1.引言
現(xiàn)代軌道牽引中，異步電機已經(jīng)逐步代替直流電機而成為主要的軌道牽引用電機種類。為了得到較好的交流調(diào)速性能，矢量控制是一種較為理想的控制方法。對于礦山機車牽引系統(tǒng)，為獲得較好的控制性能，應針對礦山機車的工作特點對傳統(tǒng)的矢量控制系統(tǒng)進行改進。機車運行條件惡劣，震動強烈且工作環(huán)境灰塵多，這些條件對速度傳感器會有很大的危害。所以機車在某些情況下不能使用速度傳感器，在系統(tǒng)設計時要考慮實現(xiàn)無速度傳感器運行，利用電壓電流等電量信息估算出電機轉(zhuǎn)速。此外在很多情況下要求機車電機在大于額定轉(zhuǎn)速工作時仍然有足夠的轉(zhuǎn)矩輸出。所以系統(tǒng)在設計時必須設計合適的弱磁控制算法，以保證電機在額定轉(zhuǎn)速以上的正常工作。
本文首先針對礦山機車的工作特點，設計了相應的礦山機車矢量控制系統(tǒng)，然后對系統(tǒng)中的基于模型參考自適應（MRAS）方法轉(zhuǎn)速估算環(huán)節(jié)進行了分析研究，此后重點對系統(tǒng)的弱磁環(huán)節(jié)進行了分析研究，比較分析了傳統(tǒng)弱磁控制策略和考慮電機電壓電流約束的優(yōu)化弱磁控制策略。設計并制作了一套基于TMS320F2812控制器的電機控制系統(tǒng)，在此系統(tǒng)上完成了基于MRAS方法轉(zhuǎn)速估算環(huán)節(jié)和弱磁環(huán)節(jié)的實驗驗證。
2.矢量控制原理及系統(tǒng)設計
異步電機本質(zhì)上是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，由于電機內(nèi)部各個量的耦合性的存在，直接控制電機的三相輸入電壓電流的方法得到的結(jié)果并不令人滿意。經(jīng)過合適的坐標變換，電機內(nèi)部電流將會得到解耦，電機的模型將被大大簡化。在常用的磁場定向矢量控制系統(tǒng)中，一般使d-q坐標系中的d軸與轉(zhuǎn)子磁場方向重合，此時轉(zhuǎn)子磁通q軸分量為零，在此坐標系內(nèi)電機模型如下：

由轉(zhuǎn)矩方程可知，此種坐標系的選擇方法可以實現(xiàn)電流解耦，從而對轉(zhuǎn)矩和勵磁電流分別控制，獲得較好的控制性能。
由上面矢量控制的原理可知，異步電機的矢量控制系統(tǒng)就是先對實際電機的三相坐標系下的物理量進行變換，在變換后的坐標系下對電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩分別控制，確定控制給定量，然后再經(jīng)過反變換變換至實際三相坐標系系統(tǒng)對電機進行控制的過程。針對前面所提到的礦山機車牽引電機的工作特點，應該在傳統(tǒng)的矢量控制中加入轉(zhuǎn)速估算和弱磁控制環(huán)節(jié)。綜合考慮礦山機車系統(tǒng)的特殊要求本系統(tǒng)結(jié)構框圖如圖1所示。

3.基于模型參考自適應（MRAS）方法的轉(zhuǎn)速估算
無速度傳感器矢量控制需要準確的估算磁鏈和轉(zhuǎn)速信息。傳統(tǒng)的電壓模型法、電流模型法等開環(huán)磁鏈觀測方法都存在著觀測精度和穩(wěn)定性不足的問題，而且這些觀測器僅能估算出磁鏈信息，對于轉(zhuǎn)速信息則需要其他估算方法，系統(tǒng)較為復雜。為解決此問題，模型參考自適應（MRAS）方法提供了一個很好的思路，通過選擇合適的參考模型和參數(shù)可調(diào)模型，可以同時觀測出電機的轉(zhuǎn)速和磁鏈信息。
對于矢量控制系統(tǒng)，根據(jù)兩相靜止 坐標系下異步電機的數(shù)學模型可以得到兩種形式的磁鏈估算模型：
電壓模型

可見兩個模型的輸出均為電機磁鏈，由于在電壓模型中沒有轉(zhuǎn)速項，所以可以選用電壓模型作為參考模型。電流模型作為參數(shù)可調(diào)模型，轉(zhuǎn)速作為可調(diào)參數(shù)，根據(jù)Popov超穩(wěn)定性理論，選取誤差量為

