礦用帶式輸送機用永磁同步電機控制器研究

吳 康,楊京東,李大偉

(山西大同大學 煤炭工程學院, 山西 大同 037003)

近年來,我國能源呈現多元化的發展趨勢,但煤炭仍占據主要地位,2022年全年能源消費總量中,煤炭消費量占56.2%,煤炭的生產效率不得不大幅度提高[1]. 礦用帶式輸送機因其遠距離、持續性的優良特點,被廣泛應用于采礦、冶金等大規模散裝物料的采集運輸中。作為原煤運輸系統的生命線,其設備工作的穩定性和高效性尤其重要,在運行過程中一旦發生故障,不僅造成經濟損失,甚至導致人員傷亡等事故。為此,有一套高效率、低能耗、持續性的驅動裝置對于礦用帶式輸送機的穩定運行至關重要[2].

傳統的異步電機依賴電網提供無功電流來建立旋轉磁場,導致設備運行中系統的損耗相對較高,工作效率因數低[3].同時,后期設備機械裝置維護困難且維修費用高。相較于傳統的驅動裝置,永磁同步電機采用內置永磁體勵磁,不僅機身體積小、能量密度大,而且能在高負載率的情況下,不斷提供較高的傳動效率,同時功率因數也得到了極大地改善[4].起初,在永磁同步電機驅動系統中依靠機械式傳感器對其轉速、轉子位置進行觀測。但在煤礦井下惡劣的運行環境中,運用機械式傳感器不能靈敏地進行觀測,縮短了電機的使用壽命。為了盡可能地解決機械式位置傳感器的缺點,理論推導發現在電機運行過程中,通過分析電壓和電流參數便可推斷出轉子的位置和轉速信息[5].

針對機械式傳感器的弊端,基于脈振高頻注入法,分析了信號激勵下的PMSM數學模型,并設計了合理的轉子位置信息提取方法,最后對傳統的Luenberger狀態觀測器增加積分項以提高系統穩定性,最后在MATLAB仿真軟件中進行了驗證。

1 永磁同步電機的數學模型

三相PMSM是一個復雜的非線性系統,為了簡化電機數學模型的建立過程,作出以下假設:電機鐵芯的磁飽和不被考慮;不考慮電機的渦流損耗;不考慮電機的磁損耗并且沒有阻尼繞組。在Ld=Lq的情況下開展研究。

同步旋轉坐標系下,礦用永磁同步電機的數學模型:

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:ud、uq、id、iq為d-q軸電壓和電流分量;R、Ld、Lq、Ψf為定子繞組電阻、d-q軸電感和永磁體磁鏈;Ψd、Ψq為d-q軸電磁分量;Te為電磁轉矩;TL為負載轉矩;ωe、ωm為定子角速度和機械角速度。

2 脈振高頻注入法

目前,對于PMSM的全速域無速度傳感器,尚無一種統一的方法實現全速范圍的控制,多是劃分為低速和中高速兩種工況。目前,對中高速工況的研究較為成熟,通常采用滑膜觀測器、MRAS(模型參考自適應)等,電機的運行信息可以從基波信號中獲取。但在低速工況下,以上方法可利用的電壓和電流信號較小,計算量較大且易發生誤差,不容易獲得轉子位置和轉速信息。針對此類問題,利用脈振高頻信號注入法對帶式輸送機PMSM進行轉子信息的提取,達到速度高性能控制的目的。

脈振高頻注入法在電機零低速時具有較強的魯棒性,注入的信號可以是旋轉的,也可以是脈振的,但其原理均是把某一高頻電流或電壓信號,施加到基波模型的信號中,最后一同輸入到電機的三相繞組里。本文主要利用脈振高頻注入法對帶式永磁同步電機實現高性能的控制。

2.1 PMSM在高頻信號下的數學模型

由于注入的電壓頻率非常高,在高頻激勵的情況下,可將高頻注入下的PMSM視為R-L負載。

(5)

(6)

則在轉子同步旋轉坐標系中,高頻電流和電壓之間關系為:

(7)

將(7)式用平均電感和電感差值的一半表示,則可寫為:

(8)

