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工矿自动化 In dust r y a n d Min eAut oma t ion Vol 45 No10 Oct 82019 第45卷第10期 2019年10月 文章编号1671-251X201910-0061-07DOI10. 13272/j. issn . 1671-251x. 2019030018 刮板输送机永磁同步电动机无位置传感器控制 胡文彬1王玉娟张传金％ 1.唐山科技职业技术学院智能制造系，河北 唐山063000； 2. 江苏建筑职业技术学院智能制造学院江苏徐州221116 摘要传统转子磁链观测器受直流扰动和谐波扰动的影响无法准确估计转子磁链，进而基于转子磁链的 永磁同步电动机无位置传感器控制方法无法准确估计转子位置。针对该问题，提出了 一种基于三阶广义积 分磁链观测器的刮板输送机永磁同步电动机无位置传感器控制策略。通过引入三阶广义积分磁链观测器， 能有效抑制高次谐波分量，稳态时可完全消除转子磁链中的直流分量，且对基波的幅值和相位没有任何影 响，从而准确估计转子磁链，提高转子位置估计精度仿真结果验证了该控制策略的正确性和有效性 关键词刮板输送机；永磁同步电动机；无位置传感器控制；三阶广义积分磁链观测器；转子磁链 中图分类号TD614 文献标志码A Sen sor l esscon t r ol f or per ma n en t ma g n et sy n chr on ousmot or of scr a per con v ey or HU Wen bin1 , WANG Yujua n1 , ZHANG Chua n jin2 1. Depa r t men t of In t el l ig en t Ma n uf a ct ur in g , Ta n g sha n Voca t ion a l Col l eg e of Scien ce a n d Techn ol og y , Ta n g sha n 063000QChin a ;2.School of In t el ig en t Ma n uf a ct ur in g QJia n g su Voca t ion a l In st it ut eof Ar chit ect ur a l Techn ol og y , Xuzhou 221116, Chin a Abstract Tr a dit ion a l r ot or f l ux obser v er s ca n n ot a ccur a t el y est ima t e r ot or f l ux due t o in f l uen ce of DC dist ur ba n ce a n d ha r mon ic dist ur ba n ce, a n d t hen sen sor l ess con t r ol met hod of per ma n en t ma g n et sy n chr on ousmot or PMSMba sedon r ot or f l uxca n n ot a ccur a t el y est ima t er ot or posit ion .In or der t osol v e t he a bov e pr obl em, a sen sor l ess con t r ol st r a t eg y f or PMSM of scr a per con v ey or ba sed on t hir d-or der g en er a l izedin t eg r a l f l ux obser v er TOGIFO wa s pr oposed.By in t r oducin g t he TOGIFO,hig h-or der ha r mon iccompon en t ca n b eefect iv el y suppr essed,a n d DC compon en t in r ot or f l uxca n becompl et el y el imin a t edin st ea dy st a t e wit hout a mpl it udeaten ua t ion a n dpha sedel a y of f un da men t a l wa v e,soa st o a ccur a t el y est ima t er ot or f l uxa n dimpr ov ea ccur a cy of r ot or posit ion est ima t ion .Thesimul a t ion r esul t s v er if y cor r ect n essa n defect iv en essof t hecon t r ol st r a t eg y . Keywordsscr a per con v ey or ;per ma n en t ma g n et sy n chr on ous mot or ;sen sor l esscon t r ol ;t hir d-or der g en er a l izedin t eg r a l f l uxobser v er ;r ot or f l ux 0引言 刮板输送机是煤矿井下运输煤炭的重要设备。 