無速度傳感器技術在港口行業電機控制系統中的應用

劉辰昊，宋浩田

（中交機電工程局有限公司，北京 100088）

0 引言

目前港口行業大功率帶式輸送機的常用驅動形式主要為：變頻器+減速機+異步電動機，而永磁直驅系統的構成是永磁同步電機和變頻器，在這個系統中省去了減速機等中間環節，提高了傳動效率，且在低速運行中有良好的轉矩特性，這些年來隨著永磁材料釹鐵硼在性能上逐步的優化和制備方法的突破，永磁同步電動機的使用范圍益發廣泛，正逐步在行業內大面積推廣。而在控制方法上，定子磁鏈DTC技術的提出和發展，使得當下電動機直接快速控制成為現實。DTC數學模型主要依靠無位置傳感技術[1]，在落實磁通矢量驅動時，要對轉子的狀態實施磁場定位操作。對于永磁同步電動機DTC系統來說，其核心的參數為轉子角速度ω。在以往的DTC系統里，在檢測速度時，系統要借助速度傳感器得以實現的，而額外檢測元件的增加使得電機變得更大且更加復雜，增加了電機與控制器的接線，不僅造價成本變高，還增加了更多不穩定因素，尤其在工業環境下，對電機抗干擾性能力要求較高。因此，在傳統電機系統中，想要向著電機系統高效和精簡的方向進取，速度傳感器等相關硬件無疑是一種負擔。本文著重研究無速度傳感器技術及其在港口行業中的應用前景。

1 定子磁鏈估計方法

在永磁電機直接轉矩控制過程中，根據磁鏈位置角、電磁轉矩和定子磁鏈這三個變量來確定適合的定子電壓矢量，并對定子磁鏈和電磁轉矩實施高效的調節，所以調速系統的性能會受到這三個變量準確性的直接影響。且磁鏈位置角和電磁轉矩通過后者定子磁鏈來確定，定子磁鏈的估計，對于精準控制電機來說就顯得尤為重要。本文將定子磁鏈的估計方法列出下面幾種并進行比對分析。

1.1 直接計算法

直接計算法在獲取電子磁鏈值時，將檢測到的電流值和電壓值輸入到數學模型中得以準確獲取，其優點為迅速、方便，缺點為對電動機參數的依賴性比較強，易于導致定子磁鏈在調速時，受電動機參數變化的影響，無法實現準確的估計。

1.2 電壓積分法

電壓積分法計算時，以定子電阻值為依據，減少了繁瑣計算量和調速過程電機參數變化所帶來的不確定因素。但該方式的缺點也是顯而易見，比如易出現積分飽和，且當溫度變化時，會對阻值帶來較高的變化，進而直接影響估計值的準確性；同時該方法在低速運行時存在多種問題，會造成逆變器死區效應，需要進行額外的補償，且在低速運行的時候，積分器誤差累計和DC-offset（直流偏移）的問題更為明顯。

1.3 觀測器法

觀測器法重新構造了被控量的結構，原控量與新系統相同，從而展示了一個新的狀態反饋。在估值時，觀測器的輸入變量為電動機的可測量數據，而定子磁鏈則看成為是觀測器的某種狀態，以使定子磁鏈實現直接觀測。

1.4 新型空間矢量扇區判定法

一般想要準確判定定子磁鏈的扇區位置，需要通過一系列計算公式，這就提高了我們在仿真時候需要編程的工作量。不同于傳統定子磁鏈空間矢量的扇區判定方法，當下定子磁鏈空間矢量扇區判定僅通過變量值的正負，把一系列的計算公式，轉變成三個變量之間的正負關系，就能得到定子磁鏈扇區位置，減少實際使用過程中編程的復雜程度。本文采用此種方法，但受限于篇幅，在此不做公式推導。

2 對于速度估測的一般方法

無速度傳感器的DTC策略將DTC控制理論和無速度傳感器的開放思路有機的融合在一起，通過減少機械傳感器等硬件的檢測，使用一定的計算方法來對電動機的轉速信息進行及時的獲取，并在調速系統中實施高效的利用，從而使其控制精度得以快速的提升[2]。上述計算方法包含的主要內容有控制理論中的參數辨識與狀態估計、間接法和直接法等，通過各種計算方法來代替傳統的實物測量，使用計算得到的數據和電動機數學模型來對速度觀測器進行設計，從而使轉速數據信息得以準確、快速的獲取。

