基于交互式MRAS的礦山電機車無速度傳感器技術研究

張國華

摘 要：因礦山環境惡劣，礦山電機車速度傳感器經常損壞，可靠性低。本文提出基于交互式模型參考自適應系統（交互式MRAS）礦山電機車速度辨識方法，利用系統參考模型與可調模型偏差計算轉速和定子電阻。結合異步電動機矢量控制系統分析，證明該方案具有速度快、精度高等特點。

關鍵詞：無速度傳感器；礦山電機車；交互式MRAS

中圖分類號：TM343 文獻標識碼：A

交流異步電機已成為礦山運輸主要設備，礦山機車交流傳動系統需轉速閉環控制。無速度傳感器技術可降低成本，縮小電機體積，降低事故率，適合礦山等不利于安裝速度傳感器的環境。礦山電機車無速度傳感器技術應用少見，少數成果雖已得到應用，但仍有精度低，誤差大等缺點。無速度傳感器技術有三條思路：①開環計算轉速；②閉環構造轉速；③利用電動機結構特征提取轉速信號。常用方法有直接計算法、模型參考自適應法（MRAS）、卡爾曼濾波法等。本文利用交互式MRAS理論實現定子電阻準確辨識，以降低定子電阻變化對轉子磁鏈和轉速估計精度的影響，實現轉速準確估計。該法結構簡單，對電機參數變化魯棒性強。

1 異步電機數學模型

在兩相靜止α-β坐標系下，交流異步電機定、轉子電壓平衡方程如下：

交流異步電機定、轉子磁鏈方程如下：

2 交互式MRAS系統

考慮礦山環境，電機車適合采用無速度傳感器技術。本文采用結構簡單的交互式MRAS法，并增加電機定子電阻辨識，以增強系統對電機參數變化的魯棒性。

圖1為交互式MRAS原理圖，系統輸入是電機定子重構電壓和定子電流實際值的α、β軸分量，輸出量是電機定子電阻和轉速估計值。

2.1 定子電壓重構

無速度傳感器技術在進行電機磁鏈和轉速估計時，需測量定子電壓電流。因定子電壓多為PWM波，需對電壓進行濾波。一種比較實用的方法是利用直流母線電壓和PWM開關函數重構定子電壓。逆變器在一個開關周期內輸出電壓重構公式如下：

其中，uan、ubn、ucn為定子相電壓，Vdc為直流母線電壓，s1、s2、s3、為開關器件在一個開關周期內的給定瞬時相電壓占空比。

2.2 轉速和定子電阻辨識

基于轉子磁鏈模型MRAS法有三方面問題：①低速時精度低。因礦山電機車較少工作于低速范圍，這點不作重點考慮。②轉子磁鏈電壓中含有的定子電阻受繞組溫度和集膚效應影響會發生較大變化，影響磁鏈觀測精度。準確定子電阻辨識可解決此問題。③電壓轉子磁鏈模型中純積分環節會產生直流漂移和初始值問題。可用低通濾波代替純積分環節，或用反電動勢模型和無功功率模型代替傳統轉子磁鏈模型。低通濾波可抑制直流漂移，但有直流成分，且有相位誤差；反電動勢模型易受電機漏感變化影響，可在反電動勢模型基礎上，定義新變量：

可見，模型中不含有電機漏感和純積分環節，因此可有效解決傳統電壓模型純積分問題，且不易受電機漏感變化影響。如圖1所示，因式（7）不含速度信號，式（8）不含定子電阻項。因此，系統以式（7）作為參考模型，式（8）作為可調模型計算電機轉速；再以式（8）為參考模型，式（7）為可調模型計算定子電阻。在參考模型準確的前提下，通過選擇合適的PI自適應律，可使轉速和定子電阻估計值收斂于真實值。

結語

用基于交互式MRAS的礦山電機車速度辨識方法，替代速度傳感器。本文選擇結構簡單的交互式MRAS理論實現轉速和定子電阻的準確辨識，增強系統對電機定子電阻變化的魯棒性。

參考文獻

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