WK 系列挖掘機電機辨識研究

何俊強，張 宇

(太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

大型礦用挖掘機調速系統(tǒng)從最初的發(fā)電機-電動機系統(tǒng)到90 年代的可控硅控制系統(tǒng)，再到如今的變頻電控系統(tǒng)，其發(fā)展歷程代表了電氣調速系統(tǒng)的發(fā)展方向。如今，WK 系列礦用挖掘機性能卓越，達到了國際同類產品的先進水平，生產能力已遠遠超出其設計生產能力。其核心變頻系統(tǒng)更是代表了當今礦用挖掘機的最高水平。變頻調速系統(tǒng)已經成功應用于電鏟這一特殊行業(yè)。

1 傳動系統(tǒng)電機辨識分析

WK 系列挖掘機采用西門子或ABB 變頻傳動系統(tǒng)。變頻傳動系統(tǒng)結構復雜，性能卓越。變頻調速系統(tǒng)從理論形成到成熟的產品不過短短的30 年時間。如今，變頻調速已應用于各行各業(yè)，大有取代直流調速的趨勢。作為變頻系統(tǒng)的核心，矢量控制或直接轉矩控制方案都非常依賴于電機的數(shù)學模型。因此，為了實現(xiàn)高性能控制效果，必須要很好的完成電機辨識這一關鍵的一步。

電機辨識即通過計算電機銘牌參數(shù)，并通過變頻裝置對電機通以特定的電壓、電流得到電機數(shù)學模型所需要的各參數(shù)，實現(xiàn)電機的高性能控制。無論是基于矢量控制理論的西門子變頻系統(tǒng)，還是基于直接轉矩控制理論的ABB 變頻系統(tǒng)，其性能完全依賴于其中所使用到電機參數(shù)的準確程度。如果電機參數(shù)不準確，將直接導致性能指標下降甚至導致變頻器故障。因此，電機辨識的作用是在電機正常運行前，得到電機的等效電路參數(shù)［1］。

1.1 矢量控制電機辨識分析

矢量控制的基本思路是利用坐標變換的方法，將交流電動機的控制特性等效為一臺直流電動機，從而可用直流電動機的控制方法去控制交流電動機，得到與直流電動機相似的性能指標。對于矢量控制技術，在旋轉dq 坐標系下其異步電機的等效電路圖如圖1［2，3］。

圖1 dq 坐標系下異步電機的等效電路圖

電機的磁鏈轉矩公式如下:

其中:P 為電機極對數(shù);ψqm，ψdm分別為d，q 軸磁鏈;ids，iqs為dq 軸電流;idr，iqr分別為dq 軸轉子電流;Lm定子電感。

我們不難從上述公式中得出結論，磁鏈公式是在dq 同步旋轉坐標系下得到，并且轉矩與磁鏈相差90°的電角度，實現(xiàn)了自然解耦，因此可以實現(xiàn)電機的高精度控制。我們可以從上述公式中得出結論，想要實現(xiàn)高性能控制，其dp 軸磁鏈電感一系列等參數(shù)必須精確。因此，電機辨識至關重要。

根據(jù)電機的旋轉坐標系模型，知道了電機的精確參數(shù)，便可實現(xiàn)控制目標，電機辨識即為了完成此項目標?？刂破鞯玫诫姍C的銘牌參數(shù)后，電機在變流器通電的狀態(tài)下根據(jù)測量的電壓，電流，轉速等參數(shù)，通過電測量計算出電機的漏感，轉子電阻等，便可得到電機磁鏈曲線等。知道了磁鏈及轉矩，并且磁鏈及轉矩相差90°的電角度，相互獨立，便可對電機進行高性能控制。電機辨識還有一項額外的功能，自動調節(jié)整定動態(tài)比例積分值，免去調試人員繁瑣的調節(jié)時間［4］。

1.2 直接轉矩控制(DTC)電機辨識分析

對于ABB 引領的直接轉矩控制技術。其基本思想是，通過借助空間矢量理論對電機的磁鏈轉矩進行直接控制。對基于定子磁鏈定向的直接轉矩控制公式如下:

從公式中我們可以得出結論，雖然控制的核心思路存在區(qū)別，但是仍然需要磁鏈觀測器，磁鏈調節(jié)器，轉矩觀測器及轉矩調節(jié)器等。這些數(shù)學模型的建立都是基于得到了電機的等效電路參數(shù)。

2 實驗結果及分析

圖2 為西門子矢量變頻系統(tǒng)現(xiàn)場實際調試辨識后，利用主令給定得到的速度曲線。其中，紅色曲線為實際給定值，黑色曲線為速度設定值。

我們可以清晰的看出，剛開始斜坡函數(shù)給定，兩曲線能夠很好的擬合。然后，是反向的階躍給定。仍然能夠很好的跟蹤給定，系統(tǒng)穩(wěn)定時間非常短，并且沒有超調。正反向多次都能夠得到很好的跟蹤曲線。我們可以得出結論，無論是斜坡給定還是階躍給定，都實現(xiàn)了很好的跟蹤效果，因此，控制器很精確地得到了異步電機各參數(shù)，實現(xiàn)了很好的調速性能。

圖2 電機給定速度與實際速度比較

3 結論

本文重點論述了變頻調速系統(tǒng)中電機辨識的原因及過程。首先，通過對電機數(shù)學模型進行理論分析闡述了電機辨識的目的。然后對現(xiàn)場實際調試結果進行了分析。結果表明，電機辨識的好壞對變頻調速系統(tǒng)的性能發(fā)揮至關重要。

［1］劉錦波，張承慧.電機與拖動［M］.北京:清華大學出版社，2001.

［2］胡守松.自動控制原理［M］.北京:清華大學出版社，2001.

［3］黃俊，王兆安.電力電子變流技術［M］.第3 版.北京:機械工業(yè)出版社，1994.

［4］宋書中.交流調速系統(tǒng)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2001.