無(wú)速度傳感器技術(shù)在港口行業(yè)電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉辰昊，宋浩田

（中交機(jī)電工程局有限公司，北京 100088）

0 引言

目前港口行業(yè)大功率帶式輸送機(jī)的常用驅(qū)動(dòng)形式主要為：變頻器+減速機(jī)+異步電動(dòng)機(jī)，而永磁直驅(qū)系統(tǒng)的構(gòu)成是永磁同步電機(jī)和變頻器，在這個(gè)系統(tǒng)中省去了減速機(jī)等中間環(huán)節(jié)，提高了傳動(dòng)效率，且在低速運(yùn)行中有良好的轉(zhuǎn)矩特性，這些年來(lái)隨著永磁材料釹鐵硼在性能上逐步的優(yōu)化和制備方法的突破，永磁同步電動(dòng)機(jī)的使用范圍益發(fā)廣泛，正逐步在行業(yè)內(nèi)大面積推廣。而在控制方法上，定子磁鏈DTC技術(shù)的提出和發(fā)展，使得當(dāng)下電動(dòng)機(jī)直接快速控制成為現(xiàn)實(shí)。DTC數(shù)學(xué)模型主要依靠無(wú)位置傳感技術(shù)[1]，在落實(shí)磁通矢量驅(qū)動(dòng)時(shí)，要對(duì)轉(zhuǎn)子的狀態(tài)實(shí)施磁場(chǎng)定位操作。對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)DTC系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其核心的參數(shù)為轉(zhuǎn)子角速度ω。在以往的DTC系統(tǒng)里，在檢測(cè)速度時(shí)，系統(tǒng)要借助速度傳感器得以實(shí)現(xiàn)的，而額外檢測(cè)元件的增加使得電機(jī)變得更大且更加復(fù)雜，增加了電機(jī)與控制器的接線，不僅造價(jià)成本變高，還增加了更多不穩(wěn)定因素，尤其在工業(yè)環(huán)境下，對(duì)電機(jī)抗干擾性能力要求較高。因此，在傳統(tǒng)電機(jī)系統(tǒng)中，想要向著電機(jī)系統(tǒng)高效和精簡(jiǎn)的方向進(jìn)取，速度傳感器等相關(guān)硬件無(wú)疑是一種負(fù)擔(dān)。本文著重研究無(wú)速度傳感器技術(shù)及其在港口行業(yè)中的應(yīng)用前景。

1 定子磁鏈估計(jì)方法

在永磁電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制過(guò)程中，根據(jù)磁鏈位置角、電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈這三個(gè)變量來(lái)確定適合的定子電壓矢量，并對(duì)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)施高效的調(diào)節(jié)，所以調(diào)速系統(tǒng)的性能會(huì)受到這三個(gè)變量準(zhǔn)確性的直接影響。且磁鏈位置角和電磁轉(zhuǎn)矩通過(guò)后者定子磁鏈來(lái)確定，定子磁鏈的估計(jì)，對(duì)于精準(zhǔn)控制電機(jī)來(lái)說(shuō)就顯得尤為重要。本文將定子磁鏈的估計(jì)方法列出下面幾種并進(jìn)行比對(duì)分析。

1.1 直接計(jì)算法

直接計(jì)算法在獲取電子磁鏈值時(shí)，將檢測(cè)到的電流值和電壓值輸入到數(shù)學(xué)模型中得以準(zhǔn)確獲取，其優(yōu)點(diǎn)為迅速、方便，缺點(diǎn)為對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的依賴性比較強(qiáng)，易于導(dǎo)致定子磁鏈在調(diào)速時(shí)，受電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化的影響，無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的估計(jì)。

1.2 電壓積分法

電壓積分法計(jì)算時(shí)，以定子電阻值為依據(jù)，減少了繁瑣計(jì)算量和調(diào)速過(guò)程電機(jī)參數(shù)變化所帶來(lái)的不確定因素。但該方式的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)，比如易出現(xiàn)積分飽和，且當(dāng)溫度變化時(shí)，會(huì)對(duì)阻值帶來(lái)較高的變化，進(jìn)而直接影響估計(jì)值的準(zhǔn)確性；同時(shí)該方法在低速運(yùn)行時(shí)存在多種問(wèn)題，會(huì)造成逆變器死區(qū)效應(yīng)，需要進(jìn)行額外的補(bǔ)償，且在低速運(yùn)行的時(shí)候，積分器誤差累計(jì)和DC-offset（直流偏移）的問(wèn)題更為明顯。

