基于高频注入的带式输送机SPMSM无传感器控制研究.pdf

收稿日期:基金项目:山西大同大学研究生教育创新项目()作者简介:杨京东()男山西太原人硕士研究生从事矿用带式输送机电机控制工作:./.基于高频注入的带式输送机 无传感器控制研究杨京东李大伟杜贤弈吴 康任丽霜(山西大同大学 煤炭工程学院山西 大同)摘 要:为改善矿用带式输送机永磁同步电机()在低速运行时转子信息不易识别的问题研究了一种基于脉振高频注入法控制方案 该方案将携带转子信息的高频信号通过滤波器提取处理并通过龙伯格()观测器改善系统的稳定性 经过/仿真验证该方案在矿用带式输送机低速运行时能准确获得转子信息模型鲁棒性良好关键词:带式输送机永磁同步电机无速度传感器高频注入法龙伯格观测器中图分类号:文献标识码:文章编号:()():()./.:矿用带式输送机因其可长距离、连续性地运输大量矿用物料等优点被广泛应用于煤矿井下目前主要采用异步电机减速机的驱动方式但是异步电机的能量转化率低可调速性不好大大增加了应用成本 相比异步电机易于实现多极调速电机轴直接与带式输送机的滚筒相连提高效率的同时使得系统复杂度减小、维护难度降低减少了系统的故障点总损耗可降低.根据转子结构可分为表贴式永磁同步电机()和内置式永磁同步电机()由于带式输送机的主滚筒直接嵌套在永磁电动机的外转子上组成带式输送机直驱型滚筒 这种结构可以简化传动机构提高传动效率和可靠性同时由于外转子直径大增大了刹车半径减小了刹车力从而可提高刹车的可靠性 因此具有外转子结构的 更适用于带式输送机系统由于煤矿井下环境复杂需要采用无速度传感器控制算法获取转子位置和速度信息 在矿用带式输送机中高速运行时一般的检测方法通常能够保证控制精度但当带式输送机低速运行时有用信号的信噪比较低提取转子信息困难导致带式输送机不能安全稳定的运行 为保障带式输送机低速稳定运行采用高频注入法进行低速区间无速度传感器控制高频注入法通常有两种:脉振高频注入法和旋转高频注入法 由于 的凸极率极小通常适用于脉振高频注入法 脉振高频注入法即在 轴上注入基于高频注入电压幅值 和频率 的高成成果果应应用用 第第 卷卷 第第 期期 年年 月月频余弦电压信号()使 转子凸极磁场饱和且 的参数变化对脉振高频注入法的影响很小因此在零低速时可以准确地从 轴分量中获得转子的位置信息 三相 的基本数学模型 的物理模型如图 所示图 在不同坐标系下的物理模型 图中 为自然坐标系 为静止坐标系 为同步旋转坐标系为转动速度/为转动角度 和 表示 的永磁体磁极 和 分别为三相绕组的首端和尾端为使方案更易分析要假定下列几种情况:)不计电机磁饱和)忽略电机磁滞损耗)转子无阻尼绕组根据坐标变换理论原理运用 和 变换可得:)变换的电压方程:()变换的磁链方程:()变换的电磁转矩方程:()()式中:为磁极数为永磁体磁链、为定子电流的交直轴分量、为定子电感的交直轴分量对于 满足 公式()可简化为:()式中:和 均为常数即 与 呈线性的数学关系可通过 直接控制.脉振高频注入法原理要对 进行精准高频注入控制首先需建立如图 所示的坐标空间位置关系图 坐标空间位置关系 定义实际转子与估计转子的夹角为估计误差:()根据图 可得转换矩阵为:()式中:和 分别为估计转子和实际转子的位置再由公式()和式()得:()由于注入 的信号频率远大于式()中的电机角频率所以 近似于 负载即:()()()式中:为微分算子、和 分别为 轴在高频注入时的注入电压量、电阻、电感和电流响应 轴同理 注入高频信号后可得:()()式中:、分别为 轴和 轴估计转子的电压量联立式()、式()和式()又高频注入时 轴的感抗远大于定子电阻因此在忽略定子电阻后可以得出 轴的高频电流:()()()()()第 期 杨京东等:基于高频注入的带式输送机 无传感器控制研究 式中:、分别为 轴和 轴估计转子的电流为平均高频电感 为半差高频电感且()/()/.脉振高频注入法通常是从 输出端的 轴提取转子的位置和转速信息 因此需要算得轴的电流响应分量如下:由于 的转子信息需要从 轴分量中获得所以计算其电流响应分量为:()()()()由公式()和()可知当估计误差 接近于 时同样接近于.即可运用负反馈原理使得接近于 从而使估计误差接近于 实 现 对转子信息近乎精确的测定图 提取估计误差 图 为脉振高频注入后估计误差信号提取的过程三相电流经 变换和 变换后输出 轴电流然后用带通滤波器()提取 轴电流中的高频信号进入乘法器解调制最后输入低频滤波器()中提取估计误差信号 即:()()()()()其中:()()图 为提取估计误差信号后进行转子估算的过程即通过位置跟踪观测器直接输出转子电角度对其积分后得出转子估算信息图 转子估算 注入频率和观测器的设计.