無速度傳感器在礦用電機車矢量控制系統中的應用

2012-08-28 07:08:02陳名輝徐立波

電機與控制應用 2012年2期

關鍵詞：模型

陳名輝，阮毅，宗劍，徐立波，柳巍

(1．上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072;2．上海應用技術學院，上海 201418)

0 引言

直流電機體積大、維護困難、運行成本高、電刷易產生電火花，不利于防爆。牽引電機中，異步電機已逐步代替直流電機，成為主要的軌道牽引用電機。選擇矢量控制作為控制方法可獲得較好的交流調速性能。

礦用電機車通常工作在比較惡劣的環境中［1-2］。供電系統穩定性差;軌道高低不平，機車需要頻繁起動、制動、加速、減速，并要適應上、下坡和顛簸路況，震動強烈;電磁干擾嚴重。因此，為獲得較好的控制性能，應針對實際的工況要求對傳統的矢量控制系統進行改進。速度傳感器存在測速精度受安裝精確度影響、維護困難以及受工作環境影響等問題，故采用無速度傳感器。

無速度傳感器矢量控制需要準確估算轉速和磁鏈信息。傳統的電壓模型在低速時，由于定子電阻壓降作用明顯，測量誤差淹沒了反電動勢，使得觀測精度較低。傳統的電流模型由于電機運行導致轉子溫度上升或磁路飽和，轉子時間常數變化較大，影響其磁鏈觀測精度，高速時不適用。因此，僅采用電壓模型或電流模型難以滿足寬速度范圍的轉速估算精度要求。為解決此問題，模型參考自適應法提供了一個很好的思路。

本文首先對系統中的基于模型參考自適應(Model Reference Adaptive System，MRAS)轉速估算環節進行分析研究，然后采用改進型電壓模型對系統進行改進，在此基礎上搭建了一套基于MATLAB/Simulink的電機控制仿真系統，進行了MRAS轉速估算的仿真。仿真結果表明該方法能夠準確估算轉子磁鏈與轉子轉速，系統運行良好。

1 基于MRAS的轉速估算方法

1．1MRAS 原理

MRAS的主要思想是將不含未知參數的方程作為參考模型，將含有待辨識參數的方程作為可調模型，利用兩個模型具有相同物理意義的輸出量的誤差構成合適的自適應律，來實時調節可調模型待辨識的參數，最終達到控制對象的輸出跟隨參考模型的目的。MRAS是一種基于穩定性設計的參數辨識方法，通過選取合適的自適應律，可保證參數辨識的漸進收斂［3］。

1．2 參考模型的選擇

MRAS采用兩種結構不同，輸入變量也不同的模型，其中以不包含待辨識電機轉速的模型作為參考模型，以包含待辨識電機轉速的模型作為可調模型。

電壓模型方程為式中:ψrα，ψrβ——分別為兩相轉子磁鏈，其中下

標u表示電壓模型;

Lr——轉子電感;

Lm——互感;

usα，usβ——分別為兩相定子電壓;isα，isβ——分別為兩相定子電流;Rs——定子電阻;

Ls——定子電感;

1．3 可調模型的選擇

電流模型方程為

式中:下標i——電流模型;

p——微分算子;

Tr——轉子時間常數，Tr=Lr/Rr;

電流模型中含有轉速項，所以選擇電流模型作為可調模型。

1．4 自適應律

電壓模型和電流模型的輸出都是轉子磁鏈的兩個分量ψrα和 ψrβ。選擇合適的自適應律，可以提高系統穩定性和估算轉速精度。

根據Popov超穩定理論，按MRAS參數的結構，速度估算子模塊將估算轉速取為比例積分形式。自適應律為

MRAS系統結構如圖1所示。

圖1 MRAS系統結構

2 改進型電壓模型

從式(1)、式(2)可看出，電壓模型中存在純積分環節，實際計算中，存在兩個問題:第一是積分初值問題，因為只有ψr從零相位開始積分才能使輸出值正確，否則一直包含一個初始直流分量;第二是直流漂移導致積分溢出，實際應用中因為傳感器誤差引起的電壓電流檢測偏差，直流偏置及積分漂移現象，在長時間積分后導致純積分環節的溢出，使得估算磁鏈不準，造成矢量控制的性能變差。

為克服上述問題，采用增加一個高通濾波器環節以消除影響。估算環節傳遞函數為

式中:x——系統輸入;

y——系統輸出;

ωc——截止頻率。

由傳遞函數可知，純積分與一階高通濾波器的組合可等效為一階慣性環節。

由于一階慣性環節的引入會使得磁鏈幅值衰減并使相位滯后。當運行頻率等于一階慣性環節的截止頻率時，磁鏈觀測幅值約為實際的1/，相位滯后實際值π/4，如果不進行有效補償，將導致磁場定向位置不準確，使得矢量控制解耦不完全，所以需要進行有效補償。轉子磁鏈補償參考值可使用電流模型的磁鏈輸出值［4］，也可使用電壓模型輸出經過飽和限幅后的值作為磁鏈參考補償［5］，本系統中采用的改進型的電壓模型如圖2所示。

圖2 改進型電壓模型結構框圖

該方法是通過引入定子電流d軸分量，與互感Lm相乘，得到參考值ψ*r，通過低通濾波器補償磁鏈幅值與相位。該方法更簡單，易于實現，有較好的效果。由式(7)可知，假設磁鏈初始值ψr=，則誤差為零;當初始值 ψr≠ψ*r，存在積分漂移時，改進型的電壓模型開始引起ψ^動態收

r斂，收斂速度取決于濾波時間常數Tr。由于受電流、溫度、頻率等變化引起的電阻變化導致的估算誤差，可通過選擇適當的Tr來加以削弱，能有效抑制積分漂移，得到比較準確的ψr。

3 無速度傳感器矢量控制系統的設計

無速度傳感器矢量控制系統的結構如圖3所示，由坐標變換模塊、MRAS模塊、PI調節器和SVPWM模塊等組成。通過檢測的電子電壓、電流經過3s/2s變換得到αβ坐標系下的定子電壓usα、usβ和電流isα、isβ，將這些量輸入到 MRAS 轉速估算模塊與改進型電壓模型磁鏈觀測模塊得到轉速估算值^ωr與磁鏈角φ，分別反饋到轉速比較環節，以及用于逆旋轉變換的磁鏈角定向。

圖3 無速度傳感器矢量控制系統框圖

4 仿真結果及分析

為驗證上述速度估算法的正確性及方案的可行性，在MATLAB/Simulink下建立了無傳感器矢量控制仿真系統，并進行仿真。仿真中采用的異步電機的額定參數如下:PN=4 kW、fN=50 Hz、np=2、UN=400 V、Rs=1.405 Ω、Rr=1.395 Ω、Lm=0.245 H、Ls=Lr=0.012 H、J=0.013 1 kg·m2。

仿真過程中采用定步長的接法求解，仿真算法 ode32tb。仿真時空載起動，在系統運行到t=0.2 s時，突加一個階躍負載轉矩，大小為10 N·m。仿真結果如圖4、圖5所示。