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[摘 要]由于矿山工作条件恶劣，矿山电机车的速度传感器经常会出现损坏，从而降低了系统工作的可靠性。提出了一种基于交互式模型参考自适应系统（交互式MRAS）的矿山电机车速度辨识方法，利用系统参考模型与可调模型的偏差分别计算转速和定子电阻。最后，结合异步电动机矢量控制系统进行验证与分析，证明该方案具有响应速度快、稳态精度高和对定子电阻变化鲁棒性强的特点。
[关键词]无速度传感器；矿山电机车；交互式MRAS
中图分类号：TF046.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0093-02
0 引言
交流异步电机结构简单、运行可靠、维护方便，已经逐渐成为铁道及矿山运输等领域主要的牵引动力设备。在矿山机车交流传动系统中，通常需要转速的闭环控制。矿山电机车无速度传感器技术可以降低系统成本，省去了速度传感器及其连接电缆的费用；缩小电机轴向体积，提高单位空间内的输出功率；提高系统工作的可靠性，降低事故发生率，非常适合矿山等不允许安装速度传感器的场合应用。在我国，用于矿山电机车的无速度传感器技术还比较少见[1]，只有少数科研成果得到了实际应用，但精度较低，抗干扰能力差，在井下恶劣的工作环境中，经常出现较大的误差，影响系统的正常工作。
无速度传感器技术经过几十年的发展基本形成了三条思路：①开环计算转速；②闭环构造转速；③利用电动机结构上的特征提取转速信号[2]。常用的方法有直接计算法、模型参考自适应法（MRAS）、观测器法、转子齿谐波法、卡尔曼滤波法、高频注入法和智能控制法等[3-7]。其中，直接计算法和MRAS已经在工业现场得到了实际应用，例如西门子、安川等公司生产的变频器都实现了基于MRAS的无速度传感器技术，但仍有一些问题需要解决。例如受定子电阻变化等不确定因素的影响，速度辨识的精度有限，难以在矿山这样恶劣的工作环境中实现机车速度的精确辨识。本文利用交互式MRAS理论实现定子电阻的准确辨识，以降低定子电阻变化对转子磁链和电机车转速估计精度的影响，从而实现转速的准确估计。该法具有结构简单，对电机参数变化鲁棒性强的特点，易于工程实现。
1 交互式MRAS系统
考虑到矿山电机车工作路况颠簸、粉尘多和井下环境潮湿等实际问题，矿山电机车比较适合采用无速度传感器技术。用于矿山电机车的无速度传感器技术首先应该具有较强的鲁棒性，其次，系统结构应该尽可能简单，便于工程应用。为此，本文依据异步电机的数学模型，采用了结构相对简单的交互式MRAS法，并增加了电机定子电阻的辨识，以增强系统对电机参数变化的鲁棒性。
图1为交互式MRAS原理框图，由电压模型、电流模型、定子电阻辨识和速度辨识四部分组成。系统的输入量是电机定子重构电压值和定子电流实际值的α、β轴分量，输出量是电机定子电阻估计值和转速的估计值。
1.1 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，需要测量定子电压和电流信号。由于定子电压信号多为PWM波，通常需要对电压信号进行滤波。滤波的实现比较麻烦，而且会带来定子电压相位的滞后。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信号。逆变器在一个开关周期内输出电压重构公式如下[8]：
1.2 转速和定子电阻辨识
基于转子磁链的模型MRAS法主要存在三方面问题：①低速范围内的精度较低。由于矿山电机车较少工作于低速范围，因此这一点不作重点考虑。②转子磁链电压模型中含有定子电阻，受绕组温度变化和集肤效应的影响，定子电阻会发生较大变化，直接影响磁链的观测精度。准确的定子电阻辨识可以解决此问题。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。通常可以利用低通滤波代替纯积分环节，或者采用反电动势模型和无功功率模型代替传统的转子磁链模型。其中，低通滤波可以抑制直流漂移问题，但仍有直流成分存在，且有一定的相位误差；反电动势模型则易受电机漏感变化的影响，可以在反电动势模型基础上，定义一个新的变量[9]：