當高頻余弦信號Umhcos(ωht)從輸入端注入到d軸中時,便得到了同步旋轉坐標系下的高頻電壓和電流方程:

(9)

由于電壓方程組的電阻遠小于電抗,因此在計算過程中可以將定子電阻忽略不計,最后聯立上式可得到在旋轉坐標系下的高頻電流:

(10)

通過上式可以看出,如果d軸和q軸電感不同時,高頻電流分量都與轉子估計誤差角Δθ有關;假設Δθ為零時,q軸的電流分流為零。所以脈振高頻注入法通常是從PMSM輸出端的q軸提取轉子的位置和轉速信息。因此需要算得q軸的電流響應分量:

(11)

2.2 轉子位置估計

轉子信息提取的實現過程見圖1,通常是通過帶通濾波器(BPF),提取所需要的固定頻段內的電流信號;利用乘法器對此電流信號解調制,即通過數學運算處理輸出的信號;通過低頻濾波器(LPF)提取位置估算器所需的輸入信號;經過位置估算器輸出位置和速度信息。即:

圖1 脈振高頻電壓注入法轉子信息提取的實現過程圖

(12)

2.3 改進的龍貝格狀態觀測器設計

對于傳統的Luenberger狀態觀測器,因其使用方便,選用常數作為反饋系數,使得轉速改變時,觀測器極易受到電機轉速的影響,系統的性能顯著降低。在不斷的實驗過程中,發現當在觀測器系統中加入一個積分項時,轉速輸出的波形會更加平穩,震蕩也比較少,系統性能有明顯提高。改進的Luenberger狀態觀測器結構框圖見圖2,其中Ki是為了提高系統穩定性而增加的。

圖2 改進的Luenberger狀態觀測器結構圖

由圖2可得出新的Luenberger狀態觀測器的估計精度表達式:

(13)

3 仿真與實驗

3.1 實驗模型與數據

為了分析以上理論過程,對礦用帶式輸送機在零低速階段的現場運行工況進行模擬,并設計出矢量控制系統原理圖,見圖3. 電機參數見表1,且電機的仿真參數與實驗參數相同。

表1 電機參數表

圖3 高頻注入法矢量控制系統圖

3.2 仿真分析

工況一:實際預設轉速值100 r/min,時間設置為2 s,經過系統模擬運行,結果見圖4.

圖4 工況條件一下的仿真波形圖

帶式輸送機在啟動0.05 s后達到轉速峰值(4(a));帶式輸送機轉速的實際轉速與估計轉速基本重合(圖4(b));電機初始啟動時,電流突然增加到15 A,但在0.05 s后,電流趨于平穩的狀態(4(c));初始時刻,d軸電流和q軸電流增大,在0.1 s后一直趨于穩定(圖4(d)).

工況二:實際預設轉速值100 r/min,時間設置為2 s,但在啟動1 s后將轉速突變為200 r/min,經過系統模擬運行,結果見圖5.

由圖5(a)可以看出,帶式輸送機初始啟動0.05 s后達到峰值107 r/min,隨后快速下降到預設值,并在1 s時,轉速突變為200 r/min;由圖5(b)可知實際轉速和估計轉速的曲線基本重合;圖5(c)所示,電機在初始啟動時,電流突增到峰值14 A,經過0.05 s,電流恢復正常;由于1 s時,轉速突變為200 r/min電流發生劇烈波動,但立即趨于平穩。圖5(d)所示為帶式輸送機PMSM的d軸電流和q軸電流波形,當轉速突變為200 r/min時,q軸電流產生14 A的波動,而d軸電流無波動。

通過仿真實驗可以看出,當帶式輸送機的轉速突然發生變化時,實際轉速和估計轉速基本重合,在1 s初會有超調但最后可以穩定下來;說明輸出電流和輸出轉矩能夠很快響應負載轉矩的變化。

4 結 語

為了滿足帶式輸送機PMSM高性能的要求,在矢量控制的基礎上,基于脈振高頻注入法,設計了新的PMSM數學模型,并搭建了新的Luenberger狀態觀測器。最后在MATLAB中建立帶式輸送機脈振高頻注入法的整體仿真,結果表明該方法能夠減小信號的誤差,具有良好的魯棒性和穩態特性。