繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制

張炳義，閻德寶

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110870）

目前大部分起重機(jī)的拖動(dòng)電機(jī)是繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機(jī)，特點(diǎn)是啟動(dòng)特性好，轉(zhuǎn)子可外串電阻來(lái)提高電機(jī)啟動(dòng)性能，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普遍采用三相異步電動(dòng)機(jī)和齒輪減速機(jī)配合使用。由于起重機(jī)的負(fù)荷變化大，正常運(yùn)行時(shí)電機(jī)的負(fù)載率一般低于50%，異步電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)會(huì)隨著負(fù)載率的降低而急劇下降，造成能源浪費(fèi)。而采用永磁電機(jī)可以在很寬的負(fù)載變動(dòng)范圍內(nèi)保持高效高功率因數(shù)，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率、簡(jiǎn)化傳動(dòng)鏈、降低養(yǎng)護(hù)成本。將繞線(xiàn)式異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合提出了繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子自啟動(dòng)永磁電機(jī)。

文獻(xiàn)［1］采用有限元仿真的方法計(jì)算和分析了鼠籠轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的啟動(dòng)特性；文獻(xiàn)［2］利用Ansoft軟件對(duì)異步啟動(dòng)永磁同步電機(jī)啟動(dòng)性能進(jìn)行了仿真計(jì)算，總結(jié)了一套基于有限元的自永磁同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能的仿真計(jì)算方法；文獻(xiàn)［3-5］提出并研究了繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的自啟動(dòng)永磁電機(jī)，著重分析了電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和穩(wěn)態(tài)性能，并對(duì)其啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)［6］介紹了IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的分類(lèi)，討論了選用IGBT驅(qū)動(dòng)器時(shí)的參考原則；文獻(xiàn)［7］提出一種IGBT作斬波管的具有吸收保護(hù)作用的斬波回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)異步機(jī)轉(zhuǎn)子斬波調(diào)阻調(diào)速系統(tǒng)整流回路的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)研究；文獻(xiàn)［8］提出了一種轉(zhuǎn)子IGBT斬波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有效地調(diào)節(jié)了轉(zhuǎn)子電阻和保護(hù)斬波器；文獻(xiàn)［9］對(duì)異步電機(jī)轉(zhuǎn)子斬波調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得出了轉(zhuǎn)子外接電阻的計(jì)算方法和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。

本文針對(duì)自啟動(dòng)永磁電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程電流大，轉(zhuǎn)矩沖擊明顯的特點(diǎn)提出WR-PMM啟動(dòng)過(guò)程準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子IGBT 斬波調(diào)阻的控制策略，完成啟動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，并搭建樣機(jī)啟動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)輸出最大異步轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制策略。

1 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制

準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制的目的是在電機(jī)啟動(dòng)階段，通過(guò)控制轉(zhuǎn)子外串等效電阻使啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩保持恒定最大轉(zhuǎn)矩Tmec-max，理想狀態(tài)下使電機(jī)做勻加速運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)在恒定轉(zhuǎn)矩Tmec-max的約束條件下實(shí)現(xiàn)了啟動(dòng)過(guò)程“最短時(shí)間控制”，或稱(chēng)“時(shí)間最優(yōu)控制”。然而整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程與理想快速啟動(dòng)過(guò)程還有差別，主要表現(xiàn)在WR-PMM 數(shù)學(xué)模型的建立和啟動(dòng)特性的研究上，所以將WR-PMM斬波調(diào)阻啟動(dòng)過(guò)程稱(chēng)為“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”過(guò)程。WR-PMM準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制過(guò)程目標(biāo)曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制過(guò)程目標(biāo)曲線(xiàn)Fig.1 Target curves of the quasi-time optimal control process

圖1中，n1，n2，n3曲線(xiàn)為轉(zhuǎn)子串不同電阻啟動(dòng)過(guò)程機(jī)械特性曲線(xiàn)，n0為準(zhǔn)時(shí)機(jī)最優(yōu)控制過(guò)程曲線(xiàn)。在WR-PMM定轉(zhuǎn)子自身阻抗參數(shù)確定的情況下，最大異步轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速唯一且取決于轉(zhuǎn)子外部回路等效電阻。因此如果能在電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，將實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)檢測(cè)并作為轉(zhuǎn)子外串電阻計(jì)算模型輸入?yún)⒘?，電機(jī)即可沿著n0曲線(xiàn)近似恒轉(zhuǎn)矩加速至同步速。

