馮高明， 徐 錚

(河南理工大學 電氣工程與自動化學院，河南 焦作 454000)

0 引 言

為了達到高精度的轉速閉環控制及磁場定向的目的,要在電動機軸上安裝速度傳感器[4]。但煤礦井下環境惡劣，使得速度傳感器容易進水、發生碰撞，從而降低系統的可靠性[1～3]。面對這諸多問題需要改善，國內外的許多學者和科技人員展開了無速度傳感器的變頻調速系統研究，目前轉速觀測器的主要方案有：轉差頻率計算法、串聯雙模型轉速觀測器、基于狀態方程的直接綜合法、模型參考自適應(model reference adaptive,MRAS)轉速觀測器、擴展卡爾曼濾波速度觀測方法[5]。

本文旨在研究以變頻調速為控制策略的礦用電機車無速度傳感器矢量控制系統。

1 無速度傳感器的實現方法

無速度傳感器矢量控制的核心技術是如何準確地獲得電機的磁鏈和轉速[6]。而轉速的估算精度又直接受磁鏈估計器的影響，所以,要想獲得高精度的調速性能，必須經過多次實驗獲得電機本體準確的參數，并用這些參數通過算法在程序中得以恰當的體現。本文的實驗中，各物理量均已歸一化處理，無量綱。

1.1 轉子磁鏈觀測器

在轉子磁鏈觀測器的設計過程中，輸入的是兩相靜止電壓和兩相靜止電流，經此模塊，輸出轉子磁通和磁通角，來完成磁鏈觀測的作用[7]。從電機的數學模型出發，可以知道電機在兩相靜止坐標系上的電壓矩陣方程為

(1)

提取此矩陣的前兩行可以得到

usα=(Rs+Lsdp)isα+Lmdpisα

(2)

usβ=(Rs+Lsdp)isβ+Lmdpisβ

(3)

轉子磁鏈在兩相靜止坐標系下的分量為

ψd=Lrdisα+Lmdisβ

(4)

ψq=Lrdisβ+Lmdisα

(5)

將式(2)、式(3)分別代入式(4)、式(5)并消去isα,isβ得

(6)

(7)

圖1 兩相靜止坐系下的磁鏈

1.2 速度觀測器

速度觀測器的研究是建立在磁鏈觀測器的基礎之上的，要想輸出估計電機的轉速，首先需要知道轉子磁通Ψd，Ψq,根據這兩個值可以計算出磁鏈的幅值及轉子磁通角θ分別為[8]

(8)

(9)

通過計算,得出估計的磁通角θ如圖2所示。

圖2 轉子磁通角

計算出了磁通角，那么轉子電角速度為

(10)

進而得到

(11)

將此計算結果送入到轉速觀測器中去以完成下一環節的任務。

轉子磁鏈運動方程可概括為

(12)

(13)

式中τr為電機時間常數。

將式(12)、式(13)代入式(11)中，可以得到估計的轉速為

(14)

至此,無速度傳感器的基本架構得以構建出來,本節只是介紹無速度傳感器的基本原理,下面講述將無速度傳感器應用到礦用電機車系統中的過程,在系統初步建立后,通過實驗來測試整個系統的性能,以驗證能否達到高精度調速的目的。

2 礦用電機車無速度傳感器矢量控制系統設計

通常的變頻調速系統采用交—直—交方式，而本系統礦用電機車用蓄電池電源供電，所以采用直—交的方式[9]。系統整體結構如圖3所示。取出三相電壓uA,uB,uC和三相電流iA,iB,iC。通過clark變換(3Φ/2Φ變換)求出靜止軸系中的兩相電壓usα,usβ及兩相電流isα,isβ。將它們送入磁鏈估計器，經磁鏈估計器得到轉子磁通Ψd和Ψq并送入速度估計器中，最后得到估計的轉速反饋給PI調節器，形成了轉速閉環環節[10]。無速度傳感器的功能由此產生。

