矿用电机车变频调速系统的设计与研究

2020-08-21宋红红

机械管理开发 2020年7期

宋红红

（山西平舒煤业有限公司，山西阳泉 045400）

引言

矿用电机车作为煤矿生产重要的运输工具之一，有着可靠性高、节能性好、运行稳定、速度高、运载能力强等优点，是煤矿井下长距离运输的主要方式。串激直流电动机目前仍被广泛用于矿用电机车中，其具有过载能力高、牵引特性强、起动转矩大等主要优点。然而由于技术方面的不足，使其在实际应用中存在不能无级调速、起动时不够平稳、充电频繁、维修工作量大等缺点。直流调速电机车在运行时，由于电阻器使电能一部分浪费在电阻上，导致生产成本变高，效率大幅降低，所以交流电机变频调速系统是未来发展方向的首选[1]。

工业发达国家交流变频设备的应用占比相对于直流传动设备在逐年升高，也更具有市场前景。而国内由于工业技术落后，很多厂商仍生产使用老式电机车，也有一部分厂商开始应用变频调速电机车，但还是存在许多问题，如电压波动范围大、电机速度不稳定、控制的精度和可靠性较差，这些都无法体现交流变频的优势。本文针对矿用电机车存在的问题，设计了一种基于DSP 的矿用电机车变频调速系统，采用高性能的直接转矩控制技术，可实现矿用电机车的无极调速。

1 系统设计的总体方案

本文的控制方式选用高性能微处理器的矢量管控，与一般的矢量控制相比具有计算量小等优势。矿用电机车上具有逆变器和电机等设备，本文将选用可以最大转矩限幅的调速系统，而且整个调速系统的主要特点为空间占比小、结构简单和易于操控[2]。

本文设计的矿用电机车调速系统主要分为三部分，第一部分为参数检测层，主要由电参数检测、速度检测、故障诊断检测、光电编码器组成。电参数传感器用于采集电机的功率、电压、电流等参数；速度传感器用于采集电机的运行速度；故障诊断检测主要对电机车进行保护，用于启动限流过压保护；光电编码器用于提供给系统多路直流电源。第二部分为DSP 控制层，该层是调速系统的核心部分，第一部分采集的参数信号会上传至这一部分，DSP 根据检测信号进行分析判断，完成对A/D 转换、计算电机的转速和位置、提供变频调速驱动信号等操作；第三部分是由逆变模块组成的执行层，逆变器通过DSP 控制的电路发出的驱动信号输出相应频率的电压至电动机[3]，实现对电机的启动和变频调速以及其他功能。系统总体结构如图1 所示。

图1 系统总体结构图

本文选用了DSP 芯片TMS320F2812，该芯片针对电机的控制满足系统的稳定性要求，能达到矢量控制系统的要求。矢量控制方法选用直接矢量控制法，可以实现高动态调速性能的控制方案。PWM生成方式选用了具有母线电压利用率高以及高次谐波小等特点的SVPWM。

2 硬件电路设计方案

图2 变频系统主电路图

矿用电机车变频控制主电路设计如下页图2 所示，主回路是功率变换的执行机构，采用交- 直- 交电路。蓄电池组输入的电经输入滤波器、输入电抗器后进行整流逆变，输出的两路交流电经过输出电抗器、输出滤波器后进入电机，进而带动电机车工作。

输入电路的直流电压具有脉动成分，此外逆变部分产生的脉动电流及负载变化也使直流电压脉动，为了提高输入系统直流电压的质量，减少逆变器输出电压的波动，要安装滤波器。它可对输入的电压进行滤波并吸收因为负载等产生的逆变模块的波纹电流和电压。

逆变模块的功率器选用智能功率模块（IPM），由功耗低的管芯、优化的门极驱动电路和保护电路组成，当发生负载事故时也可使自身不受损坏。IPM相对于IGBT 驱动的电路设计相比更为严格，其模块内部具有很强的自保护电路，分别为欠压保护、过流保护、短路保护等。

系统的两种故障分别为IPM 故障输出信号和过压、欠压、过流，需要保护电路在出现故障时产生中断信号，通知CPU 有异常情况，停止系统工作，整个系统全部自动完成，实现了故障的快速响应处理。本文基于对DSP 进行编程来分析输入信号，并输出系统其他电路的信号，来对其他部分进行控制实现系统的自动控制。将检测电路数据进行相应的变换得到系统的输入信号，这与系统的可靠性及稳定性直接相关。

3 软件设计方案

本文基于DSP 来实现系统的参数采集、矢量控制、SVPWM输出以及串行通信等功能。本文程序设计包括主程序和中断服务子程序，主程序对变量和硬件初始化，并对寄存器和变量分配地址设置相应的初值。中断服务程序包括主中断服务程序和保护中断程序。A/D 采样和PWM调制信号输出及实现控制由主中断程序负责。保护中断程序负责处理过压、过流等故障，对系统起保护作用。

主程序执行时，首先对系统初始化，然后经系统状态控制模块判断是否执行中断服务子程序，本文主程序流程图如图3 所示。

本文的主中断经CPU 定时器产生，主控制周期设定为100μs。在执行完所有控制指令后恢复现场，并返回至主程序，并等待下一次发生异常中断。图4为主中断程序的流程图。