机头、机尾电动机作为刮板输送机的动力源，其可靠 性、稳定性是刮板输送机高效运行的关键永磁 同步电动机Per ma n en t Ma g n et Sy n chr on ous Ma chin e, PMSM凭借其高转矩密度、高效率等优 势，在刮板输送机上得到越来越广泛的应用。为获 得良好的调速性能，通常利用位置传感器来获取转 子位置信息。然而，刮板输送机工作环境复杂、恶 劣，为保障刮板输送机可靠性，采用PMSM无位置 传感器控制策略常见的PMSM无位置传感器 收稿日期收稿日期2019-03-07；修回日期修回日期2019-09-20；责任编辑责任编辑盛男。 基金项目基金项目江苏省高等学校自然科学研究面上项目18KJB470009。 作者简介作者简介胡文彬1981-，女，女，河北唐山人，讲师，主要研究方向为电气控制,E-ma il t a n g sha n huwen bin sin a . com。 引用格式引用格式胡文彬，王，王玉娟，张传金.刮板输送机永磁同步电动机无位置传感器控制工矿自动化2019,451061-67. HU Wen bin, WANG Yujua n, ZHANG Chua n jin . Sen sor l ess con t r ol f or per ma n en t ma g n et sy n chr on ous mot or of scr a per con v ey or ,J-.In dut r y a n d Min e Aut oma t ion 2019451061-67. 62 工矿自动化 45 控制方法有高频信号注入法和反电动势法,11- 当刮板输送机运行在中高速区域时，一般采用反电 动势法，如利用滑模观测器8、扩展卡尔曼滤波 器9、龙伯格观测器,0-和基于智能算法的观测器,1- 来估计转子位置’当刮板输送机运行在零低速区域 时，由于电动机反电动势幅值与转速呈正比，反电动 势信噪比较低，反电动势法估计的转子位置精度较 低，所以采用高频信号注入法来可靠估计转子位置， 然而注入的高频信号会产生额外的谐波损耗和转矩 脉动。 近年来，有学者提出了基于转子磁链观测的 PMSM无位置传感器控制方法［1214］。由于PMSM 中转子磁链方向与永磁体磁极方向一致，可利用转 子磁链观测器估计转子磁链，然后直接从转子磁链 中获取位置信息，不需要额外的信号注入，且转子磁 链的幅值与转速无关，即使刮板输送机运行在低速 区域，该方法也能准确估计转子位置。然而，刮板输 送机运行状态受链轮多边形效应、链道弯曲、落煤量 不确定等因素影响,5-,造成刮板输送机负载转矩特 性复杂。此外，电动机电阻和电感参数不准、测量误 差、逆变器非线性等因素的存在，导致转子磁链观测 器不可避免地受到直流扰动和谐波扰动的影响而降 低转子磁链估计精度。当采用一阶积分器观测转子 磁链时，直流扰动引起的误差会随时间线性累计，最 终产生饱和效应。当采用低通滤波器Low-Pa ss Fil t er , LPF观测转子磁链时，可有效降低估计转子 磁链中的直流分量和谐波分量，但同时会造成估计 转子磁链基波分量的相位延时和幅值衰减。基于二 阶 积 分 器 Secon d-Or der Gen er /l ized In t eg r a t or，SOGI的二阶广义积分磁链观测器 Secon d-Or der Gen er a l ized In t eg r a l Fl ux Obser v er, SOGIFO可进一步抑制估计转子磁链中 的直流分量和高次谐波分量，且对估计转子磁链基 波分量没有任何影响，仍无法完全消除直流扰动引 起的误差,6-。因此，本文在三阶广义积分器 Thir d-Or der Gen er a l ized In t eg r a t or，TOGI,7］的 基础上，设计了三阶广义积分磁链观测器Thir d- Or der Gen er a l ized n t eg r a l Fl ux Obser v er， TOGIFO，提出了一种基于TOGIFO的刮板输送 机PMSM无位置传感器控制策略，可有效抑制直流 扰动和谐波扰动引起的误差，精确估计转子磁链、转 子位置和转速，从而提高刮板输送机运行可靠性。 1刮板输送机运行特性刮板输送机运行特性 1. 1 链轮多边形效应 刮板输送机的链条由许多刚性链节组成，绕经，绕经 链轮时呈多边形围绕，链条速度为 vt rtmcos 0t 1 式中Q为链轮节圆半径;m为机械角速度；处为啮 合点的切线与刮板输送机铺设线的夹角。 