基于MRAS的带式输送机PMSM无传感器系统研究.pdf

第 卷第期 年月山西煤炭 文章编号：（）犇 犗 犐：基于犕犚 犃 犛的带式输送机犘犕 犛 犕无传感器系统研究杨京东，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：针对矿用带式输送机常规采用的异步电机结合减速器存在维护成本高、运行效率低、机械传感器易受矿井环境干扰等问题，研究了一种基于模型参考自适应系统（）的永磁同步电机（）无速度传感器控制方案。通过对基于 的带式输送机 无传感器系统进行仿真分析，发现该系统模型能准确稳定地检测转子的速度和位置，具有良好的动态性能和稳态性能。关键词：带式输送机；永磁同步电机；无速度传感器；模型参考自适应系统；仿真中图分类号：文献标识码：开放科学（资源服务）标识码（犗 犛 犐 犇）：犚 犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺狅 狀犘犕 犛 犕犛 犲 狀 狊 狅 狉 犾 犲 狊 狊犛 狔 狊 狋 犲 犿狅 犳犅 犲 犾 狋犆 狅 狀 狏 犲 狔 狅 狉犅 犪 狊 犲 犱狅 狀犕犚 犃 犛犢 犃 犖 犌犑 犻 狀 犵 犱 狅 狀 犵，犔 犐犇 犪 狑 犲 犻，犇 犝犡 犻 犪 狀 狔 犻，犠犝犓 犪 狀 犵，犚 犈 犖犔 犻 狊 犺 狌 犪 狀 犵（犆 狅 犾 犾 犲 犵 犲 狅 犳犆 狅 犪 犾犈 狀 犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀 犵，犛 犺 犪 狀 狓 犻犇 犪 狋 狅 狀 犵犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔，犇 犪 狋 狅 狀 犵 ，犆 犺 犻 狀 犪）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，（）（），犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；矿用带式输送机是一种被广泛应用于矿山生产中的持续性运输机械。现代带式输送机的驱动装置主要由异步电机和减速器构成，并安装机械传感器检测电机转子数据。由于前端来料的不确定性及后端的大余量设计，带式输送机通常都不会全负荷运行，而异步电机在低速轻载时功率因素降低，对电网安全经济运行不利。随着稀土材料价格走低，永磁体制造工艺不断成熟，永磁同步电机越来越受到国内外学者的重视。由于永磁同步电机（）相比异步电机具有损耗小、构造简单、效率高、适合广范围调速以及功率密度大等优点，且在低速运行时性能良好，无需增加减速器，因此 应用于矿用皮带输送机将更加安全、经济、高效。矿用带式输送机的工作环境具有粉尘较多和抖动较大等不可避免的情况，机械传感器往往会因机械运行造成异常甚至损毁，既增大了安装和维护成收稿日期：作者简介：杨京东（），男，山西太原人，硕士研究生，主要从事电机及其控制技术研究工作，：引文格式：杨京东，李大伟，杜贤弈，等基于 的带式输送机 无传感器系统研究山西煤炭，（）：，（）：本，又使驱动系统受到不良干扰，使得整个系统的稳定性降低。因此，通过无速度传感器控制方式对 的电流或电压采样，可以间接或直接得到转子位置，增强运行稳定性，缩减机械成本，并使系统对不同工况的兼容性更强，无速度传感器控制方式已经成为控制 的主流发展趋势。