異步電機(jī)低速電制動(dòng)控制

劉夢琪, 曲詩健, 李鶴群

(1.中車大連機(jī)車車輛有限公司，遼寧 大連 116000；2.中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，遼寧 大連 116000)

0 引 言

隨著信號(hào)ATO控車、無人駕駛技術(shù)的普及，地鐵列車車輛控制性能要求日益增高，尤其在列車到站停車過程中，需要與屏蔽門對(duì)齊方便乘客上下車，通常要求誤差不超過±50 mm。地鐵列車停車制動(dòng)主要采用電制動(dòng)和空氣制動(dòng)混合控制，制動(dòng)過程中當(dāng)車輛速度低于設(shè)定速度點(diǎn)后，電制動(dòng)開始退出，空氣制動(dòng)逐漸施加，最終由空氣制動(dòng)滿足整車制動(dòng)力需求。空氣制動(dòng)過程中，由于空氣制動(dòng)無法對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行精確控制，響應(yīng)時(shí)間無法保證，同時(shí)閘瓦與制動(dòng)盤摩擦?xí)a(chǎn)生粉塵及噪聲，而由牽引逆變器控制的電制動(dòng)，可以根據(jù)車輛給定直接進(jìn)行準(zhǔn)確控制，整個(gè)制動(dòng)過程中，不存在電、空轉(zhuǎn)換，車輛沖擊小，制動(dòng)能量可以回饋電網(wǎng)，同時(shí)沒有閘瓦的損耗，不會(huì)產(chǎn)生粉塵和噪聲[1-4]。綜上，全電制動(dòng)控制在制動(dòng)力精確性、響應(yīng)速度、材料損耗等方面存在優(yōu)勢，在地鐵列車上應(yīng)用具有重要意義和發(fā)展前景。

但是，在大功率異步電機(jī)實(shí)際應(yīng)用過程中，尤其在低速時(shí)，受逆變器非線性、數(shù)字離散控制延時(shí)以及電機(jī)參數(shù)變化等因素影響，異步電機(jī)控制性能會(huì)出現(xiàn)明顯下降，電流產(chǎn)生畸變，轉(zhuǎn)矩發(fā)生振蕩乃至控制發(fā)散。針對(duì)此問題，國內(nèi)外文獻(xiàn)主要從電機(jī)定轉(zhuǎn)子參數(shù)辨識(shí)[5-7]、逆變器非線性[8-9]、電機(jī)控制策略[10-12]等方面進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。以上解決方案，在不同程度上使控制算法更加復(fù)雜且不穩(wěn)定。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要一種簡單、可靠的算法來提高低速下電制動(dòng)性能，本文采用基于無功功率模型的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)自適應(yīng)控制的方法可以有效解決低速區(qū)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定、控制精度低等問題。

1 異步電機(jī)電制動(dòng)控制策略

全電制動(dòng)基于異步電機(jī)矢量控制實(shí)現(xiàn)。異步電機(jī)矢量控制通過模型解耦，分別控制定子電流轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量，以達(dá)到類直流電機(jī)的控制效果。采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，令d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈方向重合，可得電機(jī)電壓方程為[13]

通過電壓前饋補(bǔ)償消除電壓方程中由電機(jī)反電動(dòng)勢引起的交叉耦合項(xiàng)，把耦合系統(tǒng)改造成單變量線性系統(tǒng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)子磁通可以通過d軸電壓控制，電磁轉(zhuǎn)矩可以通過q軸電壓控制。在電制動(dòng)過程中，車速從高速到零的過程中，在高速區(qū)電機(jī)工作在再生制動(dòng)或電阻制動(dòng)狀態(tài)，接近零速時(shí)電機(jī)會(huì)處于反接制動(dòng)狀態(tài)。在再生制動(dòng)或電阻制動(dòng)狀態(tài)，牽引逆變器始終保持輸出負(fù)轉(zhuǎn)差率，定子頻率隨轉(zhuǎn)子頻率降低，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；隨著轉(zhuǎn)速進(jìn)一步降低，定子頻率接近零，牽引逆變器定子頻率過零，定子電流換向，電機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)，直至車輛停車。理論情況下，假設(shè)電機(jī)參數(shù)準(zhǔn)確，逆變器采用轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制，轉(zhuǎn)子磁場位置可以準(zhǔn)確定向，電機(jī)定子的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量可以完全解耦，轉(zhuǎn)矩可以準(zhǔn)確控制保持穩(wěn)定。

2 實(shí)際應(yīng)用中低速電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩偏差分析

實(shí)際應(yīng)用中，異步電機(jī)參數(shù)易受溫度、運(yùn)行頻率、磁場飽和程度、運(yùn)行工況、渦流效應(yīng)等外界因素影響而變化[14]。

