度傳感器技術。而無速度傳感器技術仍然處于不斷改進的過程中，本文基于模型參考自適應法（MRAS） 理論提出一種變參數的轉速辨識方法，并仿真對比分析了變參數速度辨識系統與定參數速度辨識系統相比在性能上的優越性。

矢量控制系統設計

三相異步電動機的數學模型

式1和式2為三相異步電動機在兩相靜止坐標系下的數學模型。

電壓方程：

運動方程和轉矩方程為：

式中，

usα、usβ、urα、urβ——定、轉子電壓的α軸和β軸分量；

isα、isβ、irα、irβ——定、轉子電流的M軸和T軸分量；

Rs、 Rr、 Ls、 Lr——定子繞組和轉子繞組的電阻和電感；

Lm——定、轉子繞組間的互感；

Te、TL——電磁轉矩和負載轉矩；

J ——轉動慣量；np——磁極對數；

電壓方程為：

運動方程為：

式中：

在間接磁場定向的矢量控制系統中，根據定子或者轉子磁場定向的要求，采用同步旋轉坐標系，轉差加上轉子轉速即可求得同步角頻率。

矢量控制基本方程式

式3為異步電動機在M-T坐標系上的電壓方程，對于籠型異步電動機，轉子短路時電壓方程化簡為：

根據這個電壓方程可建立矢量控制系統的控制方程式。本文選擇轉子磁場定向方式對異步電動機矢量控制系統的磁場定向即按轉子全磁鏈矢量ψr定向。

因T軸垂直于M軸可知：

從而得出：

轉速、磁鏈閉環矢量控制系統設計

為設計轉子磁場定向的矢量控制系統，需獲得轉子磁鏈信號，圖2為典型的轉速、磁鏈閉環控制系統。

圖1 典型的轉速、磁鏈閉環控制系統

圖2 M-T坐標系下轉子磁鏈觀測器模型

轉子磁鏈觀測器

轉子磁鏈ψr和磁場定向角φs很難直接測量，因此在矢量控制系統一般測量定子中容易測量的物理量，通過轉子磁鏈觀測器計算出ψr和φs。圖3所示即為轉子磁鏈觀測器模型。

基于MRAS的速度辨識系統設計

模型參考自適應辨識算法理論相對比較成熟、辨識的性能高、算法簡單，受電機參數變化時影響較小。本文采用輸出并聯模型參考自適應算法對電機轉速辨識。如圖3所示。

圖3 模型參考自適應結構圖

模型參考自適應速度辨識方法主要包括反電動勢辨識法、轉子磁鏈辨識法及瞬時無功功率辨識法，本文采用的是基于瞬時無功功率模型的速度辨識法。

瞬時無功功率模型的速度辨識

瞬時無功功率的方程式為：

將式（14-15）兩式表示為α，β軸上的分量形式為：

以式（16-17）作為參考模型和可調模型進行速度辨識時，數學方程式過于繁雜，需要對其進行改造。將帶入式（17）且轉變到轉子磁場定向的同步坐標系下，即可獲得新的模型：

則系統的自適應律為：

變參數速度辨識系統設計

基于瞬時無功功率的速度辨識方法消除了定子電阻和純積分環節的影響，辨識精度有較大提高，但是在低速階段估計速度誤差較大。為改善在低速時的估計性能，本文在瞬時無功功率辨識方法基礎上利用變參數 PI 進行速度調節。變參數 PI 調節的重點是如何根據速度值改變kp，ki。

無速度傳感器矢量控制系統的仿真

基于模型參考自適應的矢量控制系統模型

仿真結果及分析

定參數的仿真波形

變參數的仿真波形

仿真結果分析

1）轉速

從圖4.2、4.3可以看出，變參數估計速度跟蹤給定速度的性能明顯好于定參數的性能。變參數速度辨識系統啟動時估計誤差較小，穩定運行時較之定參數系統超調明顯改善。

2）轉矩

變參數的轉矩變化波動略小，兩方法性能基本一致。變參數系統空載轉矩在0N?m附近波動；速度突變時轉矩波動較大，波動時間較短，很快趨于穩定；突加負載時轉矩相對穩定。

A相電流

兩方法的起動電流都較大，但在一般電機允許范圍內。

A相電壓

電壓波形與空間矢量脈寬調制技術相符合，為 PWM波形。

圖4 模型參考自適應的矢量控制系統模型

圖5 定參數仿真波形

圖6 變參數仿真波形

結語

與定參數估計方法相比，變參數的估計方法跟蹤性能良好，超調量有所減少。仿真結果表明，基于MRAS的無速度傳感器轉子磁場定向的矢量控制方案是可行的。

李建華

天地科技股份有限公司李建華（1978-）男，內蒙古人，工學學士，工程師，從事煤礦提升機自動化的研究。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.034