目前，无速度传感器的控制方式主要有两大类，即基于基波数学模型控制和基于凸极特性控制。文献 运用滑模观测器，在切换过程中容易造成转矩脉动过大，影响电机的可靠性。文献运用直接转矩控制，其响应速度快，但存在较大的磁链和转矩脉动，且逆变器开关频率不恒定。文献运用卡尔曼滤波器，但电机在实际应用中的运行曲线是非线性的，计算上使用的是协方差矩阵，这在运算过程中更耗时，并且需要更复杂的算法。文献采用磁链估计法，其算法简单但依赖电机参数，无法在电机参数随着工况变化而变化的情况下应用。文献 运用三次谐波反电动势法，其限制较多，若无法从电机内部引出中性点或三次谐波分量很小时，均无法应用该方法。而模型参考自适应系统（）算法具有抗干扰能力强、稳态精度高、能保证参数估计的渐进收敛性等优点，具有一定的研究意义。算法的基本原理 算法主要包括选择参考模型、确定可调模型和设计自适应律。参考模型一般选择 本身的电压方程或电流方程，表达式中的参数均为已知；可调模型则是根据被测量所建立的模型，将含未知参数的方程建立模型；自适应律是对参考模型和可调模型中输出的实际被测量和估计被测量进行误差调整，不断使误差趋于零，达到使估计量不断趋近于实际量的目的，进而实现对 转子速度和位置的辨识。通常，算法的基本结构如图所示。其中，狌为控制器的输入，狓、狓分别是参考模型和可调模型的状态矢量。图 并联型结构 要想使 系统获得高性能、高精度且优良的控制效果，关键在于构建与系统相匹配的自适应率。通常采用以下种方法来设计参数自适应率：以局部参数最优化理论为基础，使可调模型快速逼近参考模型，但该方法计算量大、耗时长、系统响应慢；以 稳定性理论为基础构建自适应率，该方法可提高系统的稳定性，但是涉及的函数多且繁杂，没有确定的形式，实际应用相对困难；以 超稳定性理论为基础，利用逆向求解不等式构建自适应律，公式过程简单，原理易懂，应用较为广泛。因此本文采用以 超稳定性理论为基础的设计方法，来构建 系统的参数自适应率。参考模型与可调模型的确定 在犱 狇坐标系下的电压方程为：狌犱犚 犻犱犔犱犱 犻犱犱 狋犻犔狌狇犚 犻狇犔狇犱 犻狇犱 狋犻犔烅烄烆（）式中：狌犱、狌狇为犱、狇轴的电压，；犻犱、犻狇为犱、狇轴的电流，；犔犱、犔狇分别为犱、狇轴的电感，；犚为定子电阻，；为转子角速度，；为永磁体磁通，；犔为定子电感，；狋为时间，。为了便于分析，将该式写成电流方程的形式：犱犱 狋犻犱犚犔狊犻犱犻犔狌犱犱犱 狋犻狇犚犔狊犻狇犻犔犔狌烅烄烆（）将式（）中 的电流模型化简，可表示为：犱犱 狋犻犱犔犻熿燀燄燅狇犚犔犚犔熿燀燄燅犻犱犔犻熿燀燄燅狇狌犱犚 犔狌熿燀燄燅狇（）在此，定义式中犻犱犻犱犔，犻狇犻狇，狌犱狌犱犚 犔，狌狇狌狇，可得：犱犱 狋犻犱犻 狇犚犔犚犔熿燀燄燅犻犱犻 狇狌犱狌 狇（）可以看出，式（）中含有电机电角速度变量，选择电机本体作为参考模型，考虑到机械系统的时间常数远大于电气时间常数，因此在一个采样周期内，电机电角速度保持不变，因此式（）可以作为参考模第期杨京东，等：基于 的带式输送机 无传感器系统研究型。可调模型可表示为式（）：犱犱 狋犻犱犻熿燀燄燅狇犚犔犚犔熿燀燄燅犻犱犻熿燀燄燅狇狌犱狌 狇（）式中：犻犱、犻狇为犱、狇轴电流的估计值，；为待估计的变量。参考自适应律的确定以下是根据选定的 稳定性理论来对自适应律进行设计的过程。