礦山機車(chē)無(wú)速度傳感器矢量控制系統
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現代軌道牽引中，異步電機已經(jīng)逐步代替直流電機而成為主要的軌道牽引用電機種類(lèi)。為了得到較好的交流調速性能，矢量控制是一種較為理想的控制方法。對于礦山機車(chē)牽引系統，為獲得較好的控制性能，應針對礦山機車(chē)的工作特點(diǎn)對傳統的矢量控制系統進(jìn)行改進(jìn)。機車(chē)運行條件惡劣，震動(dòng)強烈且工作環(huán)境灰塵多，這些條件對速度傳感器會(huì )有很大的危害。所以機車(chē)在某些情況下不能使用速度傳感器，在系統設計時(shí)要考慮實(shí)現無(wú)速度傳感器運行，利用電壓電流等電量信息估算出電機轉速。此外在很多情況下要求機車(chē)電機在大于額定轉速工作時(shí)仍然有足夠的轉矩輸出。所以系統在設計時(shí)必須設計合適的弱磁控制算法，以保證電機在額定轉速以上的正常工作。
本文首先針對礦山機車(chē)的工作特點(diǎn)，設計了相應的礦山機車(chē)矢量控制系統，然后對系統中的基于模型參考自適應（MRAS）方法轉速估算環(huán)節進(jìn)行了分析研究，此后重點(diǎn)對系統的弱磁環(huán)節進(jìn)行了分析研究，比較分析了傳統弱磁控制策略和考慮電機電壓電流約束的優(yōu)化弱磁控制策略。設計并制作了一套基于TMS320F2812控制器的電機控制系統，在此系統上完成了基于MRAS方法轉速估算環(huán)節和弱磁環(huán)節的實(shí)驗驗證。
2.矢量控制原理及系統設計
異步電機本質(zhì)上是一個(gè)高階、非線(xiàn)性、強耦合的多變量系統，由于電機內部各個(gè)量的耦合性的存在，直接控制電機的三相輸入電壓電流的方法得到的結果并不令人滿(mǎn)意。經(jīng)過(guò)合適的坐標變換，電機內部電流將會(huì )得到解耦，電機的模型將被大大簡(jiǎn)化。在常用的磁場(chǎng)定向矢量控制系統中，一般使d-q坐標系中的d軸與轉子磁場(chǎng)方向重合，此時(shí)轉子磁通q軸分量為零，在此坐標系內電機模型如下：
由轉矩方程可知，此種坐標系的選擇方法可以實(shí)現電流解耦，從而對轉矩和勵磁電流分別控制，獲得較好的控制性能。
由上面矢量控制的原理可知，異步電機的矢量控制系統就是先對實(shí)際電機的三相坐標系下的物理量進(jìn)行變換，在變換后的坐標系下對電機的磁鏈和轉矩分別控制，確定控制給定量，然后再經(jīng)過(guò)反變換變換至實(shí)際三相坐標系系統對電機進(jìn)行控制的過(guò)程。針對前面所提到的礦山機車(chē)牽引電機的工作特點(diǎn)，應該在傳統的矢量控制中加入轉速估算和弱磁控制環(huán)節。綜合考慮礦山機車(chē)系統的特殊要求本系統結構框圖如圖1所示。
3.基于模型參考自適應（MRAS）方法的轉速估算
無(wú)速度傳感器矢量控制需要準確的估算磁鏈和轉速信息。傳統的電壓模型法、電流模型法等開(kāi)環(huán)磁鏈觀(guān)測方法都存在著(zhù)觀(guān)測精度和穩定性不足的問(wèn)題，而且這些觀(guān)測器僅能估算出磁鏈信息，對于轉速信息則需要其他估算方法，系統較為復雜。為解決此問(wèn)題，模型參考自適應（MRAS）方法提供了一個(gè)很好的思路，通過(guò)選擇合適的參考模型和參數可調模型，可以同時(shí)觀(guān)測出電機的轉速和磁鏈信息。