选择注入频率选择注入信号频率时若频率太高则因信噪比低导致高频附加噪声大若频率太低则 带宽降低电流环带宽也相应降低影响系统稳定性由于负反馈系统要求 且此时 近似于 负载则在高频电压激励下满足 /.综上在考虑一定余量的情况下使/此时高频注入信号的最低频率为:()注入频率还需保证在信号提取时能与电机的基波频率相分离因此需要计算允许的最高频率 在以上最低频率和允许的最高频率范围内取值才能保证电机的观测器高性能控制 一般在工程中对高频注入法中的注入频率取值是根据逆变器的开关频率决定的考虑到逆变器中的六个功率开关管频繁切换以及 调制技术等因素高频注入信号的最高频率要小于功率管切换频率的/结合公式()可得高频注入信号的频率范围为:()()式中:为基波电流根据式()和式()给出的注入信号频率和幅值选取范围选择高频信号的频率为 选择信号幅值为 .设计龙伯格观测器龙伯格状态观测器为全阶观测器通过输入变量 及输出变量 对无法直接测量的状态重构以实现对系统状态的观测 对基于电磁角速度和角度的电机状态方程分析可以设计龙伯格状态观测器如下:()()()因此基于 速度观测的龙伯格状态观测器结构框图如图 所示 由图 可知龙伯格状态观测器的精度由式()所描述:第 卷图 基于 的龙伯格状态观测器结构()由式()可以看出在低频时龙伯格状态观测器的精度由观测器增益 和 所决定而在高频时龙伯格状态观测器的精度主要由转动惯量 和估计的转动惯量 所决定 因此当参数存在误差时对相位的影响很小 根据上述理论设计基于高频注入法 无速度传感器控制系统框图如图 所示 根据图 搭建如图 所示的控制系统仿真模型图 控制系统框图图 控制系统仿真模型 仿真建模与结果分析为验证上述理论的可行性对基于高频注入法的 无速度传感器控制系统进行仿真验证仿真参数如表 所示表 仿真参数参数数值参数数值额定功率/转动惯量/().定子电阻/.极对数 阻尼系数/()定子电感/.母线电压/磁链/.仿真设定矿用带式输送机 启动后转速逐渐升至 /当系统运行到 时设定转速逐渐上升至 /当系统运行到 时突加持续 的负载转矩 系统仿真结果如图 图 所示图 实际转速与估计转速(下转第 页)第 期 杨京东等:基于高频注入的带式输送机 无传感器控制研究 围岩稳定参考文献:祁雨鹏.赵庄煤矿 运输巷道复合顶板围岩控制技术研究与应用.煤():.王磊.慈林山矿复合软弱顶板下锚网索主动支护技术应用.煤():.苏学贵.特厚松软复合顶板巷道拱梁耦合支护结构的构建及应用研究.岩石力学与工程学报():.杨 峰.复合顶板的破坏机理与锚杆支护技术.采矿与安全工程学报():.侯朝炯柏建彪.复合顶板极软煤层巷道锚杆支护技术研究.岩石力学与工程学报():.郭相平徐慧刚付书俊.工作面煤岩互层复合顶板深浅孔注浆加固技术研究.矿业安全与环保():.关玉祥朱阳涛.复合顶板托顶煤巷道锚喷注联合控制技术.陕西煤炭():.本期编辑:路 方(上接第 页)图 转速误差图 实际转子角度与估计转子角度图 转子角度估计误差图 电磁转矩 通过控制系统仿真结果可知当参考转速改变或突加负载转矩时 能够快速响应并跟踪设定参考值实际转子与估计转子的误差也能稳定在 值附近验证了所设计的基于高频注入的带式输送机 无传感器控制系统的鲁棒性 结 语矿用带式输送机在低速运行时电机转子信息难以检测为此提出一种基于高频注入的控制方案该方案建立了信号激励下的 数学模型设计了基于高频注入的转子信息观测器并在/中进行了验证仿真结果验证该方案的有效性和可行性可满足矿用带式输送机在低速运行时的控制要求参考文献:李大伟王昭林杨京东等.矿用异步电机转速估计仿真研究.山西煤炭():.杨京东杜贤羿李大伟等.基于矢量控制的带式输送机 调制研究.山西煤炭():.祝龙记马永旺王淑莹.带式输送机低速大转矩直驱滚筒控制方案.工矿自动化():.祝龙记黄 琦.矿用电机车永磁同步电动机无位置传感器低速稳定控制.工矿自动化():.彭 威乔鸣忠蒋 超等.虚拟电流注入法在线补偿转子位置估算误差.国防科技大学学报():.王伟华肖 曦.永磁同步电机高动态响应电流控制方法研究.中国电机工程学报():.张国强项润华王高林等.基于静止轴系脉冲信号注入的永磁同步电机无传感器控制策略.中国电机工程学报():.王 鹏王珍王艳颖.基于同步调制技术的 无传感器控制.电子测量技术():.本期编辑:路 方 第 卷