同時(shí)，在PWM調(diào)制過程中為避免逆變器上下橋臂發(fā)生直通，通常插入死區(qū)時(shí)間。該時(shí)間與逆變器的開斷延遲、開關(guān)管和導(dǎo)通二極管的壓降是構(gòu)成死區(qū)效應(yīng)的三個(gè)因素。雖然插入的死區(qū)時(shí)間是由微處理器可控的，可以精確獲取，并與誤差電壓呈線性關(guān)系，但逆變器的開通關(guān)斷延遲和導(dǎo)通壓降隨著工作環(huán)境(例如,母線電壓、相電流、工作頻率和電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度等)改變而改變，是非線性的。由于死區(qū)效應(yīng)，每一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)引起的微小畸變經(jīng)積累后，必然會(huì)使逆變器的輸出電壓非線性誤差加大[8]。

在以上因素的綜合作用下，轉(zhuǎn)子磁場定向出現(xiàn)偏差，進(jìn)而影響定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量解耦，使電機(jī)處于過勵(lì)磁或欠勵(lì)磁狀態(tài)，引起電機(jī)發(fā)熱，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)輸出性能惡化，實(shí)際表現(xiàn)為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不準(zhǔn)、轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動(dòng)，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致電機(jī)控制不穩(wěn)定，車輛無法正常運(yùn)行。

轉(zhuǎn)子磁場定向和轉(zhuǎn)子磁場存在角度偏差，如圖1所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場定向超前滯后于實(shí)際轉(zhuǎn)子磁場時(shí)，在電流控制器的調(diào)節(jié)下，可以使定子電流勵(lì)磁、轉(zhuǎn)矩分量按照指令值分配，電機(jī)定子電流幅值保持不變，由于定向角度的偏差，使得作用在真實(shí)d、q坐標(biāo)系的定子電流勵(lì)磁、轉(zhuǎn)矩分量與給定值出現(xiàn)誤差。在再生制動(dòng)狀態(tài)下，觀測轉(zhuǎn)子磁場超前于真實(shí)轉(zhuǎn)子磁場，真實(shí)電流勵(lì)磁電流大于指令值，真實(shí)轉(zhuǎn)矩電流小于指令值；觀測轉(zhuǎn)子磁場滯后于真實(shí)轉(zhuǎn)子磁場，真實(shí)勵(lì)磁電流小于指令值，真實(shí)轉(zhuǎn)矩電流大于指令值。在反接制動(dòng)狀態(tài)下，影響規(guī)律與再生制動(dòng)相反。

圖1 轉(zhuǎn)子磁鏈定向誤差示意圖

取電流矢量在第四象限內(nèi)，考慮電流矢量與轉(zhuǎn)子磁鏈角度為[-60°,-70°]，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)分析，定向誤差通常在[-10°,10°]，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為[13]

(5)

通過MATLAB可以繪制出三維空間下，給定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩的比例關(guān)系，如圖2所示，在再生制動(dòng)狀態(tài)下，觀測轉(zhuǎn)子磁場超前于真實(shí)轉(zhuǎn)子磁場時(shí)，轉(zhuǎn)矩偏小；反之偏大。在反接制動(dòng)狀態(tài)下，規(guī)律相反。

圖2 轉(zhuǎn)子磁鏈誤差與轉(zhuǎn)矩關(guān)系

3 低速下轉(zhuǎn)子磁鏈定向校正算法

因此，在逆變器非線性因素和實(shí)際電機(jī)定轉(zhuǎn)子參數(shù)不準(zhǔn)的影響下，磁鏈觀測器在低速下很難準(zhǔn)確觀測，此時(shí)使用基于轉(zhuǎn)子磁鏈q軸分量的傳統(tǒng)方法進(jìn)行校正將進(jìn)一步惡化磁鏈定向準(zhǔn)確性。

異步電機(jī)的無功功率主要表現(xiàn)為儲(chǔ)藏在電機(jī)磁場中的能量，通過無功功率的不同數(shù)學(xué)模型，可以分別作為自適應(yīng)控制的參考模型和可調(diào)模型[15]。異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向dq軸系下的穩(wěn)態(tài)等效電路如圖3所示。

圖3 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向穩(wěn)態(tài)等效電路圖

定義無功功率為Q=is?Er，由等效電路圖，參考無功功率可以表示為

(6)

同時(shí)，實(shí)際無功功率為

Q=is?Er=is?(us-σLsJωeis)=

(7)

圖4為基于無功功率模型的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)自適應(yīng)控制，將參考無功功率和實(shí)際無功功率做比較，兩者差值通過PI調(diào)整作用于參考轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，從而影響轉(zhuǎn)差角頻率。轉(zhuǎn)差角頻率的變化帶來電機(jī)內(nèi)部電流工作點(diǎn)的變化，從而影響兩個(gè)無功功率的計(jì)算值，當(dāng)兩者達(dá)到平衡時(shí)，兩個(gè)坐標(biāo)軸系重合，參考轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)等于實(shí)際值。