1.3 觀測(cè)器法

觀測(cè)器法重新構(gòu)造了被控量的結(jié)構(gòu)，原控量與新系統(tǒng)相同，從而展示了一個(gè)新的狀態(tài)反饋。在估值時(shí)，觀測(cè)器的輸入變量為電動(dòng)機(jī)的可測(cè)量數(shù)據(jù)，而定子磁鏈則看成為是觀測(cè)器的某種狀態(tài)，以使定子磁鏈實(shí)現(xiàn)直接觀測(cè)。

1.4 新型空間矢量扇區(qū)判定法

一般想要準(zhǔn)確判定定子磁鏈的扇區(qū)位置，需要通過(guò)一系列計(jì)算公式，這就提高了我們?cè)诜抡鏁r(shí)候需要編程的工作量。不同于傳統(tǒng)定子磁鏈空間矢量的扇區(qū)判定方法，當(dāng)下定子磁鏈空間矢量扇區(qū)判定僅通過(guò)變量值的正負(fù)，把一系列的計(jì)算公式，轉(zhuǎn)變成三個(gè)變量之間的正負(fù)關(guān)系，就能得到定子磁鏈扇區(qū)位置，減少實(shí)際使用過(guò)程中編程的復(fù)雜程度。本文采用此種方法，但受限于篇幅，在此不做公式推導(dǎo)。

2 對(duì)于速度估測(cè)的一般方法

無(wú)速度傳感器的DTC策略將DTC控制理論和無(wú)速度傳感器的開(kāi)放思路有機(jī)的融合在一起，通過(guò)減少機(jī)械傳感器等硬件的檢測(cè)，使用一定的計(jì)算方法來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信息進(jìn)行及時(shí)的獲取，并在調(diào)速系統(tǒng)中實(shí)施高效的利用，從而使其控制精度得以快速的提升[2]。上述計(jì)算方法包含的主要內(nèi)容有控制理論中的參數(shù)辨識(shí)與狀態(tài)估計(jì)、間接法和直接法等，通過(guò)各種計(jì)算方法來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)物測(cè)量，使用計(jì)算得到的數(shù)據(jù)和電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型來(lái)對(duì)速度觀測(cè)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而使轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)信息得以準(zhǔn)確、快速的獲取。

2.1 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩估測(cè)

動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩估測(cè)以數(shù)學(xué)模型計(jì)算和電動(dòng)機(jī)的參數(shù)為基礎(chǔ)，該方法可以通過(guò)一個(gè)較小的計(jì)算量來(lái)達(dá)到較強(qiáng)的直觀結(jié)果，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度非常快。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩估測(cè)不存在誤差校正環(huán)節(jié)，對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的依賴性非常強(qiáng)，實(shí)際試驗(yàn)中，往往不能達(dá)到較好的控制效果。

2.2 人工智能理論估測(cè)

人工智能理論估測(cè)對(duì)被控量的數(shù)學(xué)模型依賴性較低，因此數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性不需要過(guò)高，其優(yōu)點(diǎn)為能夠較好的控制系統(tǒng)干擾量和系統(tǒng)參數(shù)的不確定性，缺點(diǎn)為受計(jì)算方法過(guò)于繁瑣的影響，使得計(jì)算量非常大。

2.3 模型參考自適應(yīng)法估測(cè)

模型參考自適應(yīng)法估測(cè)的核心理念為把可調(diào)模型當(dāng)做有待估量值的數(shù)學(xué)模型，把參考模型當(dāng)做被控項(xiàng)，參考模型的性能受狀態(tài)和輸出的影響，整體模型中自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的輸入為可調(diào)模型與參考模型性能指標(biāo)差。在調(diào)制可調(diào)模型的待估量值時(shí)，要以輸出量為基礎(chǔ)[3]。

2.4 高頻注入估測(cè)

高頻注入估測(cè)在電機(jī)一端輸入高頻電壓，借助凸極效應(yīng)使轉(zhuǎn)速信息和轉(zhuǎn)子位置得以準(zhǔn)確的獲取。高頻注入估測(cè)在獲取最佳的轉(zhuǎn)速估計(jì)值時(shí)，其在調(diào)速范圍之內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)，非常適合于凸極電動(dòng)機(jī)，且該方法無(wú)論在動(dòng)態(tài)條件還是穩(wěn)態(tài)條件，都可以降低飽和凸極所帶來(lái)的影響。但是，該方法往往會(huì)因?yàn)楦哳l信號(hào)的注入而導(dǎo)致高頻噪聲出現(xiàn)。

