摘要：針對采煤機惡劣的工作環(huán)境導致位置傳感器故障率高，系統(tǒng)可靠性差的問題，提出了雙開關磁阻電機(SRM)無位置傳感器控制策略。以DSP為核心控制芯片，搭建了雙18．5 kW SRM控制器，并在某型電牽引采煤機上進行了實驗驗證。實驗結果表明，主、從機換相平穩(wěn)，輸出功率平衡，位置估計精確，轉矩脈動小。
關鍵詞：開關磁阻電機；無位置傳感器；控制

1 引言
    采煤機是煤礦井下主要的生產設備，不僅需要較大的牽引力，而且需要頻繁的啟動和換相，工作環(huán)境十分惡劣，因此要求調速系統(tǒng)具有防爆、防潮以及防塵等要求。
    采煤機牽引主要有液壓牽引和電牽引兩種方式。前者故障率高，維修費用大；后者有運行可靠，系統(tǒng)反應快，效率高，可四象限運行，維修簡單方便等諸多優(yōu)點，因此得到了廣泛重視。SRM起動轉矩大，機械特性較硬，適合頻繁起停，具有堅固可靠，易于水冷等優(yōu)點，因此較其他電機更適合作為采煤機的牽引。
    位置傳感器的應用不僅增加了系統(tǒng)成本和復雜程度，更重要的是降低了系統(tǒng)結構的堅固性，影響運行可靠性，尤其是在潮濕、振動、多塵等環(huán)境較惡劣的場合。國內外學者提出了多種可行的無傳感器控制方案，如電壓脈沖注入法、磁鏈電流法、電感模型法和神經網絡法等。在此采用了簡化的磁鏈電流法，首先以高性能DSP實現數字磁鏈積分器獲得估算磁鏈，然后與當前換向位置磁鏈比較，確定是否到達換相位置。

2 雙SRM無位置傳感器控制系統(tǒng)
2．1 采煤機電牽引系統(tǒng)
    采煤機的任務是同時完成落煤、裝煤兩道工序。雙滾筒采煤機是目前應用最廣的采煤機械，主要由截割部(包括截割電機、搖臂和截割滾筒)、牽引部和中間箱組成。左右截割部的電機動力經齒輪減速傳遞到搖臂進而最終驅動左右滾筒實現割煤，搖臂用于調整滾筒的截割高度；左右牽引部的作用是使采煤機沿工作面移動，實現連續(xù)割煤；中間箱主要包含采煤機的電氣控制部分。此處研究的兩臺SRM分別安裝在采煤機左右牽引部中，采用防爆水冷方式。
2．2 SRM無位置傳感器控制策略
2．2．1 SRM的磁鏈特性
    SRM的雙凸極結構使得其通常工作在磁飽和狀態(tài)，因此難以建立可以求解的精確數學模型。SRM的磁鏈特性可以通過有限元分析或實驗測量的方法獲得，其表現形式為電動機磁鏈、相電流和轉子位置之間的曲線族。三相12／8極結構的SRM，θ=0°對應于定子凸極中心與轉子凹槽中心重合的位置，此處相電感最小；θ=25°對應于定、轉子凸極中心完全對齊的位置，此處相電感最大。圖1a為磁鏈特性的二維曲線，圖1b為磁鏈特性的三維曲線。
   
    式中：T為離散積分磁鏈的計算周期；u(k)，i(k)，r(k)均為第k個離散周期內繞組的電壓、電流和電阻值。

2．2．2 磁鏈-電流法
    電機運行中無需每一時刻的轉子位置，僅需轉子的精確換相位置。簡化磁鏈-電流法通過采樣的相電壓和相電流由式(3)估算出ψ，再與當前相電流對應的換相位置磁鏈比較，若前者大于后者就認為換相位置己到，開始換相；否則繼續(xù)導通。圖2為簡化磁鏈-電流法的原理框圖。

    換相位置磁鏈一般通過最大電感處磁鏈ψm乘以系數K(0<K<1)得到，因此只需測出&psi;m關于電流的曲線，然后以二維表的形式存儲，無需其他位置的磁鏈曲線。電機的轉速為：
    n=kconc△θ／△t    (4)
    式中：△θ為相鄰兩相的角度差；△t為兩相鄰換相時間間隔；kconc為角速度轉換速度的系數。
    轉子的位置可由速度估算得出。此方法所需內存小，算法簡單，結果較準確。

3 雙SRM無傳感器控制系統(tǒng)設計
    雙SRM控制系統(tǒng)分為主、從兩個系統(tǒng)。每個系統(tǒng)擁有獨立的驅動電路、功率變換器、電壓電流采樣電路、保護電路等。主、從機均采用磁鏈-電流模型獲取轉子位置角度，其中主機為轉速電流雙閉環(huán)結構，控制器實時對電壓、電流進行采樣，將主機運行電流作為從機給定輸入，形成電流閉環(huán)。圖3示出雙SRM無傳感器控制框圖。

    采煤機工作時因兩臺SRM是剛性連接，故轉速n相同，為了確保電機的輸出功率相同，僅需控制電機輸出相同轉矩。SRM的繞組電流平均值近似與電機輸出轉矩成線性關系，因此調節(jié)兩臺SRM繞組電流平衡就能使輸出功率平衡?？刂葡到y(tǒng)中從機給定輸入是主機運行電流，因此，存在負載轉矩差異的情況下，兩臺SRM仍能保持相同轉矩輸出，實現功率平衡。

4 實驗驗證
    以TMS320F2812型DSP為核心控制器，在某型電牽引采煤機上對兩臺SRM樣機進行實驗。樣機參數為：三相12／8結構，額定功率18．5 kW，額定電壓514 V，額定轉速1 500 r&middot;min-1。主、從功率變換器均采用三相不對稱半橋式結構，有源前端采用兩電平可控整流結構，輸入電壓為三相交流380 V，直流母線電壓給定為650 V。圖4a為電機穩(wěn)態(tài)運行時轉子估計位置和實際位置比較波形。圖4b為穩(wěn)態(tài)運行時主、從機的定子相電流波形。

    可見，通過磁鏈-電流法計算出的估計位置與實際位置的誤差很小，能夠滿足系統(tǒng)運行需求。在雙SRM的控制策略下，主、從機相電流基本相等，換相平穩(wěn)，轉矩脈動小，恒轉矩特性較好。

5 結論
    建立了電機磁鏈特性曲線，通過磁鏈、相電流對轉子位置進行了估算。提出了雙SRM無位置傳感器控制策略。以TMS320F2812型DSP為核心控制器，搭建了兩臺SRM控制樣機，并進行了實驗。實驗結果表明，兩臺電機輸出轉矩平穩(wěn)，轉子位置估計精確，輸出功率基本平衡。在相同的負載情況下，雙SRM的總轉動慣量比單機系統(tǒng)小，運行時消耗的電能也少。當雙SRM中只有一臺損壞時，另一臺還能正常工作，采煤機的運行可靠性更高。