首先令误差矢量犲犻犻，将 式（）中 的 参 考 模 型 与 式（）中 的可调模型相减可得误差表达式：犱犱 狋犲犱犲 狇犚犔犚犔熿燀燄燅犲犱犲 狇（）犑犻犱犻熿燀燄燅狇（）将误差表达式简化表示为：犱犱 狋犲犃 犲犠（）式 中：犲犲犱犲 狇；犠（）犑 犻狊；犑；犃犚犔犚犔熿燀燄燅；犲犱、犲狇为犱、狇轴电流的误差。通过式（）的误差表达式能够构建出 的等效非线性系统，如图所示。图中虚线框是前馈环节，犘为增益矩阵，将误差矢量犲转为自适应矢量犞来控制时变环节，当犞输入反馈环节，就可以输出反馈矢量犠。根据 超稳定性理论，非线性时变反馈环节要同时满足以下要求：）线性环节传递矩阵犎狊（狊 犐犃）为正定。），狋（）狋犞犜犠狋，为任意有限正数，狋。逆向求解 积分不等式可构建自适应率，过程如下：令犞犲狊，将犠和犞代入至不等式中，得到：，狋（）狋犲犜（）犐 犻犱 狋（）式中：为拉普拉斯算子；犐为狀狀单位矩阵；狋为时间变量。图 的等效非线性系统 自适应率可写为如下形式：狋犉狏，（）狋犱 犉狏，（）狋（）（）式中：（）为转速在初始时刻的估计值，；狏为速度变量。式（）中，令（），将式（）代入式（）可以得到式（）：，狋（）狋犲犜狋犉狏，（）狋犱 犉狏，（）狋（）犲犐 犻犱 狋（）式中：为时间常数。式（）可转化为：（，狋）狋犲犜狋犉狏，（）狋犱（）犐 犻犱 狋狋犲犜犉狏，（）狋犐 犻犱 狋（）可以将式（）分解为两部分，如下所示：，狋（）狋犲犜狋犉狏，（）狋犱（）犐 犻犱 狋（），狋（）狋犲犜犉狏，（）狋犐 犻犱 狋（）令犓犻犳（）狋狋犉狏，（）狋犱（）犳（）狋犲犜犐 犻烅烄烆（）式中：、为任意有限正数；犓犻为积分增益。将式（）代入式（）、式（）可得：，狋（）狋犓犻犳（）狋犳（）狋犱 狋犓犻犳 狋（）犳（）（）对式（）求导可得：犉狏，（）狋犓犻犳（）狋犓犻犲狋犐 犻（）山西煤炭第 卷若犉狏，（）狋犓犻犳（）狋犓犻犲犜犐 犻，满 足，狋（）。若犉狏，（）狋犓犻犳（）狋也 满 足，狋（）。将犉狏，（）狋犉狏，（）狋犓犻犲犜犐 犻代入式（）中，可得到估算转速的自适应率：狋犓犻犻犱犻狇犻犱犻（）狇犱 犓狆（犻犱犻狇犻犱犻狇）（）（）式中：犓狆为比例增益。将犻犱犻犱犳犔狊，犻狇犻狇，狌犱狌犱犚犳犔狊，狌狇狌狇代入上式得：犓犻狊犓（）狆（）式（）中：犻犱犻狇犻犱犻（）狇犻 狊犻 狊犻犱犻狇犻犱犻狇犔犻狇犻（）狇（）式中：为输出误差；犻 和犻 为实际电流和估计电流，。图为基于 的转速辨识系统图。图基于 的转速辨识系统 对式（）求积分，能够得到估计的转子位置值，即：犱（）由式（）和式（）可以得到转子辨识算法，整个算法的结构框图如图所示。图 法控制系统 仿真建模与结果分析为了验证以上理论推导的正确性，同时对矿用带式输送机的现场运行工况进行模拟，设计可调模型、参考模型以及基于 超稳定性理论的自适应率。依据图的基于 法的转子位置检测原理图，利用 软件对带式输送机 建立基于 法矢量控制系统的仿真模型如图所示。仿真参数如表所示。由式（）可搭建如图的可调模型仿真模块。其中，输入量“”为实际定子电压直轴分量狌犱；输入量“”为交轴分量狌狇；输入量“”为转速估算值；输出量“”为定子电流直轴分量估计值犻犱；输出量“”为交轴分量估计值犻狇。由式（）可搭建如图的转速自适应律仿真模型。其中，输入量“”表示实际定子电流直轴分量犻犱；输入量“”表示实际定子电流交轴分量犻狇。