基于面装式永磁同步电机的转炉炼钢氧枪位置控制
冶金动力2015年第10期
1引言
对于转炉炼钢的自动化系统而言，电气传动系统也是整个系统的核心，拥有一套稳定可靠、安全高效的传动系统是转炉炼钢成功的有力保障[1]。传统的转炉炼钢中的氧枪和倾动装置则采用直流调速系统，然而直流电机的制造和维护成本高，且可靠性较差[2]。随着电力电子技术和设备、数字芯片以及现代控制技术的发展，交流调速渐渐取代了直流调速系统[3]，采用矢量控制技术的交流调速系统具有和直流调速系统相媲美的控制性能，且整个系统的维护成本低，效率高。
近年来，随着永磁体材料的开发，永磁同步电机以其高功率密度、高转矩密度、高效率的特点成为交流传动系统的主流驱动电机，因此本文主要研究将面装式永磁同步电机应用于转炉炼钢中氧枪的位置控制系统。
一般的，在转炉炼钢过程中保持氧枪在熔池面以上的预定高度，因此则需要控制氧枪的位置。本文采用基于面装式永磁同步电机的传动系统，其位置控制系统包括位置环、速度环和电流环三个闭环结构[4]，本文通过设计SMPMSM的三环控制器，提出了基于SMPMSM的转炉炼钢氧枪位置控制方法。最后，利用MATLAB/Simulink仿真平台对SMPMSM传动系统进行仿真，验证了提出的传动系统能够将氧枪控制在预定位置，从而实现了精确位置控制。
2面装式永磁同步电机数学模型
同步旋转d-q坐标系下，SMPMSM的电压方程可以表示为：
基于面装式永磁同步电机的转炉炼钢氧枪位置控制
蔡海林
(马鞍山钢铁股份有限公司原燃料采购中心,安徽马鞍山243003)
【摘要】在转炉炼钢过程中的一个重要工艺是吹氧，传统的氧枪传动装置采用直流调速控制系统，随着电力电子技术的发展，交流传动系统以其优越的控制性能逐渐取代了直流调速系统。主要研究了基于面装式永磁同步电机的转炉炼钢氧枪位置控制系统。在整个控制系统中，通过对面装式永磁同步电机的控制，实现了氧枪位置的精确控制，提高了系统效率。
【关键词】面装式永磁同步电机；转炉炼钢；氧枪位置控制
【中图分类号】TM3【文献标识码】B【文章编号】1006-6764（2015）10-0068-04
Converter Oxygen Lance Position Control Based on Surface -Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor
Cai Hailin
(The Raw Materials and Fuels Purchase Center of Maanshan Iron&Steel Co.Ltd.,Maanshan,Anhui243003,Chin a)
[Abstract]Oxygen blowing is an important process in converter steel smelting.Tradition-al oxygen lance drive device adopts DC speed adjusting control system,but with rapid devel-opment of electronic technology for electricity power system,AC lance drive system with its excellent control performance has gradually replaced DC speed adjusting system.The oxygen lance position control system for converter based on surface-mounted permanent magnet syn-chronous motor is studied.In the entire control system,precision control of the lance position is achieved by control of the surface-mounted permanent magnet synchronous motor,which improves the efficiency of the system.
