帶式輸送機低速大轉矩直驅滾筒控制方案

祝龍記， 馬永旺， 王淑瑩

(安徽理工大學 電信學院， 安徽 淮南 232001)

0 引言

帶式輸送機是廣泛應用于煤礦、電廠、碼頭等行業的連續運輸機械[1-2]。帶式輸送機的傳動系統主要通過異步電動機配合減速器和液力偶合器等來驅動主滾筒。這種驅動方式雖然可以實現低速大轉矩輸出，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大轉矩輸出，與異步電動機相比，PMSM有著比較明顯的性能優勢。PMSM有內轉子和外轉子結構之分[5]。外轉子PMSM是將永磁電動機的轉子嵌套在定子外圍，轉子內側表貼多極永磁體，設計成多極電動機，因為電動機極數越多，越容易實現低速運行[6]。帶式輸送機的主滾筒直接嵌套在永磁電動機的外轉子上，組成帶式輸送機直驅型滾筒[7]。這種結構可以簡化傳動機構，提高傳動效率和可靠性[8]，同時，由于外轉子直徑大，增大了剎車半徑，減小了剎車力，從而可提高剎車可靠性。

PMSM調速控制方式主要有直接轉矩控制和矢量控制2種。因為帶式輸送機直驅滾筒的運行速度在低速范圍內，直接轉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矩的帶式輸送機控制[9-10]。矢量控制將三相定子電流轉換為兩相dq旋轉坐標系電流，然后對dq軸電流分別進行控制，其中直軸電流id=0控制方法結構相對簡單[11]。帶式輸送機啟動時間較長，穩態速度偏低，帶載啟動轉矩大，要求電動機在一定的定子電流幅值下輸出盡量大的轉矩。因外轉子PMSM為表貼式磁極，采用id=0矢量控制方法能夠提高轉矩與電流的比值[12]，比較適用于帶式輸送機直驅滾筒的控制。

在直驅滾筒PMSM的矢量控制系統中，由于帶式輸送機工作環境惡劣，轉子位置和速度參數的測量不適宜通過安裝外部位置傳感器的方式獲得。為簡化系統的硬件結構，增加可靠性，直驅滾筒PMSM更適合采用無傳感器的估算方法來獲取轉子位置角和速度參數。目前應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態誤差不受濾波器影響，其注入信號與電動機運行狀態無關，位置估算也不受電動機參數變化的影響[15-16]，因此，直驅滾筒低速狀態下轉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子PMSM的帶式輸送機直驅滾筒控制方案，在低速大轉矩情況下，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子位置及速度，實現了帶式輸送機直驅滾筒的低速大轉矩控制。

1 外轉子PMSM矢量控制

外轉子PMSM的定子齒槽內裝有三相繞組，轉子內側表貼有永磁體。定子鐵芯和通以三相交流電流的三相繞組構成定子旋轉磁場，轉子永磁體構成轉子磁場，定子磁場吸引著轉子磁場同步旋轉。

帶式輸送機直驅滾筒要求在低速時轉動脈動小、運行平穩，要具有更好的低速特性，應使PMSM在一定的定子電流下輸出盡量大的電磁轉矩。較好的控制方法是通過轉子磁鏈定向和旋轉坐標變換，使得轉子永磁體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產生電磁轉矩。矢量控制坐標如圖1所示，其中ωr為轉子旋轉角速度，θr為轉子的位置角。對于表貼式結構的轉子，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同步旋轉坐標系下，PMSM的定子電壓、定子磁鏈、電磁轉矩方程分別為

(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為電磁轉矩；p為永磁體極對數。

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

Te=1.5pψrfiq

(4)

直驅滾筒的運動方程為

(5)

式中：TL為負載轉矩；B為阻尼系統；J為轉動慣量。

從式(4)可看出，ψrf固定不變，電磁轉矩Te只和iq線性相關，只要改變iq的大小就可以調節電磁轉矩的大小。控制id=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結構如圖2所示。

圖2 PMSM無傳感器矢量控制系統結構Fig.2 Structure of PMSM sensorless vector control system

2 無傳感器轉子位置和速度檢測

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

圖3 dq坐標與坐標之間的關系Fig.3 The relationship between dq and axis

(6)

式中ψdh,ψqh是由定子高頻電流產生的高頻磁鏈，和轉子磁鏈無關，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，結合式(8)可得

(9)

(10)

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

(11)

(12)

(13)

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

(14)

(15)

轉子位置估計誤差信息f(Δθ)為

(16)

圖4 轉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 轉子位置估計結構Fig.5 Structure of rotor position estimation

在直驅滾筒的矢量控制系統中(圖2)，高頻電壓注入信號HF_inj是在轉子dq旋轉坐標系下注入的。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信號并進行計算處理，獲得轉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速，實現PMSM低速運行時的無傳感器控制。

3 實驗分析

帶式輸送機直驅滾筒調速實驗裝置由直驅滾筒(外轉子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，當逆變器輸出三相交流電給PMSM時，其外轉子的直驅滾筒旋轉，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電機作為直驅滾筒的模擬負載，當調節發電機的輸出功率時，相當于改變直驅滾筒的負載大小，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參數見表1。由表1可知，PMSM極對數為20，額定轉速為90 r/min，最高工作頻率為30 Hz。

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

表1 PMSM參數Table 1 Parameters of PMSM

3.1 穩態特性測試

為了測試電動機的穩態工作狀態，設變頻器輸出電壓頻率為20 Hz，測量定子側的兩相電壓/電流，結果如圖7所示。電壓波形為經SVPWM調制的六拍階梯波，電流波形接近標準的20 Hz正弦波。

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

(a) 兩相電壓

(b) 兩相電流

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

3.2 啟動特性測試

設定帶式輸送機直驅滾筒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時到達額定轉速90 r/min。

轉速設定值n*和轉速實測值nr的對比如圖8所示。與設定值相比，轉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，屬于正常現象。

(a) 轉速設定值

(b) 轉速實測值

3.3 負載特性測試

帶式輸送機直驅滾筒變頻調速系統運行過程中，負載突然增加會造成電動機轉速下降，定子電流急增，如果電動機的電磁轉矩響應過慢，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速nr、A相電流ia及電磁轉矩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，負載轉矩為0；1.5～1.8 s，設置負載轉矩為590 N·m；1.8～2.0 s，負載轉矩增加到792 N·m；2.0 s后，負載轉矩恢復為590 N·m。在負載轉矩增加期間，定子電流也隨之增大，電動機轉速略有下降，但很快恢復到正常轉速30 r/min。從圖9(b)可看出,突減負載時，在1.5 s之前，負載轉矩為0；1.5～1.8 s，負載轉矩為792 N·m；1.8～2.0 s，負載轉矩突減到460 N·m；2.0 s后，負載轉矩恢復為792 N·m。在負載轉矩減少期間，定子電流也隨之減小，電動機轉速略有抬升，但很快恢復到正常轉速。測試結果表明，調速系統對負載突變的響應速度較快，抗擾能力較強。

4 結論

(1) 提出用直驅滾筒外轉子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動傳動方案。針對低速運行時反電動勢小、轉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子位置及速度。

(2) 穩態特性測試結果表明，同一頻率下，實測轉速和估算轉速的誤差較小，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果表明，直驅滾筒變頻調速系統具有良好的低速啟動調速性能和帶負載能力，能較好地滿足帶式輸送機直驅滾筒的啟動調速要求，具有良好的應用前景。