表 仿真参数 额定功率犘 定子电阻犚狊阻尼系数（）母线电压犝犱 犮转动惯量犑（）极对数狀狆定子电感犔狊磁链 图基于 的 无速度传感器矢量控制框图 第期杨京东，等：基于 的带式输送机 无传感器系统研究图基于 的 无速度传感器仿真 图可调模型仿真模块 图自适应律仿真模型 由图和图可组成如图的 仿真模型。其中，子系统“”为可调模型仿真模块；子系统“”为自适应律仿真模块。输出量“”表示转子角度；输出量“”表示电机电角速度。仿真设定矿用带式输送机 初始转速值为 ，在系统运行到 时突加负载转矩犜，系统仿真结果如图 所示。图模型参考自适应模块 （）估计转子与实际转子速度（）转速估计误差山西煤炭第 卷（）估计转子与实际转子位置（）转子位置估计误差（）三相电流（）电磁转矩图 基于 法的仿真结果 从图 矿用带式输送机 的仿真波形图可知，当电机转速从零上升到参考转速 时，转 子速 度 和 转子 位置 的 误 差较 大，但均可在 内迅速使误差值稳定在零值上下波动；当系统运行到 时，误差值经略微波动即可恢复稳定运行。结果表明，该系统转速可以较好地跟随系统设定值，转速上升时间短，跟踪速度快，负载转矩突变时产生较小波动，三相正弦电流和电磁转矩都具有较好的动态响应性能。上述结果说明，本文所设计的基于 法的带式输送机 无速度传感器控制技术在设备运行时可以满足系统要求。结束语为解决矿用带式输送机异步电机存在低效运行且机械传感器易受干扰的问题，提出永磁同步电机无速度传感器控制。应用 法对矿用带式输送机 无传感器系统进行控制，构造 的参考模型和可调模型，设计基于波波夫超稳定性定理的转速估计自适应律，并在 中搭建仿真模块进行实验。实验结果证明了基于 法的带式输送机 无传感器系统控制策略的有效性，该方法具有良好的动态性能和稳态性能，能满足矿用带式输送机的控制要求。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，（）：，（）：禹聪，康尔良永磁同步电机模糊滑模速度控制器设计电机与控制学报，（）：，第期杨京东，等：基于 的带式输送机 无传感器系统研究 ，（）：潘森林，高瑾永磁同步电机无速度传感器控制技术综述微电机，（）：，（）：张蔚，王家乐，梁惺彦，等混合励磁轴向磁通切换永磁电机全速域无位置传感器控制中国电机工程学报，（）：，（）：夏立峰基于滑模观测器的永磁同步电机转子角度估算的研究现代机械，（）：，（）：乔铭永磁同步电机直接转矩控制仿真现代制造技术与装备，（）：，（）：郑大坤，周云山，李航洋，等基于 的无传感器永磁同步电机控制器设计微电机，（）：，（）：，：，（）：叶鹏电动汽车用 无速度传感器控制研究淮南：安徽理工大学，（编辑：安娜）（上接第 页）王国法，杜毅博，徐亚军，等中国煤炭开采技术及装备 年发展与创新实践：纪念 煤炭科学技术 创刊 周年煤炭科学技术，（）：，：，（）：王碧荣综采工作面三角煤回采工艺研究山西冶金，（）：，（）：，葛世荣，王忠宾，王世博互联网采煤机智能化关键技术研究煤炭科学技术，（）：，（）：詹召伟煤矿综采工作面智能化开采关键技术和发展方向能源与节能，（）：，（）：王国锋，沈飞，程立严，等顾桥煤矿智能化综采工作面建设关键技术及改进方向中国煤炭，（）：，（）：佟化洲，鲁玉龙，李洪阳煤矿采煤机智能化关键技术探讨中国设备工程，（）：夏护国采煤机位置监测装置的原理与应用矿山机械，（）：（编辑：安娜）山西煤炭第 卷