基于交互式MRAS的矿山电机车无速度传感器技术研究

张国华

摘 要：因矿山环境恶劣，矿山电机车速度传感器经常损坏，可靠性低。本文提出基于交互式模型参考自适应系统（交互式MRAS）矿山电机车速度辨识方法，利用系统参考模型与可调模型偏差计算转速和定子电阻。结合异步电动机矢量控制系统分析，证明该方案具有速度快、精度高等特点。

关键词：无速度传感器；矿山电机车；交互式MRAS

中图分类号：TM343 文献标识码：A

交流异步电机已成为矿山运输主要设备，矿山机车交流传动系统需转速闭环控制。无速度传感器技术可降低成本，缩小电机体积，降低事故率，适合矿山等不利于安装速度传感器的环境。矿山电机车无速度传感器技术应用少见，少数成果虽已得到应用，但仍有精度低，误差大等缺点。无速度传感器技术有三条思路：①开环计算转速；②闭环构造转速；③利用电动机结构特征提取转速信号。常用方法有直接计算法、模型参考自适应法（MRAS）、卡尔曼滤波法等。本文利用交互式MRAS理论实现定子电阻准确辨识，以降低定子电阻变化对转子磁链和转速估计精度的影响，实现转速准确估计。该法结构简单，对电机参数变化鲁棒性强。

1 异步电机数学模型

在两相静止α-β坐标系下，交流异步电机定、转子电压平衡方程如下：

交流异步电机定、转子磁链方程如下：

2 交互式MRAS系统

考虑矿山环境，电机车适合采用无速度传感器技术。本文采用结构简单的交互式MRAS法，并增加电机定子电阻辨识，以增强系统对电机参数变化的鲁棒性。

图1为交互式MRAS原理图，系统输入是电机定子重构电压和定子电流实际值的α、β轴分量，输出量是电机定子电阻和转速估计值。

2.1 定子电压重构

无速度传感器技术在进行电机磁链和转速估计时，需测量定子电压电流。因定子电压多为PWM波，需对电压进行滤波。一种比较实用的方法是利用直流母线电压和PWM开关函数重构定子电压。逆变器在一个开关周期内输出电压重构公式如下：

其中，uan、ubn、ucn为定子相电压，Vdc为直流母線电压，s1、s2、s3、为开关器件在一个开关周期内的给定瞬时相电压占空比。

2.2 转速和定子电阻辨识

基于转子磁链模型MRAS法有三方面问题：①低速时精度低。因矿山电机车较少工作于低速范围，这点不作重点考虑。②转子磁链电压中含有的定子电阻受绕组温度和集肤效应影响会发生较大变化，影响磁链观测精度。准确定子电阻辨识可解决此问题。③电压转子磁链模型中纯积分环节会产生直流漂移和初始值问题。可用低通滤波代替纯积分环节，或用反电动势模型和无功功率模型代替传统转子磁链模型。低通滤波可抑制直流漂移，但有直流成分，且有相位误差；反电动势模型易受电机漏感变化影响，可在反电动势模型基础上，定义新变量：

可见，模型中不含有电机漏感和纯积分环节，因此可有效解决传统电压模型纯积分问题，且不易受电机漏感变化影响。如图1所示，因式（7）不含速度信号，式（8）不含定子电阻项。因此，系统以式（7）作为参考模型，式（8）作为可调模型计算电机转速；再以式（8）为参考模型，式（7）为可调模型计算定子电阻。在参考模型准确的前提下，通过选择合适的PI自适应律，可使转速和定子电阻估计值收敛于真实值。

结语

用基于交互式MRAS的矿山电机车速度辨识方法，替代速度传感器。本文选择结构简单的交互式MRAS理论实现转速和定子电阻的准确辨识，增强系统对电机定子电阻变化的鲁棒性。

参考文献

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[2]陈伯时，杨耕.无速度传感器高性能交流调速控制的三条思路及其发展建议[J].电气传动，2006，36（01）：3-8.