WK 系列挖掘机电机辨识研究

2014-11-28何俊强

山西电子技术 2014年5期

何俊强，张宇

(太原重工股份有限公司，山西太原 030024)

大型矿用挖掘机调速系统从最初的发电机-电动机系统到90 年代的可控硅控制系统，再到如今的变频电控系统，其发展历程代表了电气调速系统的发展方向。如今，WK 系列矿用挖掘机性能卓越，达到了国际同类产品的先进水平，生产能力已远远超出其设计生产能力。其核心变频系统更是代表了当今矿用挖掘机的最高水平。变频调速系统已经成功应用于电铲这一特殊行业。

1 传动系统电机辨识分析

WK 系列挖掘机采用西门子或ABB 变频传动系统。变频传动系统结构复杂，性能卓越。变频调速系统从理论形成到成熟的产品不过短短的30 年时间。如今，变频调速已应用于各行各业，大有取代直流调速的趋势。作为变频系统的核心，矢量控制或直接转矩控制方案都非常依赖于电机的数学模型。因此，为了实现高性能控制效果，必须要很好的完成电机辨识这一关键的一步。

电机辨识即通过计算电机铭牌参数，并通过变频装置对电机通以特定的电压、电流得到电机数学模型所需要的各参数，实现电机的高性能控制。无论是基于矢量控制理论的西门子变频系统，还是基于直接转矩控制理论的ABB 变频系统，其性能完全依赖于其中所使用到电机参数的准确程度。如果电机参数不准确，将直接导致性能指标下降甚至导致变频器故障。因此，电机辨识的作用是在电机正常运行前，得到电机的等效电路参数［1］。

1.1 矢量控制电机辨识分析

矢量控制的基本思路是利用坐标变换的方法，将交流电动机的控制特性等效为一台直流电动机，从而可用直流电动机的控制方法去控制交流电动机，得到与直流电动机相似的性能指标。对于矢量控制技术，在旋转dq 坐标系下其异步电机的等效电路图如图1［2，3］。

图1 dq 坐标系下异步电机的等效电路图

电机的磁链转矩公式如下:

其中:P 为电机极对数;ψqm，ψdm分别为d，q 轴磁链;ids，iqs为dq 轴电流;idr，iqr分别为dq 轴转子电流;Lm定子电感。

我们不难从上述公式中得出结论，磁链公式是在dq 同步旋转坐标系下得到，并且转矩与磁链相差90°的电角度，实现了自然解耦，因此可以实现电机的高精度控制。我们可以从上述公式中得出结论，想要实现高性能控制，其dp 轴磁链电感一系列等参数必须精确。因此，电机辨识至关重要。

根据电机的旋转坐标系模型，知道了电机的精确参数，便可实现控制目标，电机辨识即为了完成此项目标。控制器得到电机的铭牌参数后，电机在变流器通电的状态下根据测量的电压，电流，转速等参数，通过电测量计算出电机的漏感，转子电阻等，便可得到电机磁链曲线等。知道了磁链及转矩，并且磁链及转矩相差90°的电角度，相互独立，便可对电机进行高性能控制。电机辨识还有一项额外的功能，自动调节整定动态比例积分值，免去调试人员繁琐的调节时间［4］。

1.2 直接转矩控制(DTC)电机辨识分析

对于ABB 引领的直接转矩控制技术。其基本思想是，通过借助空间矢量理论对电机的磁链转矩进行直接控制。对基于定子磁链定向的直接转矩控制公式如下:

从公式中我们可以得出结论，虽然控制的核心思路存在区别，但是仍然需要磁链观测器，磁链调节器，转矩观测器及转矩调节器等。这些数学模型的建立都是基于得到了电机的等效电路参数。

2 实验结果及分析

图2 为西门子矢量变频系统现场实际调试辨识后，利用主令给定得到的速度曲线。其中，红色曲线为实际给定值，黑色曲线为速度设定值。

我们可以清晰的看出，刚开始斜坡函数给定，两曲线能够很好的拟合。然后，是反向的阶跃给定。仍然能够很好的跟踪给定，系统稳定时间非常短，并且没有超调。正反向多次都能够得到很好的跟踪曲线。我们可以得出结论，无论是斜坡给定还是阶跃给定，都实现了很好的跟踪效果，因此，控制器很精确地得到了异步电机各参数，实现了很好的调速性能。