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（華北科技學院 信息與控制技術研究所，河北 廊坊 065201）

1 引言

礦用電機車按照牽引供電的方式不同可分為：架線電機車、蓄電池電瓶電機車；按照牽引力大小可分為：5 t，8 t，12 t，20 t，24 t等系列電機車；按照調速方式的不同可分為：直流牽引電機串電阻調速，直流牽引電機斬波調速，交流牽引電機變頻調速。交流牽引電機車與直流牽引電機車相比較，具有體積小、重量輕，可靠性高、維護量小，無滑環(huán)和換相器，易于安全防爆等優(yōu)點，同時交流變頻調速具有明顯的節(jié)能效果，耗能和發(fā)熱量都明顯減少。

電機車負載變化頻繁，供電電源波動大，工作環(huán)境惡劣，啟動力矩大，同時要能在50%的坡上停車，根據(jù)電機車的特點和應用的實際要求，采用交流變頻調速方案，對礦用電機車的直流傳動系統(tǒng)進行改造。兼顧技術先進性和工程實用性，采用SVPWM控制算法，研究具有重載轉矩補償?shù)母倪M型轉差頻率控制的速度、電流的雙閉環(huán)系統(tǒng)，有很好的實用意義。

2 改進型轉差頻率控制研究

礦用電機車速度、電流閉環(huán)控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示。蓄電池或架空線提供直流電壓，通過三相逆變器單元輸出頻率可調的交流電。電機車交流變頻調速系統(tǒng)可分為主電路、控制系統(tǒng)、檢測電路3個組成部分。其中主電路主要由蓄電池（也可以是架空線直流電壓源）、充電回路、濾波支撐電容、三相逆變橋、三相交流異步牽引電機組成?？刂葡到y(tǒng)主要由DSPIC6010A［1-2］單片機控制電路、光纖板及電源模塊電路、驅動電路、液晶顯示及給定操作模塊組成。檢測電路主要由電壓傳感器及檢測模塊、電流傳感器及檢測模塊、溫度傳感器及檢測模塊、電機轉速傳感器及檢測模塊組成。

圖1 系統(tǒng)控制框圖Fig.1 The block diagram of control system

圖2為改進型轉差頻率控制原理結構框圖。

圖2 改進型轉差頻率控制原理框圖Fig.2 The block diagram of improved slip frequency control

從圖2中可以看出，系統(tǒng)實現(xiàn)了轉速、電流的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，轉速調節(jié)和電流調節(jié)均采用了PI調節(jié)器，實現(xiàn)了電流的快速調節(jié)和轉速的無靜差控制。對轉差的控制直接實現(xiàn)了對電機力矩的控制，改進型的轉差增量實現(xiàn)了對電機力矩的進一步補償調節(jié)控制，從而進一步改善了系統(tǒng)的動態(tài)調節(jié)性能，彌補了傳統(tǒng)的轉差頻率控制的缺點。

2.1 轉差頻率控制原理［3］

若系統(tǒng)的轉差頻率fs在很小的范圍內，只要能夠保持氣隙磁通不變，電機的轉矩就近似與fs成正比，通過控制fs即可間接控制電機的轉矩。

2.2 控制系統(tǒng)、框圖原理及特點

圖2中，牽引電機速度由司機速度手柄給定，可調節(jié)電機車牽引電機M的轉速，電動機速度外環(huán)采用PI調節(jié)器進行調節(jié)，司機速度手柄給定電動機的速度與電動機實際速度的差值作為速度PI調節(jié)器的輸入，速度PI調節(jié)器的輸出作為電動機的轉差給定值即對應牽引力矩T的控制量，則電動機定子頻率f11為

式中:fn為電機轉子速度n折算后的轉子頻率，fn=pn/60。

按照事先依據(jù)牽引電機的特性所確定的V/f曲線，由f11可計算出電動機相電壓幅值u110，作為逆變器輸出電壓的依據(jù)。

2.3 低頻電壓補償

為了在低頻時仍保持電機氣隙磁通恒定，須對電機進行動態(tài)的電壓補償，而這是通過對電機電流的閉環(huán)控制來實現(xiàn)的。由電流PI調節(jié)器來控制電機定子電流，達到電流的需求值。