對于矢量控制系統，根據兩相靜止坐標系下異步電機的數學(xué)模型可以得到兩種形式的磁鏈估算模型：
電壓模型
可見(jiàn)兩個(gè)模型的輸出均為電機磁鏈，由于在電壓模型中沒(méi)有轉速項，所以可以選用電壓模型作為參考模型。電流模型作為參數可調模型，轉速作為可調參數，根據Popov超穩定性理論，選取誤差量為
選取比例積分自適應率，即可求得角速度，辨識公式為：
這樣利用模型參考自適應方法就可以同時(shí)獲得電機的磁鏈和轉速信息，一定程度上簡(jiǎn)化了系統的結構。MRAS是基于觀(guān)測器的穩定性設計的辨識方法，它保證了參數估計的漸進(jìn)收斂性。由于MRAS的觀(guān)測器是以參考模型為基準的，參考模型本身的參數準確程度直接影響到速度和磁鏈辨識的精度。為消除電壓模型中純積分的影響，可以對電壓模型進(jìn)行改進(jìn)：利用一階慣性環(huán)節代替對反電動(dòng)勢的純積分環(huán)節，慣性環(huán)節所引進(jìn)的狀態(tài)估計相位滯后由參考轉子磁鏈的濾波信號來(lái)補償。本系統中所采用的改進(jìn)的電壓模型如圖2所示：
改進(jìn)后的模型仍然存在低速時(shí)估算精度較低的問(wèn)題，在礦山機車(chē)牽引系統中低速工作情況較少，所以此模型適用于機車(chē)牽引電機控制系統。
4.弱磁控制
在實(shí)際系統運行過(guò)程中，磁場(chǎng)電流和轉矩電流不能任意給定，必須考慮各種約束條件以保證電機的正常運行，避免過(guò)熱過(guò)流及運行不穩定等問(wèn)題。系統中逆變器的輸出電壓存在極值，在SVPWM調制策略下，其輸出的最大相電壓幅值為，其中為直流母線(xiàn)電壓。逆變器的輸出電流以及電機所能承受的電流也是有限的，存在最大輸出電流限制?？刂茣r(shí)應保證電壓限制，電流限制，由矢量控制原理可以推得穩態(tài)下電壓關(guān)系，其中為同步轉速，為電機瞬態(tài)電感，分別為電機的定子、轉子以及勵磁電感?？梢?jiàn)在忽略電阻壓降時(shí)，電機的端電壓近似正比于磁鏈和速度之積。當電機的轉速大于電機的額定轉速時(shí)，若保持磁鏈為額定磁鏈不變而提升電機轉速，會(huì )導致最大轉矩電流減小，影響電機的轉矩輸出能力，為了避免這種情況最直接的方法就是再增加轉速的同時(shí)削弱電機內部磁場(chǎng)強度，降低勵磁電流從而控制電機的端電壓維持在額定值。
基本弱磁控制
由于在電壓約束表達式中，所以在轉速超過(guò)額定轉速后令，其中為額定同步轉速，為當前電機同步轉速，為額定勵磁電流。這樣可以保證維持電流所需的電壓基本恒定，不會(huì )隨轉速升高而明顯上升。為了方便工程實(shí)現，常用電機的轉子速度代替。由于電機轉矩與乘積成正比。此時(shí)隨著(zhù)轉速的上升，電機的輸出轉矩會(huì )隨速度的反比降低，電機的輸出功率恒定，這就是基本弱磁控制。此種控制方法下，電機的轉矩和功率輸出如圖3所示。
此種方法不受電機參數的影響，便于工程實(shí)現，但是沒(méi)有考慮全部電機運行約束的限制，無(wú)法合理分配電流以使轉矩最大化，而且由于電機內部，所以此算法無(wú)法保持勵磁電壓恒定，勵磁電壓會(huì )隨著(zhù)轉速的上升而不斷增大，可能導致電流無(wú)法有效跟隨，影響運行穩定性。
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