[Keywords]surface-mounted permanent magnet synchronous motor;converter smelting; oxygen lance position control
冶金动力
2015年第10期总第期
V d =R s i d +L s di d dt
-ωe L s i q
V q =R s i q +L s diq q dt
-ωe (L s i d +Ψf )(1)
其中，V d 、V q 和i d 、i q 分别表示d-q 坐标系下的电机电压和电流，ωe 表示电机转子电角速度，R s 是电机定子电阻，L s 是电机同步电感，Ψf 是永磁体磁链。
同样的，SMPMSM 的转矩方程表示为：
T e =32n p Ψf i q (2)
其中，n p 是电机极对数。由SMPMSM 转矩方程可以看出，通过控制d-q 坐标系下的电机q 轴电流i q 就可以控制电机的输出转矩。
SMPMSM 的运动方程为：
J dωr dt =T e -T L -Bωr (3)
其中，T L 表示电机的负载转矩，J 为转动惯量，B 是摩擦系数，ωr =ωe n p
是电机角速度。
SMPMSM 位置可以表示为：
θ=∫
ωr dt +θ0
(4)
由电机转子位置信息，再根据传动机构的特征，可以相应地表示出氧枪在垂直方向上的具体位置，从而控制氧枪的升降。
3基于SMPMSM 的转炉炼钢氧枪位置控制
3.1SMPMSM 矢量控制原理
对于交流电机的控制方式，大多采用矢量控制，其基本原理是：利用坐标变换原理，将三相交流电机等效到同步旋转坐标系下，因此电机的定子电流分解为直轴电流分量i d 和交轴电流分量i q ，通过控制电机的交轴电流分量达到控制电机转矩的目的。
三相静止坐标系到两相旋转坐标系下的坐标变换公式为：
i d i q
()
=
23cos(θe )cos(θe -23π)cos(θe
+23π)
-sin(θe )-sin(θe -23π)-sin(θe +23π)
???????
?
????i a i b i c ????????
????(5)
其中，i a 、i b 、i c 分别为电机定子三相电流，θe 是电机转子电角度。
对于面装式永磁同步电机，如公式(2)所示，其转矩只与交轴电流分量i q 有关，因此，通过控制直轴电流分量i d =0，从而控制交轴电流分量i q 就能控制电
机转矩。
3.2SMPMSM 位置、速度、电流三闭环控制结构
设计的SMPMSM 控制系统选取位置、速度、电流三闭环的控制方案。内环为电流环，采用d 、q 轴双
PI 调节器的控制结构，
由指令电流与反馈电流的误差经过PI 调节器输出电压指令，当误差增大时，通
过增大电压指令调节电机电流，从而缩小误差，这种通过误差的闭环反馈结构可以控制电机的实际电流准确跟踪指令电流。
上一节已经说明，根据矢量控制原理，电机的转矩只与q 轴电流分量有关，因此控制电机d 轴电流分量i d =0，通过调节就能调节电机的转矩，所以设计的控制结构通过速度环产生相应的q 轴电流指令，然后利用电流PI 调节器控制电机电流，从而控
制电机的输出转矩。外环为位置环和速度环，均采用传统的PI 调节器控制结构，位置环PI 调节器输出速度给定值，同时限制最大速度；速度环PI 调节器输出q 轴电流指令值，同时限制最大电流。整个位置控制系统结构框图如图1所示。
电机由直流电源通过三相电压型逆变器供电。整个矢量控制算法通过电流传感器检测电机三相电流，再由坐标变换生成d 、q 轴电流，利用PI 调节器产生d 、q 轴参考电压，再由空间矢量脉宽调制算法生成逆变器三相驱动信号，从而驱动逆变器生成三相交流电压供电机运行。
4系统仿真
传动系统采用额定功率为18kW ，额定转速为
3000r/min 的SMPMSM ，
电机参数如下：极对数：4定子电阻：0.013Ω同步电感(L s )：0.239mH 永磁体磁链(Ψf )：0.065Wb 。
利用MATLAB\Simulink 仿真软件对提出的
SMPMSM 传动系统进行仿真研究。其中，
电流环采用PI 调节器，d 、q 轴电流PI 控制器参数为：K pd =
K pq =0.6、K id =K iq =32.67。
SMPMSM 位置控制系统仿真结构图如图2，
SMPMSM 采用矢量控制方式，
控制电机直轴电流i d =0，
而电机交轴电流指令通过速度PI 调节器获得，速度给定值则通过位置PI 调节器获得。SMPMSM 位置响应波形如图3所示。
由三环控制系统，电机位置迅速转到预定位置处，调节时间约为1.2s 。而SMPMSM 速度与转矩响应波形如图4所示。