WR-PMM斬波控制過(guò)程主要在轉(zhuǎn)子繞組整流后的直流側(cè)進(jìn)行，為了便于建立轉(zhuǎn)子IGBT 斬波調(diào)阻控制準(zhǔn)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型：首先將定子側(cè)參數(shù)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)并加入整流環(huán)節(jié)，得到轉(zhuǎn)子直流側(cè)等效電路模型；然后加入基于RCD緩沖電路的斬波控制環(huán)節(jié)可得到轉(zhuǎn)子直流側(cè)斬波調(diào)阻電路模型，經(jīng)過(guò)整理可得出WR-PMM合成異步轉(zhuǎn)矩Tmec的公式，進(jìn)而可以找出每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)子外串電阻；最后根據(jù)實(shí)時(shí)輸出最大異步轉(zhuǎn)矩的控制原則，推倒出斬波占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系如下式所示：

式中：R1，X1σ，R2，X2σ分別為定轉(zhuǎn)子繞組電阻和漏抗；ke為有效匝數(shù)折算系數(shù)；σ為電路形式轉(zhuǎn)換系數(shù)。

根據(jù)上式控制方法，即可使WR-PMM 沿著圖1中的最大異步轉(zhuǎn)矩n0曲線(xiàn)從零速近似勻加速至同步轉(zhuǎn)速。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 啟動(dòng)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)WR-PMM 樣機(jī)運(yùn)行原理和控制方法，搭建斬波調(diào)阻啟動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中各主要器件的選擇應(yīng)同時(shí)兼顧樣機(jī)主要性能參數(shù)和整個(gè)控制系統(tǒng)性?xún)r(jià)比等因素。除WR-PMM 樣機(jī)以外，控制系統(tǒng)主要包括：編碼器、轉(zhuǎn)子外串電阻器、轉(zhuǎn)子三相整流模塊、主控芯片及其外圍電路、IGBT斬波器等。系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖Fig.2 Principle diagram of the system hardware

2.2 外串電阻選擇

當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí)，斬波調(diào)阻控制方案中所需外串電阻達(dá)最大值，其阻值為

外串電阻只在啟動(dòng)過(guò)程中工作，其功率等級(jí)的選擇要綜合考慮啟動(dòng)過(guò)程功率損耗。啟動(dòng)過(guò)程不同轉(zhuǎn)速時(shí)，外串電阻消耗功率Pef為

此功率是關(guān)于轉(zhuǎn)差率s的非線(xiàn)性函數(shù)。電機(jī)每完成1 次啟動(dòng)，外串電阻即存在一個(gè)時(shí)段的功率消耗，進(jìn)入同步速之后，外串電阻停止工作，將式（3）對(duì)轉(zhuǎn)差率進(jìn)行積分，可得每次啟動(dòng)過(guò)程中外串電阻的平均損耗為

2.3 主控芯片的選用

主控芯片采用dsPIC30F 系列高性能16 位數(shù)字信號(hào)控制器。該芯片具有的電機(jī)控制PWM（MCPWM）模塊簡(jiǎn)化了產(chǎn)生多種同步脈寬調(diào)制輸出的任務(wù)。同時(shí)，該芯片還帶有QEI編碼器接口，用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的位置和速度。對(duì)于增量式光電編碼器，通常有A，B，Z信號(hào)，其中A/B脈沖信號(hào)的周期和相位表征轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，Z 信號(hào)為索引信號(hào)，每轉(zhuǎn)動(dòng)1 周發(fā)1 個(gè)脈沖。通過(guò)此接口可檢測(cè)WR-PMM 的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)啟動(dòng)控制系統(tǒng)IGBT斬波回路的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

2.4 數(shù)據(jù)采集

WR-PMM啟動(dòng)過(guò)程中需根據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)行PWM斬波調(diào)阻，因此轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確測(cè)量十分關(guān)鍵。編碼器型號(hào)選：EH100/45。供電電壓：DC 8～30 V。實(shí)時(shí)輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)整電路，將脈沖電壓等級(jí)降至5 V，從而可以由CPU的QEA/QEB管腳直接檢測(cè)接收，通過(guò)對(duì)編碼器A/B脈沖信號(hào)在固定時(shí)間內(nèi)的電平跳變計(jì)數(shù)，計(jì)算實(shí)時(shí)角速度和轉(zhuǎn)向。

為了避免脈沖電平干擾帶來(lái)的轉(zhuǎn)速計(jì)算誤差，采用了CPU 自帶的數(shù)字濾波功能，根據(jù)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速nmax=1 500 r/min 和編碼器脈沖數(shù)PENC= 1 024脈沖/r，得到最小脈沖持續(xù)的時(shí)間：

進(jìn)而由下式確定濾波器分頻比f(wàn)div，這里取16。

式中：M 為時(shí)鐘晶振，取4 MHz；dFIT為濾波脈沖寬度。

根據(jù)上述分析，在轉(zhuǎn)子外接電阻Ref確定的情況下，導(dǎo)通占空比可以根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算。

3 WR-PMM啟動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)

控制部分主要器件和啟動(dòng)控制過(guò)程所需參數(shù)如表1所示。系統(tǒng)采用示波記錄儀采集存儲(chǔ)啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和電量瞬態(tài)數(shù)據(jù)。