選取比例積分自適應率，即可求得角速度，辨識公式為：

這樣利用模型參考自適應方法就可以同時獲得電機的磁鏈和轉(zhuǎn)速信息，一定程度上簡化了系統(tǒng)的結(jié)構。MRAS是基于觀測器的穩(wěn)定性設計的辨識方法，它保證了參數(shù)估計的漸進收斂性。由于MRAS的觀測器是以參考模型為基準的，參考模型本身的參數(shù)準確程度直接影響到速度和磁鏈辨識的精度。為消除電壓模型中純積分的影響，可以對電壓模型進行改進：利用一階慣性環(huán)節(jié)代替對反電動勢的純積分環(huán)節(jié)，慣性環(huán)節(jié)所引進的狀態(tài)估計相位滯后由參考轉(zhuǎn)子磁鏈的濾波信號來補償。本系統(tǒng)中所采用的改進的電壓模型如圖2所示：

改進后的模型仍然存在低速時估算精度較低的問題，在礦山機車牽引系統(tǒng)中低速工作情況較少，所以此模型適用于機車牽引電機控制系統(tǒng)。
4.弱磁控制
在實際系統(tǒng)運行過程中，磁場電流和轉(zhuǎn)矩電流不能任意給定，必須考慮各種約束條件以保證電機的正常運行，避免過熱過流及運行不穩(wěn)定等問題。系統(tǒng)中逆變器的輸出電壓存在極值，在SVPWM調(diào)制策略下，其輸出的最大相電壓幅值為 ，其中 為直流母線電壓。逆變器的輸出電流以及電機所能承受的電流也是有限的，存在最大輸出電流限制 ?？刂茣r應保證電壓限制 ，電流限制 ，由矢量控制原理可以推得穩(wěn)態(tài)下電壓關系 ，其中 為同步轉(zhuǎn)速， 為電機瞬態(tài)電感， 分別為電機的定子、轉(zhuǎn)子以及勵磁電感?？梢娫诤雎噪娮鑹航禃r，電機的端電壓近似正比于磁鏈和速度之積。當電機的轉(zhuǎn)速大于電機的額定轉(zhuǎn)速時，若保持磁鏈為額定磁鏈不變而提升電機轉(zhuǎn)速，會導致最大轉(zhuǎn)矩電流減小，影響電機的轉(zhuǎn)矩輸出能力，為了避免這種情況最直接的方法就是再增加轉(zhuǎn)速的同時削弱電機內(nèi)部磁場強度，降低勵磁電流從而控制電機的端電壓維持在額定值。
基本弱磁控制
由于在電壓約束表達式中 ，所以在轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速后令 ，其中 為額定同步轉(zhuǎn)速， 為當前電機同步轉(zhuǎn)速， 為額定勵磁電流。這樣可以保證維持電流所需的電壓基本恒定，不會隨轉(zhuǎn)速升高而明顯上升。為了方便工程實現(xiàn)，常用電機的轉(zhuǎn)子速度 代替 。由于電機轉(zhuǎn)矩與 乘積成正比。此時隨著轉(zhuǎn)速的上升，電機的輸出轉(zhuǎn)矩會隨速度的反比降低，電機的輸出功率恒定，這就是基本弱磁控制。此種控制方法下，電機的轉(zhuǎn)矩和功率輸出如圖3所示。

此種方法不受電機參數(shù)的影響，便于工程實現(xiàn)，但是沒有考慮全部電機運行約束的限制，無法合理分配電流以使轉(zhuǎn)矩最大化，而且由于電機內(nèi)部 ，所以此算法無法保持勵磁電壓恒定，勵磁電壓會隨著轉(zhuǎn)速的上升而不斷增大，可能導致電流無法有效跟隨，影響運行穩(wěn)定性。
優(yōu)化弱磁控制









6. 結(jié)論
由于礦山機車工作環(huán)境的特殊性，在設計礦山機車牽引電機矢量控制系統(tǒng)時必須考慮速度估算環(huán)節(jié)和弱磁控制環(huán)節(jié)，基于MRAS方法的轉(zhuǎn)速估算方法可以同時估算電機的轉(zhuǎn)速和磁鏈信息，簡化了系統(tǒng)結(jié)構，較為適合應用于牽引電機矢量控制系統(tǒng)中。優(yōu)化弱磁控制可以保證電機的最大轉(zhuǎn)矩輸出，使電機有更好的帶載能力和更寬的運行范圍，較為適合應用在對電機轉(zhuǎn)矩輸出要求較高的牽引電機矢量控制系統(tǒng)中。