2.5 狀態(tài)觀測(cè)器估測(cè)

狀態(tài)觀測(cè)器估測(cè)的輸入為原來(lái)系統(tǒng)的電流值和電壓值，電機(jī)轉(zhuǎn)速被看成是一個(gè)觀測(cè)狀態(tài)，并在最佳的規(guī)則范圍內(nèi)觀測(cè)轉(zhuǎn)速，狀態(tài)觀測(cè)器估測(cè)的穩(wěn)定性比較好。

3 無(wú)速度傳感器技術(shù)基本理論

表1 θ 象限對(duì)應(yīng)關(guān)系圖示

ωs代表同步角速度，ω代表電機(jī)角速度，ωsl代表轉(zhuǎn)差角速度。

永磁同步電機(jī)的同步角速度與電機(jī)角速度相等，轉(zhuǎn)差角速度等于零，也就是：ω=ωs。

互相對(duì)應(yīng)的四個(gè)象限中θ的計(jì)算公式已經(jīng)在表1中列清，θ處于0～2π的計(jì)算公式中時(shí)，ωs不會(huì)受到π和2π的任何影響。故有以下一系列計(jì)算過(guò)程：

綜上可得：

通過(guò)α-β軸的電流與電壓，可計(jì)算出磁鏈值和速度數(shù)據(jù)，此時(shí)估計(jì)的速度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)比例積分處理，在直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中發(fā)揮作用。

4 matlab仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 仿真模塊

無(wú)速度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的仿真模塊如圖1所示。

圖1 無(wú)速度傳感器仿真內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4.2 建立仿真圖形

借助matlab/simulink實(shí)現(xiàn)仿真，在永磁直驅(qū)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中使用無(wú)速度傳感器技術(shù)，其系統(tǒng)仿真情況詳見(jiàn)下圖2。

圖2 DTC 無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)仿真圖

4.3 仿真結(jié)果

電動(dòng)機(jī)參數(shù)：Ld=0.0 0 8 5 H，Lq=0.0 0 8 5 H，RS=0.875Ω,Ψf=0.175Wb，極對(duì)數(shù)為4極，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.0008Kg·m2，滯系數(shù)B=0，ΨS=0.9Wb，逆變器直流電壓U=800V，電機(jī)的狀態(tài)認(rèn)定為是理想的狀態(tài)，摩擦系數(shù)不計(jì)。

定子磁鏈波形如圖3所示，三相電流波形如圖4所示：

圖3 定子磁鏈波形

圖4 電流波形

轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線如圖5所示：

圖5 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線對(duì)比如圖6所示：

4.4 仿真結(jié)果分析

通過(guò)仿真結(jié)果我們可以得到，無(wú)速度傳感器技術(shù)不僅有不錯(cuò)的實(shí)用性并且可以良好的融合直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。在詳細(xì)觀察圖6中無(wú)速度傳感器和有速度傳感器時(shí)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線后，發(fā)現(xiàn)無(wú)速度傳感器技術(shù)的電機(jī)加速到參考轉(zhuǎn)速時(shí)，花費(fèi)的時(shí)間最少，且無(wú)超調(diào)，減少了對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性，能高效的進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速的快速跟蹤。

圖6 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文以永磁直驅(qū)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)為對(duì)象，從原理和仿真上對(duì)無(wú)速度傳感器技術(shù)做了驗(yàn)證，由于仿真時(shí)對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行了理想化處理，因此可能導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)參數(shù)對(duì)理論成果的準(zhǔn)確性造成一定影響，但仿真結(jié)果在很大程度上還是證明了無(wú)速度傳感器技術(shù)的可應(yīng)用性。在我司最近承建的港口項(xiàng)目中，ABB、匯川技術(shù)等廠商在唐山港、黃驊港已有無(wú)速度傳感器技術(shù)的應(yīng)用，然而在設(shè)備選型時(shí)，由于工程師對(duì)變頻器產(chǎn)品原理不熟悉，往往造成不必要的速度編碼器的投入?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在將來(lái)港口散物料輸送行業(yè)中，無(wú)論是同步電機(jī)還是異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，無(wú)速度傳感器技術(shù)將會(huì)應(yīng)用更加廣泛。