負(fù)載換流逆變器驅(qū)動(dòng)電勵(lì)磁同步電機(jī)無(wú)速度傳感器模型預(yù)測(cè)控制方法

寇佳寶 高 強(qiáng) 滕詠哮 徐殿國(guó)

負(fù)載換流逆變器驅(qū)動(dòng)電勵(lì)磁同步電機(jī)無(wú)速度傳感器模型預(yù)測(cè)控制方法

寇佳寶 高 強(qiáng) 滕詠哮 徐殿國(guó)

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院 哈爾濱 150001）

負(fù)載換流逆變器（LCI）驅(qū)動(dòng)電勵(lì)磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于中高壓場(chǎng)合，在應(yīng)對(duì)干擾和負(fù)載變化上，較大的系統(tǒng)慣性系數(shù)和較低的開(kāi)關(guān)頻率導(dǎo)致其動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能欠佳。該文提出一種基于LCI驅(qū)動(dòng)電勵(lì)磁同步電機(jī)的無(wú)速度傳感器模型預(yù)測(cè)控制方法。首先根據(jù)LCI的數(shù)學(xué)模型建立預(yù)測(cè)狀態(tài)方程，同時(shí)給出合適的代價(jià)函數(shù)和約束條件；然后分析負(fù)載換相模式下的控制矢量模型，給出速度觀測(cè)器的設(shè)計(jì)方法和參數(shù)選擇依據(jù)，并針對(duì)負(fù)載變化對(duì)速度觀測(cè)產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析和補(bǔ)償。同時(shí)該觀測(cè)器還能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)逆變橋輸入電壓和端電壓相位的觀測(cè)；最后，通過(guò)3.75kW的LCI驅(qū)動(dòng)電勵(lì)磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)提出的無(wú)速度傳感器模型預(yù)測(cè)控制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明所提出的控制方法能夠有效提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，所設(shè)計(jì)的觀測(cè)器具有可行性，速度觀測(cè)結(jié)果在額定階躍負(fù)載下誤差小于13°。

負(fù)載換流逆變器 電勵(lì)磁同步電機(jī) 無(wú)速度傳感器 模型預(yù)測(cè)控制

0 引言

負(fù)載換流逆變器（Load Commutated Inverter, LCI）驅(qū)動(dòng)電勵(lì)磁同步電機(jī)具有容量大、成本低、可靠性高和控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因此該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于高速精軋機(jī)、大型燃?xì)廨啓C(jī)、抽水蓄能電站及其他風(fēng)機(jī)泵類(lèi)等中高壓場(chǎng)合[1-4]。在高速精軋機(jī)的工況應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要在鋼材加入后快速穩(wěn)定在預(yù)定轉(zhuǎn)速上，這就要求所采用的控制算法在負(fù)載快速變化時(shí)有著較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。如果穩(wěn)定轉(zhuǎn)速效果不佳，會(huì)導(dǎo)致軋制鋼材的堆積和產(chǎn)品加工失敗。而好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力能夠有效減小變載時(shí)的速度變化，縮短速度恢復(fù)時(shí)間，從而直接提高成品率和鋼品質(zhì)量。在大型燃?xì)廨啓C(jī)、抽水蓄能電站及其他風(fēng)機(jī)泵類(lèi)工況應(yīng)用中，更高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度能夠使系統(tǒng)更好地應(yīng)對(duì)干擾和負(fù)載變化，從而提高機(jī)組起動(dòng)的成功率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。

模型預(yù)測(cè)控制由于建模難度低、魯棒性和穩(wěn)定性較高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好等優(yōu)勢(shì)逐漸開(kāi)始取代傳統(tǒng)控制方法。但它同時(shí)存在穩(wěn)態(tài)波動(dòng)大、計(jì)算量大等問(wèn)題[6-10]。而LCI驅(qū)動(dòng)電勵(lì)磁同步電機(jī)系統(tǒng)慣性系數(shù)高，這可以抑制模型預(yù)測(cè)控制帶來(lái)的穩(wěn)態(tài)波動(dòng)問(wèn)題。由于LCI采用半控型晶閘管器件作為其電力電子器件，因此其控制頻率通常僅為幾百赫茲，不過(guò)較低的開(kāi)關(guān)頻率相比其他驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，為算法在線運(yùn)行留出了更充足的計(jì)算資源。文獻(xiàn)[10-11]提出了一種基于LCI的模型預(yù)測(cè)控制方法，該方法采用多級(jí)控制，但只有部分采用了模型預(yù)測(cè)控制，因此所采用的模型預(yù)測(cè)控制實(shí)際應(yīng)用效果受到了其他控制器的限制。