式中:fs為電機的轉差頻率；R′2為轉子相電阻折算值；Lm為勵磁電感；為轉子相漏感折算值。

根據(jù)電流傳感器檢測到的電機任意兩相（由于三相平衡，可只檢測任意兩相）的電流瞬時值，通過如下計算可得到實際電機電流有效值I1為

式中:Ia1，Ib1分別為電機電流兩相瞬時值。

電流PI調節(jié)器的輸出值作為電壓動態(tài)補償值ΔU11，所以補償后定子電壓的表達式為

2.4 PWM單元

控制的PWM［5］單元采用空間矢量脈寬調制（SVPWM）的控制算法。SVPWM能明顯減少逆變器輸出電流的諧波成份及電機的諧波損耗，降低脈動轉矩，同時具有控制簡單，數(shù)字化實現(xiàn)方便等優(yōu)點。SVPWM單元根據(jù)輸入直流側電壓Vdc，電機的定子頻率f11，電機定子電壓u11，調制出電機所需的電壓和頻率。SVPWM的算法實現(xiàn)如圖3所示。

圖3SVPWM算法框圖Fig.3 The block diagram of SVPWM algorithm

2.5 軟件實現(xiàn)

控制系統(tǒng)采用微芯單片機DSPIC30F6010A，它集DSP的信號高速處理能力和適用于電機控制的優(yōu)化外圍電路于一體，是專門為電機的數(shù)字化控制而設計的，系統(tǒng)的性價比高。利用單片機內部豐富的集成器件，可減少DSP外圍所用元器件；它豐富的、功能強大的中斷服務系統(tǒng)以及常用的I/O接口，使上述算法編程方便，大大簡化了硬件電路。圖4為實現(xiàn)控制策略的中斷服務程序流程圖。

圖4 實現(xiàn)控制策略的中斷服務程序流程圖Fig.4 The flow chart of ISR to achieve control strategy

控制系統(tǒng)主要由4部分組成：1）由DSPIC6010A、外部數(shù)字量輸入和速度采集等組成的DSP數(shù)字系統(tǒng)，它能完成各種數(shù)字計算，外部端子控制，電機車的啟停、正反轉、點動、多段速給定等功能；2）模擬接口電路，主要由電壓和電流調理電路、溫度調理電路、給定電機速度電路等組成。電壓和電流采集主要是把強電轉換為弱電信號，供DSP進行采樣；3）IGBT驅動電路，它把DSP系統(tǒng)發(fā)出的SPWM信號轉化為可以驅動IGBT的脈沖信號，同時當IGBT發(fā)生短路或過流故障時，向DSP系統(tǒng)反饋故障信號；4）液晶操作鍵盤，可以通過鍵盤設定各種參數(shù)，設定電機車控制系統(tǒng)的各種狀態(tài)，查詢歷史故障記錄等。

3 實驗結果及結論

對上述改進型轉差頻率控制系統(tǒng)，在蓄電池礦用電機車上進行了成功的實現(xiàn)。系統(tǒng)主要參數(shù)為：蓄電池輸出電壓DC 180 V，牽引電機額定功率22 kW×2，額定電壓 AC 130 V，額定電流127 A，電機極數(shù)4極。圖5a為電機車電機空載啟動時定子電流的波形，40 A/格，電機車4～5 s完成啟動，達到穩(wěn)定運行狀態(tài)?？梢钥闯?，啟動電流波形平穩(wěn)。圖5b為電機車帶載運行時，定子電流和電壓波形圖，電流為127 A（測量所用電流探頭變比為20∶1），電壓幅值為180 V，電機車穩(wěn)定運行。

圖5 實驗波形圖Fig.5 Experimental waveforms

針對礦用牽引電機車，研究實現(xiàn)了改進型轉差頻率控制策略，成功開發(fā)了基于微芯單片機DSPIC30F6010A的礦用電機車轉速、電流雙閉環(huán)PI調節(jié)器控制系統(tǒng)。設計的控制系統(tǒng)硬件電路簡潔，模塊化強，參數(shù)設置靈活，動態(tài)性能好，可以推廣應用于不同種類（牽引力、供電電壓等級的不同）的礦用電機車上，具有較好的工程實用及應用推廣價值。

［1］何禮高.dsPIC30F電機與電源系列數(shù)字信號控制器原理與應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007.

［2］劉和平.dspic通用數(shù)字信號控制器原理及應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007.

［3］陳伯時.交流調速系統(tǒng)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［4］Munoz-garcia A，Alipo T.A New Induction Motor V／f Control Method Capable of High-performance Regulation at Low Speeds ［J］.IEEE Trans.on Industry Applications， 1998， 34（4）：813－821.

［5］Yu Zhenyu.Space-vector PWM with TMS320C24x／F24x Using Hardware and Software Determined Switching Patterns［C］∥Texas Instrument Literature Number SPRA524，1999.