基于交互式MRAS的礦山電機(jī)車無速度傳感器技術(shù)研究

張國華

摘 要：因礦山環(huán)境惡劣，礦山電機(jī)車速度傳感器經(jīng)常損壞，可靠性低。本文提出基于交互式模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)（交互式MRAS）礦山電機(jī)車速度辨識(shí)方法，利用系統(tǒng)參考模型與可調(diào)模型偏差計(jì)算轉(zhuǎn)速和定子電阻。結(jié)合異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)分析，證明該方案具有速度快、精度高等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無速度傳感器；礦山電機(jī)車；交互式MRAS

中圖分類號(hào)：TM343 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

交流異步電機(jī)已成為礦山運(yùn)輸主要設(shè)備，礦山機(jī)車交流傳動(dòng)系統(tǒng)需轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。無速度傳感器技術(shù)可降低成本，縮小電機(jī)體積，降低事故率，適合礦山等不利于安裝速度傳感器的環(huán)境。礦山電機(jī)車無速度傳感器技術(shù)應(yīng)用少見，少數(shù)成果雖已得到應(yīng)用，但仍有精度低，誤差大等缺點(diǎn)。無速度傳感器技術(shù)有三條思路：①開環(huán)計(jì)算轉(zhuǎn)速；②閉環(huán)構(gòu)造轉(zhuǎn)速；③利用電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特征提取轉(zhuǎn)速信號(hào)。常用方法有直接計(jì)算法、模型參考自適應(yīng)法（MRAS）、卡爾曼濾波法等。本文利用交互式MRAS理論實(shí)現(xiàn)定子電阻準(zhǔn)確辨識(shí)，以降低定子電阻變化對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)速估計(jì)精度的影響，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確估計(jì)。該法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)電機(jī)參數(shù)變化魯棒性強(qiáng)。

1 異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

在兩相靜止α-β坐標(biāo)系下，交流異步電機(jī)定、轉(zhuǎn)子電壓平衡方程如下：

交流異步電機(jī)定、轉(zhuǎn)子磁鏈方程如下：

2 交互式MRAS系統(tǒng)

考慮礦山環(huán)境，電機(jī)車適合采用無速度傳感器技術(shù)。本文采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的交互式MRAS法，并增加電機(jī)定子電阻辨識(shí)，以增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)參數(shù)變化的魯棒性。

圖1為交互式MRAS原理圖，系統(tǒng)輸入是電機(jī)定子重構(gòu)電壓和定子電流實(shí)際值的α、β軸分量，輸出量是電機(jī)定子電阻和轉(zhuǎn)速估計(jì)值。

2.1 定子電壓重構(gòu)

無速度傳感器技術(shù)在進(jìn)行電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)速估計(jì)時(shí)，需測(cè)量定子電壓電流。因定子電壓多為PWM波，需對(duì)電壓進(jìn)行濾波。一種比較實(shí)用的方法是利用直流母線電壓和PWM開關(guān)函數(shù)重構(gòu)定子電壓。逆變器在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)輸出電壓重構(gòu)公式如下：

其中，uan、ubn、ucn為定子相電壓，Vdc為直流母線電壓，s1、s2、s3、為開關(guān)器件在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的給定瞬時(shí)相電壓占空比。

2.2 轉(zhuǎn)速和定子電阻辨識(shí)

基于轉(zhuǎn)子磁鏈模型MRAS法有三方面問題：①低速時(shí)精度低。因礦山電機(jī)車較少工作于低速范圍，這點(diǎn)不作重點(diǎn)考慮。②轉(zhuǎn)子磁鏈電壓中含有的定子電阻受繞組溫度和集膚效應(yīng)影響會(huì)發(fā)生較大變化，影響磁鏈觀測(cè)精度。準(zhǔn)確定子電阻辨識(shí)可解決此問題。③電壓轉(zhuǎn)子磁鏈模型中純積分環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生直流漂移和初始值問題?？捎玫屯V波代替純積分環(huán)節(jié)，或用反電動(dòng)勢(shì)模型和無功功率模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)轉(zhuǎn)子磁鏈模型。低通濾波可抑制直流漂移，但有直流成分，且有相位誤差；反電動(dòng)勢(shì)模型易受電機(jī)漏感變化影響，可在反電動(dòng)勢(shì)模型基礎(chǔ)上，定義新變量：

可見，模型中不含有電機(jī)漏感和純積分環(huán)節(jié)，因此可有效解決傳統(tǒng)電壓模型純積分問題，且不易受電機(jī)漏感變化影響。如圖1所示，因式（7）不含速度信號(hào)，式（8）不含定子電阻項(xiàng)。因此，系統(tǒng)以式（7）作為參考模型，式（8）作為可調(diào)模型計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速；再以式（8）為參考模型，式（7）為可調(diào)模型計(jì)算定子電阻。在參考模型準(zhǔn)確的前提下，通過選擇合適的PI自適應(yīng)律，可使轉(zhuǎn)速和定子電阻估計(jì)值收斂于真實(shí)值。

結(jié)語

用基于交互式MRAS的礦山電機(jī)車速度辨識(shí)方法，替代速度傳感器。本文選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的交互式MRAS理論實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和定子電阻的準(zhǔn)確辨識(shí)，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)定子電阻變化的魯棒性。

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