圖4 基于無功功率模型的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)自適應(yīng)控制

由圖5和圖6可以看出，參考坐標(biāo)系滯后于實(shí)際坐標(biāo)系，實(shí)際轉(zhuǎn)子磁鏈幅值大于給定值，從而實(shí)際反電動(dòng)勢Er也偏大，參考無功功率小于實(shí)際無功功率，則PI的輸入為負(fù)，使參考轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)減小。參考坐標(biāo)系超前于實(shí)際坐標(biāo)系，實(shí)際轉(zhuǎn)子磁鏈幅值小于給定值，從而實(shí)際反電動(dòng)勢Er偏小，參考無功功率大于實(shí)際無功功率，則PI的輸入為正，使參考轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)增大。

圖5 基于無功功率模型的矢量定向示意圖(參考坐標(biāo)系滯后于實(shí)際坐標(biāo)系)

圖6 基于無功功率模型的矢量定向示意圖(參考坐標(biāo)系超前于實(shí)際坐標(biāo)系)

此種基于無功功率模型的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)自適應(yīng)控制不需要轉(zhuǎn)子磁鏈信息，所以該方法對(duì)電機(jī)參數(shù)具有較好的魯棒性，相對(duì)于基于q軸磁鏈定向的自適應(yīng)控制具有一定優(yōu)勢。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證低速下轉(zhuǎn)子磁鏈定向校正算法的有效性，搭建低速制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，如圖7所示。試驗(yàn)臺(tái)主要由被試電機(jī)、陪試電機(jī)、減速機(jī)、牽引逆變器、陪試變頻器、制動(dòng)電阻構(gòu)成，被試電機(jī)采用地鐵車輛中使用電機(jī)，具體參數(shù)如表1所示。

圖7 低速電制動(dòng)大功率試驗(yàn)臺(tái)

表1 被試電機(jī)參數(shù)

試驗(yàn)中，分別在低速12 r/min進(jìn)行100%轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)和在低速100～12 r/min區(qū)間進(jìn)行100%轉(zhuǎn)矩掃頻試驗(yàn)，波形如圖8和圖9所示，電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率隨制動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大往負(fù)向增加，電機(jī)電頻率穿越過零點(diǎn)下降變?yōu)樨?fù)，整個(gè)過程中電機(jī)控制id、iq跟隨給定值，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與給定轉(zhuǎn)矩誤差在5%內(nèi)。

圖8 低速制動(dòng)12 r/min 100%轉(zhuǎn)矩波形

圖9 低速制動(dòng)100～12 r/min 100%轉(zhuǎn)矩掃頻波形

最后，在同樣試驗(yàn)條件下，分別對(duì)采用基于無功功率模型的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)自適應(yīng)控制算法、無轉(zhuǎn)子磁鏈定向校正控制算法、傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子q軸磁鏈定向校正控制算法進(jìn)行低速制動(dòng)負(fù)載掃頻對(duì)比試驗(yàn)，具體轉(zhuǎn)矩記錄見圖10。在整個(gè)動(dòng)態(tài)過程中，采用基于無功功率模型的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)自適應(yīng)控制算法在轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性和精度上均更為優(yōu)秀，電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)在±5%以內(nèi)；無轉(zhuǎn)子磁鏈定向校正控制算法由于無法對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈角度進(jìn)行修正，在低速制動(dòng)過程中電機(jī)轉(zhuǎn)矩始終存在-10%左右的誤差，在20 r/min處誤差達(dá)到-24%；傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子q軸磁鏈定向校正控制算法受低速時(shí)磁鏈觀測性能下降的影響，隨著轉(zhuǎn)速降低，電機(jī)轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)巨大波動(dòng)，最大達(dá)-63%。經(jīng)過對(duì)比試驗(yàn)，進(jìn)一步證明在大功率異步電機(jī)低速制動(dòng)過程中，本文采用的控制算法具有更好的轉(zhuǎn)矩控制性能。

圖10 各控制算法電機(jī)轉(zhuǎn)矩

5 結(jié) 語

本文對(duì)異步電機(jī)全電制動(dòng)控制原理進(jìn)行說明，分析了中低速電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩偏差的產(chǎn)生原因，提出了低速下利用無功功率模型進(jìn)行磁場定向角度校正的算法。通過地面大功率試驗(yàn)臺(tái)，驗(yàn)證了該算法在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)過程中可以完全實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩給定，誤差在5%范圍內(nèi)。全電制動(dòng)異步電機(jī)控制策略算法理論具有可行性和可靠性，在地鐵列車上應(yīng)用具有良好的前景。