李國(guó)鋒， 夏建民

(北車永濟(jì)新時(shí)速電機(jī)電器有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710016 )

基于MRAS的船舶推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向?qū)崟r(shí)校正技術(shù)

李國(guó)鋒， 夏建民

(北車永濟(jì)新時(shí)速電機(jī)電器有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710016 )

磁場(chǎng)準(zhǔn)確定向是利用電動(dòng)機(jī)間接磁場(chǎng)定向控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁解耦獨(dú)立控制的關(guān)鍵，影響著整個(gè)船舶交流電推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。通過對(duì)船舶電推進(jìn)電動(dòng)機(jī)矢量控制過程中的磁場(chǎng)定向方式進(jìn)行演繹，以觀測(cè)轉(zhuǎn)子q軸磁鏈為模型，分析轉(zhuǎn)子磁鏈大小、位置，并利用MRAS理論通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向?qū)崟r(shí)校正。在實(shí)際應(yīng)用中證明了理論的正確性和磁場(chǎng)準(zhǔn)確定向校正策略的有效性。

電動(dòng)機(jī) 磁鏈觀測(cè)q軸磁鏈誤差 模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)

1 引言

交流異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。它的電流、電壓、磁通和電磁轉(zhuǎn)矩等量均處于相當(dāng)復(fù)雜的耦合狀態(tài)之中。上世紀(jì)70年代，西門子工程師F.Blaschke首先提出異步電動(dòng)機(jī)矢量控制理論解決交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制問題，目前這種理論已廣泛應(yīng)用于各種交流傳動(dòng)系統(tǒng)，特別是在新興的船舶電推進(jìn)系統(tǒng)中得到應(yīng)用和驗(yàn)證。矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向理論分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的目的。高性能異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)建立在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)準(zhǔn)確定向的基礎(chǔ)之上，然而電機(jī)運(yùn)行過程中，容易受到溫度、頻率、磁路飽和和雜散損耗等工況的影響，造成磁鏈觀測(cè)誤差及電磁轉(zhuǎn)矩觀測(cè)誤差，導(dǎo)致異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在弱磁或者磁場(chǎng)飽和狀態(tài)，加劇電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和轉(zhuǎn)速脈動(dòng)。目前應(yīng)用中的船舶交流電推進(jìn)系統(tǒng)中控制變流器已經(jīng)具備異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)自適應(yīng)辨識(shí)功能，使變頻器在驅(qū)動(dòng)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正常運(yùn)行過程中自動(dòng)完成電動(dòng)機(jī)參數(shù)的辨識(shí)，同時(shí)根據(jù)辨識(shí)結(jié)果調(diào)制控制算法中的有關(guān)參數(shù)，達(dá)到矢量控制的最優(yōu)化。

模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(Model Reference Adaptive System,簡(jiǎn)稱MRAS)是利用不含待辨識(shí)參數(shù)的參考模型和含有待辨識(shí)參數(shù)的可調(diào)模型相減得到一個(gè)輸出誤差，然后設(shè)計(jì)一個(gè)自適應(yīng)規(guī)律改變可調(diào)模型的輸出值，使得可調(diào)模型和參考模型輸出誤差為零。原理如圖1所示。

圖1 模型參考自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)圖

船舶電推進(jìn)中推進(jìn)電機(jī)的矢量控制以q軸磁鏈為模型，涉及到牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)、定子電壓重構(gòu)、定子電流檢測(cè)、轉(zhuǎn)差頻率的計(jì)算和補(bǔ)償?shù)?，?shí)現(xiàn)精確的矢量控制。

2 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)

異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的大小和位置、磁鏈的準(zhǔn)確估計(jì)對(duì)電機(jī)的控制性能非常關(guān)鍵，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向即是按轉(zhuǎn)子全磁鏈?zhǔn)噶喀穜定向。要得到轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆岛拖辔唬赏ㄟ^異步電動(dòng)機(jī)磁鏈模型進(jìn)行計(jì)算，模型分為電流模型和電壓模型，兩種模型是進(jìn)行轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)的常用模型，船舶推進(jìn)變流器控制中磁鏈測(cè)量觀測(cè)使用的是電壓模型。

在靜止兩相α-β坐標(biāo)系中由異步電機(jī)的電壓方程式可以得出：

(1)

式中：usα、isα為定子在α軸的電壓和電流；usβ、isβ為定子在β軸的電壓和電流；Rs、Ls為定子繞組的電阻和電感；Lm為定轉(zhuǎn)子繞組間的互感。

牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈方程為

(2)