表1 控制電路與電機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of control circuit and WR-PMM

3.1 WR-PMM斬波啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)表1 中所示的電機(jī)參數(shù)，對(duì)7.5 kW 繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在沒(méi)有采用斬波調(diào)阻啟動(dòng)方法的情況下，即僅將WR-PMM 轉(zhuǎn)子繞組短路時(shí)，最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩僅為50 N·m。采用IGBT 斬波調(diào)阻啟動(dòng)時(shí)，樣機(jī)帶不同負(fù)載啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速變化情況如圖3所示。

圖3 WR-PMM轉(zhuǎn)子斬波調(diào)阻啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律Fig.3 Speed changes of rotor resistance chopper control of WR-PMM

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用斬波啟動(dòng)控制時(shí)，最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到110 N·m，隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的提高，啟動(dòng)時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，但都能保證牽入同步。

斬波調(diào)阻啟動(dòng)過(guò)程中，IGBT在接收到啟動(dòng)信號(hào)進(jìn)入斬波狀態(tài)，斬波占空比隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷提高而變化，轉(zhuǎn)子整流回路干路電流如圖4所示。從圖4的電流包絡(luò)線(xiàn)可以看出，電機(jī)收到啟動(dòng)信號(hào)后，轉(zhuǎn)子整流側(cè)電流迅速升至最大值，近乎沿著最大電流包絡(luò)線(xiàn)啟動(dòng)，此后隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步速，電流逐漸減小，直至牽入同步后轉(zhuǎn)子電流消失，電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程近似準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。

圖4 轉(zhuǎn)子整流回路干路電流（110 N·m）Fig.4 The total current of rotor rectifier circuit（110 N·m）

3.2 WR-PMM與鼠籠永磁電機(jī)對(duì)比分析

WRSL-PMSM作為自啟動(dòng)永磁電機(jī)的一種，其穩(wěn)態(tài)性能與鼠籠轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)基本一致，都有較好的效率和功率因數(shù)指標(biāo)。但是，在啟動(dòng)性能方面，WR-PMM具有轉(zhuǎn)子電阻可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，在提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、制啟動(dòng)電流和改善牽入性能方面優(yōu)勢(shì)明顯。

選取功率、轉(zhuǎn)速和機(jī)座號(hào)等完全相同的WR-PMM與鼠籠轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)做對(duì)比。在相同的電源和負(fù)載條件下，對(duì)比兩種電機(jī)的啟動(dòng)特性。WR-PMM（額定負(fù)載72 N·m）和鼠籠轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)（最大負(fù)載45 N·m）啟動(dòng)電流有效值對(duì)比如圖5 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，WR-PMM 采用斬波調(diào)阻法可帶額定72 N·m 負(fù)載啟動(dòng)，而鼠籠永磁電機(jī)最大帶載能力僅為45 N·m。通過(guò)數(shù)據(jù)處理與折算，可得鼠籠轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的啟動(dòng)電流沖擊約為額定電流的8.5 倍，而采用斬波調(diào)阻啟動(dòng)方法的WR-PMM啟動(dòng)電流沖擊僅為6.8倍。

圖5 WR-PMM和鼠籠轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)啟動(dòng)定子電流Fig.5 Stator starting current of WR-PMM and LS-PMSM

兩種電機(jī)及其啟動(dòng)方法下轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變化過(guò)程如圖6所示。

從圖6a 可知，WR-PMM 采用斬波調(diào)阻法帶額定72 N·m 負(fù)載與鼠籠永磁電機(jī)帶45 N·m 負(fù)載啟動(dòng)過(guò)程相比，前者轉(zhuǎn)矩沖擊更小、合成異步轉(zhuǎn)矩更大。而這也直接體現(xiàn)在圖6b 所示的轉(zhuǎn)速變化過(guò)程中，可以看出在WR-PMM 所帶負(fù)載為鼠籠永磁電機(jī)1.6 倍的情況下，啟動(dòng)時(shí)間僅為鼠籠永磁電機(jī)的1/2，WR-PMM 更快進(jìn)入同步轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。

圖6 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速對(duì)比Fig.6 Contrast of starting torque and speed

4 結(jié)論

本文提出繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制方法。通過(guò)WR-PMM轉(zhuǎn)子斬波調(diào)阻控制策略，有效提高WR-PMM 啟動(dòng)能力。與不采用外串?dāng)夭ㄕ{(diào)阻啟動(dòng)的WR-PMM 相比，最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可提高80%以上，帶載啟動(dòng)能力提高1倍以上，啟動(dòng)和牽入同步時(shí)間大幅度降低。相比鼠籠轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)，啟動(dòng)能力明顯增強(qiáng)，啟動(dòng)時(shí)間大幅度減少，啟動(dòng)電流沖擊可降低20%以上，電流抑制效果明顯，實(shí)現(xiàn)了啟動(dòng)過(guò)程準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。

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