圖3 無速度傳感器矢量控制系統整體框圖

2.1 硬件部分

對于任何速度推算器的推算精度和計算的快速性，要達到應用水平均須采用高速微處理器才能實現[11]。本系統中所使用的控制芯片為TMS320F28335 DSP(該芯片是由TI公司所研發的)具有估算磁鏈位置，控制矢量等作用[12]。硬件電路包括主電路、控制電路、電流電壓檢測電路、電源電路和IPM驅動電路。

實驗針對一臺型號為YP—50—1.1—4的兩極異步電機進行研究，該電機的額定功率、額定電壓、額定電流、額定頻率分別為1.1 kW，220 V，5.2 A，50 Hz，其額定轉速為1 400轉/min。定子電阻和轉子電阻分別為6.808，5.632 Ω，互感(勵磁電感)為541.8 mH，定子漏感和轉子漏感分別為22.69,30.07 mH。

2.2 軟件部分

無速度傳感器實現的重點是軟件部分算法的設計。結合硬件部分，本系統開發了CCS工作環境，利用CCS 3.3編寫程序之后，依托硬件仿真器調試、仿真編寫軟件并編譯形成目標代碼。最后向開發板TMS320F28335燒寫所開發的程序。DSP在這一過程中充當控制系統的關鍵部位，需要進行中斷服務子程序、主程序等在內的軟件設計，其中，主程序具有初始化變量、賦予各個軟件控制器初值、在整個運行過程中將地址分配給各變量并設置初值的作用。

3 實驗結果與分析

針對實驗室一臺感應電機進行實驗，電機一側裝有光電編碼器，是為了測得電機的實際轉速，并與估計速度作比較，很容易得出無速度傳感器性能的優劣，機組如圖4所示。實驗測得了電機實際轉速和估計轉速的波形(圖5)，通過數據光標描點可以顯示出波形曲線上某點的縱橫坐標，對比可知，在0.2 s時，實際轉速為0.461 5，估計轉速為0.457 8；在0.283 5 s時，實際轉速為0.479 8，估計轉速為0.480 9；在0.422 5 s時，實際轉速為0.491 5，估計轉速為0.491 2。通過這三組數據說明電機處于穩態時，速度估計器計算出來的結果誤差不超過0.80 %，由此可以得出無速度傳感器的設計達到比較高的精度。

圖4 實驗所用電機

圖5 轉速響應曲線

圖6 兩相電流和兩相電壓

通過霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器測得的三相電壓和電流，經過clark變換后，得到兩相電壓和兩相電流，由于此時仍是在靜止坐標系下的電壓和電流，所以電流仍是交流電，如圖6(a)所示，兩相電壓的波形如圖6(b)所示。 至此，通過實驗得到了無速度傳感器模塊比較理想的波形。礦用電機車在實際運行時，要想獲得更好的調速性能，通常采用閉環，本文用無速度傳感器獲得的速度作為速度環，與電流閉環構成雙閉環調速系統。礦用電機車在實際運行時，常常要裝卸貨物，為此進行了負載實驗，通過CCS中View功能將變量SpeedRpm以波形圖的形式展示出來，實驗結果如圖7所示，實驗開始時，給定電機的轉速為750 r/min，可以看出，電機很快達到了給定的轉速，跟隨迅速，超調量比較小。當進行到第5 s時，給電機加以8.3 N·m的負載，通過觀察得知，當電機加以負載時其轉速波動很小，基本保持不變，由此可以得出結論，本系統所設計的礦用電機車無速度傳感器矢量控制系統在閉環時性能良好，能夠達到高精度調速的要求。

圖7 有負載時的轉速

4 結束語

礦用電機車在礦井下運輸貨物，其工作環境比較惡劣，在這種情況下不適宜加裝光電編碼器或測速發電機，且容易損壞，成本較高。本文針對交流電機矢量控制系統傳統的測速方法，將其改進為礦用電機車無速度傳感器矢量控制系統，實驗表明其控制性能良好，也為交流電機調速領域提供了借鑒和理論參考。