可见，模型中不含有电机漏感和纯积分环节，因此可以有效解决传统电压模型的纯积分问题，且不易受电机漏感变化影响。如图1所示，由于式（11）中不含有速度信号，式（12）不含有定子电阻项。因此，系统以式（11）作为参考模型，式（12）作为可调模型来计算电机的转速；再以式（12）作为参考模型，式（11）作为可调模型计算电机的定子电阻。在参考模型准确的前提下，通过选择合适的PI自适应律，可以使转速和定子电阻的估计值收敛于真实值。
2 仿真结果及分析
考虑到矿山电机车频繁加速、减速和负载变化的实际情况，分别改变电机的给定速度、负载和定子电阻值对该方案进行验证。系统的参数为：Rs=0.92Ω，Rr=0.73Ω，Ls=0.083H，Lr=0.083H，Lm=0.079H；转子磁链给定值为0.8Wb；速给定值为：在0秒～2秒内，由0rad/s升高至100rad/s，之后保持不变；负载转矩给定值为：0秒～5秒内为2N.m，5秒时突加负载至4N.m；8秒时，将电机的转子电阻Rs升高至原值的1.5倍。
图2-3是利用交互式MRAS理论实现的定子电阻估计值波形和转速估计值波形。其中，图3中的转速信号将作为系统的速度反馈信号，进行速度闭环控制。图4是在没有定子电阻辨识情况下的估计转速的波形图，不作为系统的反馈速度。
由图2-4可见，在给定速度变化、负载突变以及定子电阻发生变化的情况下，交互式MRAS法都可以较准确的估计电机的定子电阻和转速，响应速度快、稳态精度较高，转速估计值与电机实际转速波形基本相同。而在没有定子电阻的辨识的情况下，8s后估计速度波形受定子电阻变化影响出现较大波动，误差很明显。
3 结语
提出了一种基于交互式MRAS的矿山电机车速度辨识方法，替代目前广泛使用的速度传感器。为了使系统具有结构简单和鲁棒性强的特点，本文选择交互式MRAS理论实现了转速和定子电阻的准确辨识，增强了系统对电机定子电阻变化的鲁棒性。仿真结果证明该方案具有响应速度快、稳态精度高和鲁棒性强的特点，为下一步该技术在实践中的具体实施奠定了理论基础。
参考文献
[1] 张旭宁，郑泽东，李永东.矿山机车无速度传感器矢量控制系统[J].电气传动，2010，40（41）：15-19，31.
[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（1）：3-8.
[3] 朝泽云.无速度传感器矢量控制系统的若干问题研究[D].武汉：华中科技大学，2006：101- 105.
作者简介
李克清，女，2005年7月毕业于中国矿业大学函授班，副高级工程师，现任开滦集团钱家营矿业公司机电科技术科长。
张国华，男，2011年毕业于辽宁工程技术大学自动化专业，现在开滦集团钱矿公司机电科技术员。
[关键词]无速度传感器；矿山电机车；交互式MRAS
中图分类号：TF046.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0093-02
0 引言
交流异步电机结构简单、运行可靠、维护方便，已经逐渐成为铁道及矿山运输等领域主要的牵引动力设备。在矿山机车交流传动系统中，通常需要转速的闭环控制。矿山电机车无速度传感器技术可以降低系统成本，省去了速度传感器及其连接电缆的费用；缩小电机轴向体积，提高单位空间内的输出功率；提高系统工作的可靠性，降低事故发生率，非常适合矿山等不允许安装速度传感器的场合应用。在我国，用于矿山电机车的无速度传感器技术还比较少见[1]，只有少数科研成果得到了实际应用，但精度较低，抗干扰能力差，在井下恶劣的工作环境中，经常出现较大的误差，影响系统的正常工作。
无速度传感器技术经过几十年的发展基本形成了三条思路：①开环计算转速；②闭环构造转速；③利用电动机结构上的特征提取转速信号[2]。常用的方法有直接计算法、模型参考自适应法（MRAS）、观测器法、转子齿谐波法、卡尔曼滤波法、高频注入法和智能控制法等[3-7]。其中，直接计算法和MRAS已经在工业现场得到了实际应用，例如西门子、安川等公司生产的变频器都实现了基于MRAS的无速度传感器技术，但仍有一些问题需要解决。例如受定子电阻变化等不确定因素的影响，速度辨识的精度有限，难以在矿山这样恶劣的工作环境中实现机车速度的精确辨识。本文利用交互式MRAS理论实现定子电阻的准确辨识，以降低定子电阻变化对转子磁链和电机车转速估计精度的影响，从而实现转速的准确估计。该法具有结构简单，对电机参数变化鲁棒性强的特点，易于工程实现。
1 交互式MRAS系统
考虑到矿山电机车工作路况颠簸、粉尘多和井下环境潮湿等实际问题，矿山电机车比较适合采用无速度传感器技术。用于矿山电机车的无速度传感器技术首先应该具有较强的鲁棒性，其次，系统结构应该尽可能简单，便于工程应用。为此，本文依据异步电机的数学模型，采用了结构相对简单的交互式MRAS法，并增加了电机定子电阻的辨识，以增强系统对电机参数变化的鲁棒性。