此外，傳統(tǒng)的機(jī)械式傳感器安裝繁瑣，難以保證其安裝同軸度，可靠性也較低。在一些特殊工況下，如高溫易爆和水下場(chǎng)合，甚至無(wú)法完成機(jī)械式傳感器的安裝。目前無(wú)傳感器控制方法已有豐富的研究成果，但大多都集中在永磁同步電機(jī)、異步電機(jī)及開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等[12-15]。文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)了一種基于電勵(lì)磁同步電機(jī)的速度觀測(cè)器，但并未考慮負(fù)載變化給觀測(cè)帶來(lái)的影響。文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)了一種速度觀測(cè)器，但負(fù)載換相模式給速度觀測(cè)帶來(lái)的影響未被考慮。

本文基于LCI驅(qū)動(dòng)電勵(lì)磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)提出了一種無(wú)速度傳感器模型預(yù)測(cè)控制方法。提出的單級(jí)模型預(yù)測(cè)控制方法能夠避免多級(jí)控制帶來(lái)的木桶效應(yīng)，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，降低硬件成本并提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。本文首先分析了LCI模型，推導(dǎo)了系統(tǒng)的預(yù)測(cè)狀態(tài)方程，并給出相應(yīng)的代價(jià)函數(shù)和參數(shù)約束。然后分析負(fù)載換流模式下的矢量模型，設(shè)計(jì)了一種適用于高速階段的多參數(shù)觀測(cè)器并給出了參數(shù)選擇依據(jù)，同時(shí)針對(duì)負(fù)載換相模式運(yùn)行特點(diǎn)和負(fù)載變化給觀測(cè)帶來(lái)的影響進(jìn)行了補(bǔ)償。最后通過(guò)3.75kW的LCI驅(qū)動(dòng)電勵(lì)磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)提出的無(wú)速度傳感器模型預(yù)測(cè)控制方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 LCI驅(qū)動(dòng)電勵(lì)磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)控制

1.1 LCI驅(qū)動(dòng)拓?fù)鋽?shù)學(xué)模型

圖1為L(zhǎng)CI驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要包括整流橋、逆變橋及平波電抗器三部分。圖1中rec為整流輸出電壓，inv為逆變輸入電壓，dc為直流母線電流，dc為平波電抗器電感，dc為直流母線等效電阻。

圖1 LCI驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

以LCI回路建立等效電壓模型，其表達(dá)式為

對(duì)于其中的三相全控整流橋來(lái)說(shuō)，其輸出電壓與網(wǎng)側(cè)電壓的數(shù)學(xué)關(guān)系為

式中，s為網(wǎng)側(cè)相電壓有效值；為整流橋的觸發(fā)延遲角。

在LCI驅(qū)動(dòng)器中，整流橋與逆變橋具有完全相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，僅有能量流向相反。在控制策略上，整流和逆變通過(guò)改變觸發(fā)延遲角即可實(shí)現(xiàn)相互切換。為了實(shí)現(xiàn)與整流橋相反的能量流向，逆變橋的觸發(fā)延遲角需要大于90°。因此，逆變輸入電壓數(shù)學(xué)表達(dá)式可表示為

將式（2）和式（3）代入式（1）中，則LCI回路電壓方程可表示為

電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為

式中，e為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；L為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；為軸系轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為粘滯系數(shù)；r為轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速。

忽略逆變橋的能量損耗，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為

當(dāng)電勵(lì)磁同步電機(jī)采用恒勵(lì)磁電流控制時(shí)，uinv/idc可近似為定值。將式（6）代入式（5）中，電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)可表示為