崔红刚

(山西凌志达煤业公司,山西 长治 046600)

0 引言

人类对能源的需求与环境保护成为当前亟待解决的一组矛盾，因此在煤矿开采过程中，需要对采煤设备的能源利用进行高效改进。矿用电机车是矿井中常见的运输设备，一般有架线式和蓄电池式两种，架线式电机车的受电弓经常出现摩擦火花，引起电压波动等，在煤矿井下特殊工作环境中十分危险；蓄电池式电机车具有防爆和隔爆功能，但是存在维修成本高、电机换相产生火花等缺点。综上所述，传统的架线式电机车和蓄电池式电机车均不能满足能源高效利用和安全可靠的要求，因此本文研究一种变频调速式矿用架线式电机车，以提高能源利用率，提高矿井运输系统的安全性和可靠性。

1 直流无刷电机控制系统

矿用架线式直流电机车采用直流无刷电机进行主拖动，这是一种基于计算机技术、永磁材料技术和电力电子技术的新型电机，由于没有电刷，避免了机械换向装置的火花、噪声等问题，具有广阔的应用前景。直流无刷电机的运行原理为：通过对转子位置的实时检测，判断当前使转子连续转动所需的磁场方向和大小，并控制逆变器发出的电流波形，产生所需要的气隙磁场，驱动永磁体转动。整个控制系统可以分为无刷电机本体、逆变器和转子位置检测传感器三部分，图1为直流电机车控制系统框图。直流无刷电机与同步电机相似，由定子(电枢绕组)、转子、转子位移传感器等组成，转矩由电枢电流产生的磁场与转子的永磁体相互作用产生。位置传感器分为有位置和无位置两种，其作用是获取当前的转子位置信号，供逆变电路进行判断。

图1 直流电机车控制系统框图

由于直流无刷电机构造的特殊性，其转子采用永磁材料制造，不同于其他采用电磁激励的绕组可以预测磁链，直流无刷电机的磁链控制不能预测。因此，直流无刷电机的运行特性主要由定子电流进行控制，所以为了电机运行平稳，定子绕组电流控制是直流电机车变频调速系统的重要依据。

2 直流电机车变频控制系统硬件

直流电机车变频控制系统硬件由上位机、DSP控制板和无刷直流电机及其驱动电路三部分组成，如图2所示。虚线框内是以TMS320F2812为核心的控制板，主要功能是接收传感器采集的电压电流等数据，对核心控制算法进行运算，发出电机控制信号。虚线框右侧是无刷直流电机、功率驱动电路和传感器电路。上位机与DSP控制板通过SCI和JTAG接口进行通信，上位机可以向DSP控制板发出控制信号，接收DSP控制板返回的状态信号。

2.1 速度检测电路

由于直流无刷电机体积限制，不便采用测速发电机进行速度采集，因此大多采用位置传感器产生正比于转速的脉冲信号，然后对脉冲信号进行滤波转换成电压信号，电压信号的大小间接反映了转速的大小，速度检测电路原理图如图3所示。VS是一个正比于转速的脉冲信号，经过单稳态触发器处理后，输出端Q产生一系列等高等宽的脉冲信号，经过RC低通滤波为直流电压信号，输入到光耦隔离芯片，采用DSP脉冲捕获单元对CAP1进行捕获，间接获取此时电机的转速。

图3 速度检测电路

2.2 放大比较电路

放大比较电路由精密仪表放大器、电压比较器和上升沿D触发器构成，不导通相端电压与给定电压做差，此差值经由放大器进行信号放大后，与零电压进行比较，将比较结果经D触发器输出到光电隔离电路。本设计采用精密仪表放大器INA118，这款芯片能够对微小信号进行放大，具有高增益宽带宽的特点。

2.3 电流采样电路

电流采样电路采用电阻采样方式，将串联在主回路中的电阻电流经运算放大电路转换为电压信号，然后经光耦隔离、滤波和限幅等环节，送入模数转换器。可采用反馈电容进行滤波，在运算放大器反馈回路中并联102电容，可有效避免电路振荡，削弱电流采集信号的尖峰毛刺，提高信噪比。

2.4 不导通相选择电路

换相前控制系统需要将不导通的一相选择出来，这个电路称之为不导通相选择电路。不导通相选择电路由限幅电路、模拟多路开关和电压跟随器组成，限幅电路由3个共阴极的二极管组成，阴极接限幅电压+5 V；模拟多路开关选择ADG409，其信号选通接口SEL1、SEL2由DSP IO口控制，多路开关的输出端接一级电压跟随器，以增强信号及减小电路的输出阻抗。

2.5 功率开关驱动电路

功率开关驱动电路是连接DSP控制信号和逆变器的电路，包括缓冲电路、隔离电路和MOS管驱动电路。缓冲电路和隔离电路的作用是防止逆变器的元件发生短路等故障时高压串入控制电路、烧毁控制板等关键部件。本设计采用TLP2630对DSP的6路PWM信号进行隔离和缓冲。MOS管驱动电路一般采用集成的驱动器，IR公司的IR2130三相全桥驱动器是一款结构简单、可靠性高的驱动器，且具有各项保护功能。

2.6 系统保护电路

当直流无刷电机出现各类故障时，如果没有相应的保护电路，极易造成故障扩大，直接造成经济损失，甚至产生人身伤害。一般电机运行需要配置过电压、过电流和欠电压保护，由于驱动器IR2130本身具有性能较好的过电流和欠压保护功能，因此本文另外设计了一种过压保护电路。电压采集模块采集母线电压，通过光耦电路后送入DSP中，与给定的保护电压进行比较，如果母线电压大于给定电压，则在软件中锁定PWM脉冲，以此保护开关管和电机。

3 直流电机车变频控制系统软件

直流电机车变频控制系统软件采用模块化设计思想，将整个软件划分为初始化模块、中断模块、双闭环控制模块等。各模块程序结合硬件设计和中断服务子程序进行设计。图4为控制系统软件主程序流程图，程序开始后，首先进行系统初始化，然后关闭全局中断，依次对事件管理器、ADC、外部中断、变量、定时器、捕获模块进行初始化，初始化完成后打开全局中断，至此初始化工作结束，进入主循环等待中断。

图4 主程序流程图

图5(a)为定时器中断流程图，定时器中断开始后，进行现场保护，然后读取启动时间表中计数值，计算转子位置和转速，计算完成后执行双闭环控制算法，调整PWM控制信号。定时中断子程序能够完成无刷直流电机的启动功能和延时换相功能。图5(b)为捕获中断流程图，无位置传感器响应捕获中断，进入捕获中断后保护现场，然后检测换相标志，从捕获寄存器中读取当前状态，两次反电动势过零的中点即为30°电角度时间，进行30°电角度延时后换相，换相完成后恢复捕获功能。

图5 中断流程图

4 结束语

以DSP为核心的直流无刷变频调速系统具有控制精度高、功耗低等特点，与以往采用单片机的控制系统相比，高速捕获单元、脉宽调制模块等功能大大提高了控制系统的性能。将变频控制系统和无刷直流电机应用于矿用架线式电机车，能够提高矿井用电机车的稳定性和安全性，并且降低电能损耗，对煤矿企业的节能减排、安全生产具有现实意义。