图1为交互式MRAS原理框图，由电压模型、电流模型、定子电阻辨识和速度辨识四部分组成。系统的输入量是电机定子重构电压值和定子电流实际值的α、β轴分量，输出量是电机定子电阻估计值和转速的估计值。
1.1 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，需要测量定子电压和电流信号。由于定子电压信号多为PWM波，通常需要对电压信号进行滤波。滤波的实现比较麻烦，而且会带来定子电压相位的滞后。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信号。逆变器在一个开关周期内输出电压重构公式如下[8]：
1.2 转速和定子电阻辨识
基于转子磁链的模型MRAS法主要存在三方面问题：①低速范围内的精度较低。由于矿山电机车较少工作于低速范围，因此这一点不作重点考虑。②转子磁链电压模型中含有定子电阻，受绕组温度变化和集肤效应的影响，定子电阻会发生较大变化，直接影响磁链的观测精度。准确的定子电阻辨识可以解决此问题。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。通常可以利用低通滤波代替纯积分环节，或者采用反电动势模型和无功功率模型代替传统的转子磁链模型。其中，低通滤波可以抑制直流漂移问题，但仍有直流成分存在，且有一定的相位误差；反电动势模型则易受电机漏感变化的影响，可以在反电动势模型基础上，定义一个新的变量[9]：
可见，模型中不含有电机漏感和纯积分环节，因此可以有效解决传统电压模型的纯积分问题，且不易受电机漏感变化影响。如图1所示，由于式（11）中不含有速度信号，式（12）不含有定子电阻项。因此，系统以式（11）作为参考模型，式（12）作为可调模型来计算电机的转速；再以式（12）作为参考模型，式（11）作为可调模型计算电机的定子电阻。在参考模型准确的前提下，通过选择合适的PI自适应律，可以使转速和定子电阻的估计值收敛于真实值。
2 仿真结果及分析
考虑到矿山电机车频繁加速、减速和负载变化的实际情况，分别改变电机的给定速度、负载和定子电阻值对该方案进行验证。系统的参数为：Rs=0.92Ω，Rr=0.73Ω，Ls=0.083H，Lr=0.083H，Lm=0.079H；转子磁链给定值为0.8Wb；速给定值为：在0秒～2秒内，由0rad/s升高至100rad/s，之后保持不变；负载转矩给定值为：0秒～5秒内为2N.m，5秒时突加负载至4N.m；8秒时，将电机的转子电阻Rs升高至原值的1.5倍。
图2-3是利用交互式MRAS理论实现的定子电阻估计值波形和转速估计值波形。其中，图3中的转速信号将作为系统的速度反馈信号，进行速度闭环控制。图4是在没有定子电阻辨识情况下的估计转速的波形图，不作为系统的反馈速度。
由图2-4可见，在给定速度变化、负载突变以及定子电阻发生变化的情况下，交互式MRAS法都可以较准确的估计电机的定子电阻和转速，响应速度快、稳态精度较高，转速估计值与电机实际转速波形基本相同。而在没有定子电阻的辨识的情况下，8s后估计速度波形受定子电阻变化影响出现较大波动，误差很明显。
3 结语
提出了一种基于交互式MRAS的矿山电机车速度辨识方法，替代目前广泛使用的速度传感器。为了使系统具有结构简单和鲁棒性强的特点，本文选择交互式MRAS理论实现了转速和定子电阻的准确辨识，增强了系统对电机定子电阻变化的鲁棒性。仿真结果证明该方案具有响应速度快、稳态精度高和鲁棒性强的特点，为下一步该技术在实践中的具体实施奠定了理论基础。
参考文献
[1] 张旭宁，郑泽东，李永东.矿山机车无速度传感器矢量控制系统[J].电气传动，2010，40（41）：15-19，31.
[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（1）：3-8.
[3] 朝泽云.无速度传感器矢量控制系统的若干问题研究[D].武汉：华中科技大学，2006：101- 105.
作者简介
李克清，女，2005年7月毕业于中国矿业大学函授班，副高级工程师，现任开滦集团钱家营矿业公司机电科技术科长。
张国华，男，2011年毕业于辽宁工程技术大学自动化专业，现在开滦集团钱矿公司机电科技术员。