基于FOC 的相電壓采集策略在礦用低壓電機中的應用

武凱斌

（山西離柳焦煤集團有限公司，山西 孝義 032300）

引言

由于井下低壓設備眾多，電機類感性負載也十分常見，這類負載通常需要蓄電池來供電，供電電壓一般在12～48 V 范圍內。不同負載的需求可以通過低壓蓄電池串并聯實現供電。水泵，風機等負載需要多個同時工作，一些手持式傳感器例如甲烷傳感器，二氧化碳傳感器等也是采用低壓供電，也需要連接蓄電池。因此蓄電池的負載相對較大，達到一定程度的負載需求往往需要增加BMS 控制系統保證蓄電池的穩定輸出。因此降低低壓負載的使用功率、提升低壓負載的控制效率是十分有必要的。

現階段，礦用低壓電機主要控制方式可分為有矢量控制（FOC）、直接轉矩控制（DTC）兩類，其中FOC 控制的代表產品為西門子電機控制及變頻器設備等，DTC 控制則主要是由ABB 將其推廣到電機控制領域內。在低壓控制器的設計中為了避免霍爾傳感器以及電流傳感器的使用，控制策略選擇無感FOC 控制，采用SMO（滑膜觀測器）估算轉子位置信息實現電機恒轉速或者恒扭矩控制，為了彌補電機轉子估算的誤差，加入了相電壓采集作為估算補償。實現了系統控制效率的高效運行。

1 電機FOC 控制簡介

通常來說電機的數學模型可以等效為一個電阻，一個電感與一個反電動勢的串聯。電阻是線圈自身的阻值，電感是線圈與定子轉子產生的，反電動勢是電機自帶的一個重要參數，可以通過電機對拖等方式測量，此時電機處于發電機狀態。這樣就構成了一個簡單的電機數學模型，如圖1 所示。

圖1 電機模型

三相電機系統從電機的電流采樣到數學變換，得到勵磁電流Id與轉矩電流Iq。通過與目標值的比較及PID 算法優化輸出得到SVPWM的輸入，通過逆變換得到三相電壓輸出。最終實現了一個完成的閉環控制策略，具體的電機控制框圖如圖2 所示。

圖2 FOC 控制原理框圖

2 基于相電壓采集控制策略

位置和速度估算器在FOC 控制中扮演著十分重要的角色，如圖2 所示的控制框圖中，角度估算不僅關系到轉子位置的正確與否，還關系到SVPWM的發波是否正常，正確的估算可以有利于電機降低工作電流，提升效率。錯誤的估算導致電流變大，發熱十分嚴重，且電流波形畸變，產生轉矩脈動，從而導致系統震動變大及電子噪音的產生。

傳統的角度估算模塊的輸入為Vα、Vβ、Iα和Iβ四個參數，其中Iα和Iβ的大小由電流采樣直接通過clarke，park 變換得到，Vα、Vβ的獲取是通過迭代計算以及故斷獲取，這樣就存在一個時效性，誤差也會累積，因此輸出的轉子位置信息是存在誤差的，這一點相對于電機控制來說十分重要，輸出的轉子位置信息直接關系到電機的換相角度與換相時間，稍有偏差就會造成能量消耗，降低控制效率。

為了更為準確的獲取到轉子的位置信息，采用直觀的方法獲取Vα、Vβ的大小。通過相電壓采集推算出開關時間，進而再反演推算得出電機實際運行時的Vα、Vβ。這樣起到了一個模擬電流傳感器的作用。獲取到的電機轉子位置更為準確。電壓的采集方法如圖3 所示。

圖3 相電壓采集原理圖

3 實驗測試

電機作為一個整體其效率可以通過測功機測試出來。通過繪制出電機的效率map 圖可以很直觀的看出電機的效率高低，但是這部分效率包含有電機效率與控制器效率兩部分組成。如果要直觀的獲取到電機中控制器的效率值則需要借助功率分析儀來完成。功率分析儀在工業領域中廣泛應用，主要用于變頻電動機、變頻器、電池以及新能源汽車等功率分析、計算等[4-5]。山西某礦為年產500 萬t 的大型現代化礦井，井下綜合機械化水平達到95%以上，采掘、運輸、通風、排水等基本實現機械化、自動化控制，井下布置有各類型機電設備，文中就以該礦現階段使用的低壓電機為工程對象，具體采用功率分析儀獲取到的傳統FOC 矢量控制、基于FOC 的相電壓采集控制兩種控制策略下的電機效率如圖4、圖5 所示。

圖4 傳統FOC 矢量控制效率測試結果

圖5 基于FOC 的相電壓采集控制策略控制效率測試結果

通過測試結果（圖4、圖5）對比可以發現相較于傳統的FOC 控制，基于FOC 的相電壓采集控制策略可以將控制效率從93%左右提升到97%以上。采用基于FOC 的相電壓采集控制策略后可大幅提升電機控制器的工作效率，電機同樣的輸出則相電流更小，相電壓利用率更高，系統的發熱有所降低從而在一定程度上解決發熱問題，可靠性得到了提升。

4 結論

將基于FOC 的三相電壓采集控制策略應用到井下低壓電機控制中，通過冷卻水泵的測試結果發現，相比于傳統的FOC 控制策略，該控制策略可以更為準確地估算轉子位置，通過實驗驗證發現可以將控制器效率由93%提升到97%，大大提升了控制器的效率，降低了控制器的能量消耗。可見，該策略的應用，保證了控制器的可靠性與高效性。