式中：Ψrα、Ψrβ為α軸和β軸的定子磁鏈；irα、irβ為轉(zhuǎn)子在α、β軸的電流。

由式(2)得到轉(zhuǎn)子電流在α、β軸分量：

(3)

利用式(3)把式(1)中的irα、irβ置換并整理后得到：

那怎么辦，等還是不等？真的交給運(yùn)氣？比較靠譜的方法我認(rèn)為是斟酌考慮，比如從車流量看路況，從差不多路線的其它公交車上猜測(cè)情況，再可憑多日坐車的經(jīng)驗(yàn)等等來判斷。

(4)

式中：σ為漏感系數(shù)。

式(4)構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型如圖2所示。

圖2 電壓模型磁鏈觀測(cè)器運(yùn)算框圖

基于電壓模型法的磁鏈觀測(cè)需要定子電阻、定子電感、轉(zhuǎn)子電感、定轉(zhuǎn)子互感等參數(shù)，船舶推進(jìn)變流器的控制過程中假定定子電感、轉(zhuǎn)子電感不變，定轉(zhuǎn)子互感則考慮了氣隙磁通變化造成的影響，定子電阻的變化則通過安裝在定子上的溫度傳感器的反饋進(jìn)行校正計(jì)算，定子電流利用電流傳感器進(jìn)行測(cè)量，電壓信號(hào)則通過電壓重構(gòu)來確定。

船舶電推進(jìn)變流器采用電壓源逆變器技術(shù)，利用電壓重構(gòu)技術(shù)得到磁鏈觀測(cè)器中的電壓變量值，電壓重構(gòu)方式選擇基于PWM(脈寬調(diào)制Pulse Width Modulation)占空比配合中間電壓測(cè)量并考慮針對(duì)半導(dǎo)體器件軟件補(bǔ)償技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。理想的輸出電壓重構(gòu)計(jì)算為

(5)

式中：Van、Vbn、Vcn為變頻器輸出三相電壓；s1、s2、s3為三相橋臂上橋臂的占空比；Vdc為中間直流回路電壓值。

由于半導(dǎo)體器件為非理想器件，人為設(shè)置的死區(qū)時(shí)間、開通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間以及器件的管壓降都會(huì)造成輸出電壓的失真，經(jīng)過補(bǔ)償后重構(gòu)的變頻器輸出電壓為[2]

(6)

基于電壓模型法和電壓重構(gòu)形成的機(jī)車牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。

圖3 磁鏈觀測(cè)模型框圖

電壓模型法用于高速時(shí)性能比較好，低速時(shí)因電機(jī)產(chǎn)生的反電勢(shì)較小，在此基礎(chǔ)上計(jì)算得到的轉(zhuǎn)子磁鏈不太準(zhǔn)確；由于船舶推進(jìn)電機(jī)配置了轉(zhuǎn)速傳感器，因此低速時(shí)選擇磁鏈開環(huán)的轉(zhuǎn)差頻率矢量控制方式來過渡，此時(shí)根據(jù)性能需求允許在機(jī)車啟動(dòng)時(shí)考慮預(yù)勵(lì)磁功能。

3 基于q軸磁鏈的MRAS參數(shù)辨識(shí)與校正

電壓模型磁鏈觀測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測(cè)，且觀測(cè)器不受轉(zhuǎn)子電阻變化的影響，但模型中包含定子電阻Rs、Ls、Lr、Lm等電動(dòng)機(jī)參數(shù)，這些參數(shù)的穩(wěn)定性不同但都不是固定不變的；同時(shí)電壓模型包含積分項(xiàng)，積分的初始值和累計(jì)誤差都會(huì)影響到計(jì)算結(jié)果，使電壓模型不夠準(zhǔn)確，影響到磁鏈的觀測(cè)精度。船舶推進(jìn)電機(jī)磁鏈觀測(cè)采用在線參數(shù)自適應(yīng)辨識(shí)的方法進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，基本框圖如圖4所示。

圖4 基于q軸磁鏈的MRAS系統(tǒng)計(jì)算框圖

以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制系統(tǒng)中，將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸固定在轉(zhuǎn)子磁鏈相同方向上，此時(shí)轉(zhuǎn)子磁鏈在q軸上的分量應(yīng)該為0。由于磁鏈觀測(cè)的誤差，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁鏈在dq軸上的分量重新分配，除了d軸存在轉(zhuǎn)子磁鏈分量外，q軸會(huì)存在磁鏈分量而不再為0。為此構(gòu)成磁鏈方向的自適應(yīng)調(diào)節(jié)模型，如圖5所示。