链轮转动过程中，处经历从大变小至零再变大 的过程，同时U经历从小变大再变小的过程，当0 为零时，U最大［18］„链条运动的不均匀性会反作用 于PMSM，相当于附加了一个周期变化的动载荷, 对转子位置观测产生干扰。 1. 2 链道弯曲及落煤量不确定 当刮板输送机链道产生垂直或水平的弯曲时, 链条要围绕弯曲角运行，产生附加的摩擦力，该摩擦 力与弯曲角的角度和链条中存在的拉力有关。为便 于分析，链道弯曲可等效为给PMSM附加了一个额 外的恒定负载转矩［19］，落煤量不确定可等效为对 PMSM施加了 一个随机负载转矩。 2基于基于TOGIFO的刮板输送机的刮板输送机PMSM无位置传感无位置传感 器控制策略器控制策略 静止坐标系下PMSM磁链方程为 p“s - -sRsi is2 cos 仇- “s Li is “f a 3 Lsin e - p e4 式中p为微分算子分别为定子磁链矢量和 转子磁链矢量-s，s分别为定子电压和电流矢量; Rs,L分别为定子电阻和电感；“『为永磁体磁链; 仇，,分别为转子位置电角度和电角速度。 将式2代入式3，可得 “r “r 5“ “s Rsi is Lpisdt Jedt 5 式中e er为反电动势矢量。 由式5可知，通过对反电动势积分即可求得转 子磁链。然而，反电动势中存在的直流扰动和谐波 扰动会对转子磁链观测造成影响。考虑到电动机电 阻和电感参数不准、测量误差、逆变器非线性等因 素，以a轴分量为例轴同理，反电动势a轴分量 e”可用直流分量、基波分量和高次谐波分量的形式 e” A0 A1 sin i t 01 h2 式中A。。为直流偏置；A1，Ah分别为基波分量和 h次谐波分量的幅值；】，分别为基波分量和 h次谐波分量的初始角速度呼1,0分别为基波分量 和h次谐波分量的初始角度。 2019年第10期胡文彬等刮板输送机永磁同步电动机无位置传感器控制・63・ 基于TOGIFO的刮板输送机PMSM无位置传 感器控制策略如图1所示。采用经典的电流、转速 双闭环结构，转速控制器和电流控制器均为比例积 分Pr opor t ion In t eg r a lPI调节器，采用空间矢量 调制Spa ce Vect or Modul a t ion , SVM控制电压源 型逆变器Vol t a g e Sour ce In v er t er , VSI o 通过机 械角速度的给定值m与估计值m得到机械角速 度估计误差为FLL估计的输入信号us 的角速度。 将s j代入式7,可得 s _ _______________kO s_______________ _ uss j3 6zs2 k0O j3 k0O s 8 TOGIFO的输入输出分别为反电动势和转子 磁链，考虑到两者为积分关系，因此设计TOGIFO 为 P rTOGIFO S丄丄 S us s uss 1 6 s z 9 s3 6 60 s2 2 s 603 1 TOGIFO对直流分量的作用。当6 1. 414时,极点位于复频域的左半平面，稳定性得以 保证。结合式9和TOGIFO输入反电动势的直流 分 ， 拉 拉 定 l imsWrTOGiFO s l ims X s0 s0 _____________6 s_____________ 0 10 s3 6 60s2 s 603 s 2 TOGIFO对基波分量的作用。将s j代 入式9,可得 WrTOGIFOf s U s 1 w 1 7 ---- U s s s 11 式中PrTOGIFOf s s为TOGIFO估计的转子磁链基波 分。 将式11转换到时域，可得 1 17 0.5 12 ut 结合式6中反电动势基波分量，可得 prTOGiFOf t sin it 0. 5 13 1 3 TOGIFO对谐波分量的作用。将sk jee j辰/代入式9,可得 PrTOGIFOh t世 一 j[60 一 6 6 u t h 一 3 2 [60 2 6 60 2 T 7SOGIFO和TOGIFO均可准确估计转子 磁链，且不会对基波幅值有影响， 转子磁 链圆均 发生位置偏移和 ，此外，相比于 SOGIFO,TOGIFO估计的转子磁链颤振更小。 PMSM运行在900 r /min时，分别采用一阶积 分器、LPF、SOGIFO和TOGIFO估计的转子位置 -0.3 0 0.3 a 阶积分器 -0.3 a 0 0.3 MaLPF/ bLPF -0.3 A 0 0.3 也 aSOGIFc/矶 cSOGIFO 图3不同磁链观测器估计转子磁链 Fig .3 Rot or f l uxest ima t edb y difer en t f l uxob ser v er s 电角度及误差波形如图4所示△SOGIFO和TOGIFO估计的 转子位置均能较好 转子位置，转子位置 度估计误差分 为0. 01,0. 005 a d,其中 TOGIFO估计的转子位置与实际转子位置最为 接近。 