高鵬,許連丙,龍先江
(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司, 山西 太原 030006)
礦用防爆特種膠輪車是用于運輸人員和材料的無軌車輛,目前這種純電動驅(qū)動礦用膠輪車已日益受到煤礦的歡迎,成為煤礦井下運輸?shù)闹饕O備,例如VTC650、VTC680等已成為煤礦井下運輸支架的主要運輸工具[1]。為了適應礦井的高效運輸?shù)陌l(fā)展,該特種車輛正朝著大功率、大運量、長距離的方向發(fā)展,尤其雙機、四電動機已成為特種車輛發(fā)展的方向,而單機驅(qū)動已不能滿足實際工礦的運載要求。
目前國內(nèi)大多數(shù)特種車輛驅(qū)動電動機多采用變頻調(diào)速系統(tǒng),但其造價高、維護成本高、啟動轉(zhuǎn)矩小的原因不能滿足實際的工況使用要求,而SRM驅(qū)動系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、工作性可靠性高、啟動轉(zhuǎn)矩大、對電池沖擊小、效率高等優(yōu)勢,已成為替代變頻驅(qū)動系統(tǒng)的一種新型驅(qū)動系統(tǒng)[2]。但無論是SRM驅(qū)動系統(tǒng),還是交流變頻調(diào)速系統(tǒng),多機間的功率平衡問題是亟待解決的關(guān)鍵問題。
本文主要針對雙SRM驅(qū)動系統(tǒng)的功率平衡問題進行研究,主要是采用PLC為主,雙SRM為從控制器的硬件結(jié)構(gòu),以及采用交叉耦合的功率平衡算法將其成功應用于VTC650支架搬運車的牽引系統(tǒng)。
SRM是一種新型的調(diào)速系統(tǒng),其優(yōu)點是定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比異步電動機簡單、堅固、易于水冷,且具有啟動轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)勢[3],完全符合VTC650支架搬運車的牽引系統(tǒng)的要求。為了在實際應用中功率變換器良好的散熱,維護方便,設計了以可編程控制器(PLC)為主控制發(fā)號命令,2臺SRM控制器為從各自獨立控制2臺SR電動機的硬件電路,其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 電氣硬件電路結(jié)構(gòu)
由圖1所示,2臺SRM電動機共用一套蓄電池作為整車的動力來源,其硬件結(jié)構(gòu)由德國倍福的PLC和2臺SRM控制器以及2臺65 kW的開關(guān)磁阻電動機組成。SRM控制器中包括中央處理器DSP芯片TMS320F28335以及功率變換器和電流互感器、電壓互感器等組成。其功率變換器采用三相不對稱半橋電路,具體電路如圖2所示。
從圖2可以看出,由于SRM采用三相不對稱半橋電路,不僅避免了功率器件IGBT直通的危險,還減少了功率變換器可能損壞的危險,從而提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖2中的A、B、C分別為SRM的三相繞組線圈,VT1、VT2 、VT3、VT4、VT5、VT6為功率器件IGBT。
圖2 三相不對稱半橋電路
由于VTC650支架搬運車在實際運行中,前后電動機的速度相同,若在理想狀況下前后電動機負載相同且不考慮電動機的差異,則在給定速度相同的情況下,其電動機轉(zhuǎn)速相同、電流相同、功率平衡。但實際中前后電動機的負載不可能相同,故要保持前后電動機的速度相同,電動機側(cè)負載越大,電動機的輸出功率越大,則需給定的轉(zhuǎn)速越大。
由于P=KTn(K為常數(shù)),當VTC650采用2臺SRM控制器作為牽引電動機時,前后電動機速度相同,故要保持2臺SRM控制器輸出功率的相同,則需將功率平衡問題轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩平衡的問題,由此本文的控制目標成為兩臺SRM控制器轉(zhuǎn)矩平衡的問題。
由于SRM控制器的調(diào)速系統(tǒng)是一種非線性系統(tǒng),其數(shù)學模型高度復雜[4],且其順時轉(zhuǎn)矩是定轉(zhuǎn)子相對角與電流的二元函數(shù),很難準確估算,但通過大量的實驗研究發(fā)現(xiàn),SRM控制器輸出轉(zhuǎn)矩與輸出平均電流成一定的線性關(guān)系,即T≈K1i(K1為比例系數(shù))[5]。于是SRM控制器功率平衡的問題,最終轉(zhuǎn)化為解決控制前后電動機繞組平均電流相同的問題。
交叉耦合控制器通常由兩部分組成,一部分是實時計算輪廓誤差的輪廓誤差模型,另一部分是將所得到的控制量按照一定的關(guān)系補償?shù)礁鬏喞`差分配控制器[6-7],對于本文中的輪廓誤差,即為2臺SRM控制器的實際電流之差,其控制量即為將電流之差經(jīng)過一定關(guān)系補償后分配到SRM控制器,從而達到控制2臺SRM控制器功率平衡的目的,其具體控制框架如圖3所示。
圖3 雙SRM功率平衡控制
由圖3可知,本文采用了PLC作為主控制器、SRM控制器作為從控制器的控制方式,而其中的輪廓誤差補償器采用了PID調(diào)節(jié)器。整個操作過程即為在油門腳踏板發(fā)出轉(zhuǎn)速命令n后,經(jīng)過PLC中交叉耦合功率平衡算法,分別將轉(zhuǎn)速分配給前后兩臺SRM控制器:當SRM1控制器的輸出功率P1>P2時,這說明SRM1控制器側(cè)負載較重,SRM控制器1采集到的SRM1控制器側(cè)電流大于SRM控制器2的SRM2控制器側(cè)電流,經(jīng)CAN總線發(fā)送到PLC控制器,在PLC中將i=i1-i2作為輪廓誤差,經(jīng)PID功率平衡調(diào)節(jié)器產(chǎn)生轉(zhuǎn)速誤差n3,及經(jīng)過加法器后分別將轉(zhuǎn)速n1、n2經(jīng)CAN總線分配給SRM1、SRM2控制器,之后SRM2控制器的輸出功率減小、SRM2控制器輸出功率增大,直到兩側(cè)電機功率平衡,輪廓誤差保持不變。同理當SRM1控制器的輸出功率P1 整個系統(tǒng)由PLC作為主控制器發(fā)號施令,完成功率平衡算法,并將最終計算的速度分配給SRM1、SRM2控制器。系統(tǒng)控制流程如圖4所示。 圖4 系統(tǒng)控制流程 目前雙SRM功率平衡方法已成功應用于VTC650支架搬運車的牽引改造系統(tǒng),且系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠,同時該方法也可進一步應用于國內(nèi)外雙牽引系統(tǒng)的設備改造項目中,還可進一步應用于本公司生產(chǎn)的特種車輛,從而確保雙SRM控制系統(tǒng)車輛的功率平衡,避免電動機的損壞,提高產(chǎn)品的可靠性。3 系統(tǒng)控制流程
4 結(jié)論