矿山机车无速度传感器矢量控制系统

　　1.引言

　　现代轨道牵引中，异步电机已经逐步代替直流电机而成为主要的轨道牵引用电机种类。为了得到较好的交流调速性能，矢量控制是一种较为理想的控制方法。对于矿山机车牵引系统，为获得较好的控制性能，应针对矿山机车的工作特点对传统的矢量控制系统进行改进。机车运行条件恶劣，震动强烈且工作环境灰尘多，这些条件对速度传感器会 有很大的危害。所以机车在某些情况下不能使用速度传感器，在系统设计时要考虑实现无速度传感器运行，利用电压电流等电量信息估算出电机转速。此外在很多情况下要求机车电机在大于额定转速工作时仍然有足够的转矩输出。所以系统在设计时必须设计合适的弱磁控制算法，以保证电机在额定转速以上的正常工作。

　　本文首先针对矿山机车的工作特点，设计了相应的矿山机车矢量控制系统，然后对系统中的基于模型参考自适应(MRAS)方法转速估算环节进行了分析研究，此后 重点对系统的弱磁环节进行了分析研究，比较分析了传统弱磁控制策略和考虑电机电压电流约束的优化弱磁控制策略。设计并制作了一套基于 TMS320F2812控制器的电机控制系统，在此系统上完成了基于MRAS方法转速估算环节和弱磁环节的实验验证。

　　2.矢量控制原理及系统设计

　　异 步电机本质上是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，由于电机内部各个量的耦合性的存在，直接控制电机的三相输入电压电流的方法得到的结果并不令人满意。经过合适的坐标变换，电机内部电流将会得到解耦，电机的模型将被大大简化。在常用的磁场定向矢量控制系统中，一般使d-q坐标系中的d轴与转子磁场方 向重合，此时转子磁通q轴分量为零，在此坐标系内电机模型如下：

　　由转矩方程可知，此种坐标系的选择方法可以实现电流解耦，从而对转矩和励磁电流分别控制，获得较好的控制性能。

　　由 上面矢量控制的原理可知，异步电机的矢量控制系统就是先对实际电机的三相坐标系下的物理量进行变换，在变换后的坐标系下对电机的磁链和转矩分别控制，确定控制给定量，然后再经过反变换变换至实际三相坐标系系统对电机进行控制的过程。针对前面所提到的矿山机车牵引电机的工作特点，应该在传统的矢量控制中加入 转速估算和弱磁控制环节。综合考虑矿山机车系统的特殊要求本系统结构框图如图1所示。

　　3.基于模型参考自适应(MRAS)方法的转速估算

　　无速度传感器矢 量控制需要准确的估算磁链和转速信息。传统的电压模型法、电流模型法等开环磁链观测方法都存在着观测精度和稳定性不足的问题，而且这些观测器仅能估算出磁链信息，对于转速信息则需要其他估算方法，系统较为复杂。为解决此问题，模型参考自适应(MRAS)方法提供了一个很好的思路，通过选择合适的参考模型和参数可调模型，可以同时观测出电机的转速和磁链信息。