实际值估计值 1/ \/ 0.94 0.88 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.40 0.41 0.42 0.43 0.44 t /s bLPF 2019年第10期胡文彬等刮板输送机永磁同步电动机无位置传感器控制・65・ P F / P F / S c SOGIFO d TOGIFO 图4不同磁链观测器估计转子位置电角度及误差波形 Fig .4 El ect -ica l a n g l eof -ot o-posit ion a n de--o-wa v ef o-ms est ima t edb y dife-en t f l uxob se-v e-s 4.2 控制策略性能分析 刮板输送机工作 中存在许多不确定的外界 扰动，其中 扰动对转子磁链估计影响最大。为 验证本文控制策略抗 扰动的能力，当PMSM稳 定运行在600 r /min工况下，0.5 s时在，轴电压上 突加10V直流扰动，仿真结果如图5所示。可看出 突加直流扰动对TOGIFO几乎没有影响，在0. 5 s 后，TOGIFO估计的转子磁链正弦度仍然很高，转 子位置电角度估计误差 波动，维持在 0. 1 r a d左右，机械角速度估计误差在0附近小幅度 波动。 0.1 g o € -0.1 V -0.2 -0.3 图 5 抗 扰 动 真波 Fig . 5 Simul a t ion wa v ef o r ms un de r DC dist u r ba n ce 针对刮板输送机落煤量不确定的工况，在0. 3 s 0 〜20 N ・ m 机 载 ， 真 果 图 6 所 示T1 Re分别为负载转矩、电磁转矩o可看出在 定随机负载下，电磁转矩能 响 载转矩，估 计机 度能 准 ， 转 位 置 度 计误差保持在0. 1 r a d ， 大转矩阶 ，转子位置电角度估计误差波动也不超过 0. 05 r a do 图6抗随机负载扰动仿真波形 Fig .6 Simul a t ion wa v ef o-ms un de--a n dom l oa ddist u-b a n ce 考虑到刮板输送机链轮多边形效应，负载转矩 周期 真波 图7所示。可看 于负载 转矩周期 导致 机械角速度出现周期波动, 但估计机 度仍能准 ；转子位置 度估计误差受周期 载转矩影响产生周 期波动,但波动 ；机 度估计误差控制在 1. 5 r a d/s 以内。 图7抗周期负载扰动仿真波形 Fig .7 Simul a t ion wa v ef or msun der per iodicl oa ddist ur b a n ce PMSM稳定运行在200 r /min工况下，在0. 3 s ・66・ 工矿自动化 45 时升速到1 500 r /min,在0. 9 s时减速到700 r /min, 真结果如图8所示。可看 降速过程中，估 计机 度能很好 ，机 度估 计误差控制在3 r a d/s ，转子位置 度估计 误差在0. 3 r a d以内。 7 S P S 3 Q V 7 S P S 3 Q V . P E S V . P E S V 击 图8升降速工况下仿真波形 Fig .8 Simul a t ion wa v ef o msun de v a ia b l espeedope a t ion 5结语 在考虑刮板输送机链轮多边形效应、链道弯曲 和落煤量不确定的运行特性情 , 转子 磁链观测器受 动势中 扰动和谐波扰动影响 而 准 计转子磁链 ，扌 一种基于 TOGIFO 刮板 送 机 PMSM 位 置 器 制 策略。通过 TOGIFO,能有效抑制 谐波分 完全消除转子磁链中 分量，且对 波 和相位 何影响。真结果表明 TOGIFO 能 抑 制 扰 动 和 谐 波 扰 动 误差，提高转子磁链估计精度；基于TOGIFO的刮 板 送 机 PMSM 位 置 器 制 策 略 能 准 计转子位置和转速。 参考文献References 1 -赵巧芝.我国煤矿无轨及输送机运输设备现状及发展 趋势 J 煤炭工程2012441120122. ZHAO Qia ozhi. Pr esen t st a t us a n d dev el opmen t t en den cy of min e t r a ck l ess a n d con v ey er t r a n spor t a t ion equipmen t in Chin a , J -. Coa l En g in eer in g 2012,441 120-122. 2 -李世旭，姚立权，鞠鹏.刮板输送机用变频电动机研究 J 工矿自动化,2015,412 9093. LI Shixu, YAO Liqua n, JU Pen g . Resea r ch of f r equen cy con v er sion mot or f or scr a per con v ey or ,J-. In dust r y a n d Min e Aut oma t ion , 2015,41 2 90-93. ,3 -王腾，夏护国.重型刮板输送机驱动方式比较分析 J 煤炭科学技术2013419154158. 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