圖5 自適應(yīng)調(diào)節(jié)模型

根據(jù)圖5構(gòu)造的q軸磁鏈可調(diào)模型為

(7)

MARS自適應(yīng)調(diào)節(jié)的過程為：利用重構(gòu)的電壓和采樣得到的電流進(jìn)行磁鏈觀測(cè)，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換得到q軸磁鏈分量Ψadj，如果該值不為0，意味著轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向不準(zhǔn)確，這來源于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換所采樣的磁場(chǎng)定向角度ρ不準(zhǔn)確，ρ的偏差則在于轉(zhuǎn)差頻率計(jì)算時(shí)所選擇的電機(jī)參數(shù)的偏差，針對(duì)電機(jī)參數(shù)偏差的實(shí)時(shí)校正，不僅提高磁鏈觀測(cè)的準(zhǔn)確性，同時(shí)也為電機(jī)參數(shù)的實(shí)時(shí)校正提供條件。

對(duì)于自適應(yīng)機(jī)制的選取，有兩種較常用的設(shè)計(jì)方法，李雅普諾夫定理和超穩(wěn)定性理論。對(duì)于高階的線性系統(tǒng)或者多個(gè)自適應(yīng)變量的系統(tǒng)，自適應(yīng)機(jī)制的設(shè)計(jì)比較繁瑣，數(shù)學(xué)推導(dǎo)復(fù)雜，計(jì)算量大。船舶交流傳動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)在假設(shè)條件下使可調(diào)模型是一階變量，采用最簡(jiǎn)單的自適應(yīng)機(jī)制：PI調(diào)節(jié)器。比較特別的是參考模型設(shè)定為0，當(dāng)q軸磁鏈不為0時(shí)，偏差將經(jīng)過PI調(diào)解，產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)差頻率補(bǔ)償值Δ(見式8)，針對(duì)補(bǔ)償后的轉(zhuǎn)差頻率經(jīng)過積分環(huán)節(jié)后修正磁鏈角度。

(8)

4 結(jié)論

基于大功率、高電壓等級(jí)IGBT的變流器矢量控制策略有其自身的特點(diǎn)和規(guī)律，這些特點(diǎn)和規(guī)律已經(jīng)在船舶上得到應(yīng)用，驗(yàn)證了系統(tǒng)抵抗參數(shù)變化和抗干擾的魯棒性。船舶電推進(jìn)系統(tǒng)是本公司針對(duì)高鐵技術(shù)引進(jìn)關(guān)鍵核心技術(shù)消化吸收并推廣應(yīng)用的成果，以高鐵技術(shù)引進(jìn)為基礎(chǔ)的大功率交流電傳動(dòng)系統(tǒng)在船舶電推進(jìn)領(lǐng)域的推廣僅僅是個(gè)開始，將為后續(xù)基于3 300 V/1 500 A、4 500 V/900 A、6 500 V/600 A等級(jí)IGBT器件，單軸電推進(jìn)功率達(dá)到8 MW、16 MW的船舶交流電推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)積累經(jīng)驗(yàn)。

[1] 陳伯時(shí)，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[2] 冬雷，李永東，王文森等.矢量控制中感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻的自適應(yīng)辨識(shí)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2002,17(4)：13-17.

[3] 孫向東，尚媛，鐘彥儒等.三相電壓源逆變器輸出電壓重構(gòu)技術(shù)的研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005,21(2)：122-124.

[4] Lorenz R D. A Simplified Approach to Continuous On-Line Tuning of Field-Oriented Induction Machine Drives[J].Industry Applications,IEEE Transactions on,1990,3(26):420-424.

The MRAS-based Rotor Flux Orientation Real-time Correction Technique for Traction Motor of ship

LI Guo-feng， XIA Jian-min

(Technical Center,NCR Yongji Xinshisu Motor Electrical Equipment Co., Ltd.,Xian Shannxi 710016, China)

Accurate flux orientation is the key to achieve decoupling and independent control for torque and excitation using indirect field oriented control technology of electric motor, which has an influence on static and dynamic performance of the whole ship’s AC propulsion system. In this paper, the mode of flux orientation in ship’s propulsion motor vector control process is deducted. Based on the rotor q-axis flux model, we analysis the magnitude and location of the rotor flux, and by using the MRAS theory and adaptively adjusting to realize the real-time correction of rotor field oriented Experimental results verify that theoretical analysis is correct and correction strategy for accurate field orientation is effective.

Traction motor Flux estimationq-axis flux error MARS

李國(guó)鋒(1969-)，男，高級(jí)工程師。

U672

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