2.1 動態轉矩估測

動態轉矩估測以數學模型計算和電動機的參數為基礎，該方法可以通過一個較小的計算量來達到較強的直觀結果，其動態響應速度非常快。動態轉矩估測不存在誤差校正環節，對電動機參數的依賴性非常強，實際試驗中，往往不能達到較好的控制效果。

2.2 人工智能理論估測

人工智能理論估測對被控量的數學模型依賴性較低，因此數學模型的準確性不需要過高，其優點為能夠較好的控制系統干擾量和系統參數的不確定性，缺點為受計算方法過于繁瑣的影響，使得計算量非常大。

2.3 模型參考自適應法估測

模型參考自適應法估測的核心理念為把可調模型當做有待估量值的數學模型，把參考模型當做被控項，參考模型的性能受狀態和輸出的影響，整體模型中自適應機構的輸入為可調模型與參考模型性能指標差。在調制可調模型的待估量值時，要以輸出量為基礎[3]。

2.4 高頻注入估測

高頻注入估測在電機一端輸入高頻電壓，借助凸極效應使轉速信息和轉子位置得以準確的獲取。高頻注入估測在獲取最佳的轉速估計值時，其在調速范圍之內即可實現，非常適合于凸極電動機，且該方法無論在動態條件還是穩態條件，都可以降低飽和凸極所帶來的影響。但是，該方法往往會因為高頻信號的注入而導致高頻噪聲出現。

2.5 狀態觀測器估測

狀態觀測器估測的輸入為原來系統的電流值和電壓值，電機轉速被看成是一個觀測狀態，并在最佳的規則范圍內觀測轉速，狀態觀測器估測的穩定性比較好。

3 無速度傳感器技術基本理論

表1 θ 象限對應關系圖示

ωs代表同步角速度，ω代表電機角速度，ωsl代表轉差角速度。

永磁同步電機的同步角速度與電機角速度相等，轉差角速度等于零，也就是：ω=ωs。

互相對應的四個象限中θ的計算公式已經在表1中列清，θ處于0～2π的計算公式中時，ωs不會受到π和2π的任何影響。故有以下一系列計算過程：

綜上可得：

通過α-β軸的電流與電壓，可計算出磁鏈值和速度數據，此時估計的速度數據經過比例積分處理，在直接轉矩控制系統中發揮作用。

4 matlab仿真實驗

4.1 仿真模塊

無速度傳感器內部結構的仿真模塊如圖1所示。

圖1 無速度傳感器仿真內部結構

4.2 建立仿真圖形

借助matlab/simulink實現仿真，在永磁直驅直接轉矩控制系統中使用無速度傳感器技術，其系統仿真情況詳見下圖2。

圖2 DTC 無速度傳感器控制系統仿真圖

4.3 仿真結果

電動機參數：Ld=0.0 0 8 5 H，Lq=0.0 0 8 5 H，RS=0.875Ω,Ψf=0.175Wb，極對數為4極，轉動慣量J=0.0008Kg·m2，滯系數B=0，ΨS=0.9Wb，逆變器直流電壓U=800V，電機的狀態認定為是理想的狀態，摩擦系數不計。

定子磁鏈波形如圖3所示，三相電流波形如圖4所示：

圖3 定子磁鏈波形

圖4 電流波形

轉矩響應曲線如圖5所示：

圖5 轉矩響應曲線

轉速響應曲線對比如圖6所示：

4.4 仿真結果分析

通過仿真結果我們可以得到，無速度傳感器技術不僅有不錯的實用性并且可以良好的融合直接轉矩控制技術。在詳細觀察圖6中無速度傳感器和有速度傳感器時轉速響應曲線后，發現無速度傳感器技術的電機加速到參考轉速時，花費的時間最少，且無超調，減少了對電機參數的依賴性，能高效的進行電機轉速的快速跟蹤。

圖6 轉速響應曲線對比

5 結語

本文以永磁直驅直接轉矩控制系統為對象，從原理和仿真上對無速度傳感器技術做了驗證，由于仿真時對電機模型進行了理想化處理，因此可能導致電動機參數對理論成果的準確性造成一定影響，但仿真結果在很大程度上還是證明了無速度傳感器技術的可應用性。在我司最近承建的港口項目中，ABB、匯川技術等廠商在唐山港、黃驊港已有無速度傳感器技術的應用，然而在設備選型時，由于工程師對變頻器產品原理不熟悉，往往造成不必要的速度編碼器的投入。可以預見，在將來港口散物料輸送行業中，無論是同步電機還是異步電機驅動領域，無速度傳感器技術將會應用更加廣泛。