許海明

（山西高平科興游仙山煤業(yè)有限公司，山西晉城 048400）

0 引言

煤炭資源作為我國(guó)的主要能源之一，是我國(guó)改革開放以來(lái)，社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基石［1］。為了保證煤礦生產(chǎn)工作的安全，避免瓦斯爆炸、透水等事故的發(fā)生，世界各國(guó)對(duì)煤礦的生產(chǎn)環(huán)境與機(jī)電設(shè)備的安全性進(jìn)行不斷探索［2］。礦用蓄電池電機(jī)車是國(guó)內(nèi)煤礦運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備之一，過去主要采用直流電作為牽引電源，在井下瓦斯環(huán)境下，直流電的泄漏容易引起火花，發(fā)生爆炸事故，并在調(diào)速過程中會(huì)造成很大的能量損耗，所以目前煤礦機(jī)車主要采用交流驅(qū)動(dòng)的方式［3-4］。轉(zhuǎn)矩是電機(jī)調(diào)速控制的關(guān)鍵變量，在閉環(huán)控制回路中，交流異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制精度與可靠性高，在煤礦機(jī)車上得到了廣泛的應(yīng)用［5］。本文對(duì)煤礦機(jī)車交流異步電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 電機(jī)的控制原理分析

大多數(shù)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)矩來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，這個(gè)過程可以通過數(shù)學(xué)關(guān)系轉(zhuǎn)換，可以看作一個(gè)積分環(huán)節(jié)，時(shí)間常數(shù)與電機(jī)和其負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有關(guān)。系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)矩控制的過程將直接影響調(diào)速結(jié)果的動(dòng)、靜態(tài)特性。目前交流電機(jī)的控制方式主要有直接矢量控制與間接矢量控制兩種，其中直接矢量控制通過檢測(cè)磁場(chǎng)和運(yùn)算分析來(lái)確定轉(zhuǎn)子的空間位置分布，控制方法簡(jiǎn)單，但是受到電機(jī)影響，檢測(cè)信號(hào)的波動(dòng)較大，數(shù)據(jù)修正與應(yīng)用難度較大。間接矢量控制不需要檢測(cè)定、轉(zhuǎn)子磁鏈的實(shí)際位置，通過控制定向是通過控制轉(zhuǎn)差頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，所以又稱為轉(zhuǎn)差頻率法［6］。

本控制系統(tǒng)采用SVPWM 控制策略，將異步電機(jī)模擬成直流電機(jī)進(jìn)行控制，減少電機(jī)的諧波損耗。SVPWM控制策略與傳統(tǒng)控制策略的控制流程不同，在對(duì)礦用機(jī)車調(diào)速前，先將蓄電池中的直流電逆變?yōu)榻涣麟?，利用SVPWM 調(diào)制向電機(jī)輸入控制電壓向量，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制［7］。SVPWM 控制策略的實(shí)質(zhì)是平均值等效原理，即控制基本電壓矢量的平均值和給定的電壓矢量相等，其三相矢量變化規(guī)則如下：

式中：UA（t）、UB（t）與UC（t）分別為三相電壓的空間矢量，其矢量之和U（t）的計(jì)算公式如下：

根據(jù)式（2），當(dāng)幅值Um為定值時(shí)，矢量U（t）以角頻率ω按逆時(shí)針方向勻速旋轉(zhuǎn)，形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的空間矢量，SVPWM 控制策略的目的就是通過使用三相橋的開關(guān)狀態(tài)表示矢量U（t）的空間旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

2 系統(tǒng)控制方案與硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。礦用機(jī)車的蓄電池作為整個(gè)控制系統(tǒng)的直流電源，同時(shí)向控制系統(tǒng)的主電路與電機(jī)供電。電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)通過光電編碼器采集處理，傳輸?shù)紻SP處理器中，DSP處理器通過計(jì)算分析得到電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和位置角度，再利用SVPWM矢量控制算法得到電機(jī)PWM控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)經(jīng)過光耦隔離電路輸入到驅(qū)動(dòng)電路模塊，驅(qū)動(dòng)IPM 功率開關(guān)器件，完成調(diào)速系統(tǒng)電機(jī)電源的直—交轉(zhuǎn)換。

圖1 系統(tǒng)控制方案結(jié)構(gòu)

DSP處理器模塊作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，主要負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和運(yùn)算功能，對(duì)電路進(jìn)行過壓和過流等保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙閉環(huán)負(fù)反饋轉(zhuǎn)速控制，保證系統(tǒng)輸出結(jié)果的穩(wěn)定性。異步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)計(jì)算過程復(fù)雜，工作量比較大，綜合考慮DSP芯片的工作性能，選用TI公司出產(chǎn)的TMS320F2812作為系統(tǒng)的核心處理器。

TMS320F2812 DSP 為32 位定點(diǎn)控制單元，主頻150 MHz，具有片內(nèi)256 k×16 bit的ROM存儲(chǔ)單元和片內(nèi)34 k×16 bit的RAM存儲(chǔ)單元，兩個(gè)事件管理器模塊EVA 和EVB，事件管理器的外部設(shè)備功能豐富，具有較好的控制計(jì)算功能。TMS320F2812 DSP 具有體積小、性能強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，滿足很多工業(yè)的應(yīng)用環(huán)境［8］。

2.2 系統(tǒng)的檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

DSP芯片通過檢測(cè)模塊的各裝置采集系統(tǒng)各部分的工作數(shù)據(jù)，通過實(shí)時(shí)的信息反饋，DSP 芯片對(duì)系統(tǒng)的輸出進(jìn)行及時(shí)地調(diào)整，對(duì)系統(tǒng)各部分器件進(jìn)行保護(hù)，本節(jié)將對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

機(jī)車蓄電池同時(shí)向控制系統(tǒng)與機(jī)車交流電機(jī)供電，為了比避免損傷電路，影響系統(tǒng)工作，需要對(duì)蓄電池的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。蓄電池電壓的檢測(cè)電路如圖2 所示，其中電路中的R1與R2阻值根據(jù)電路中的電壓等級(jí)進(jìn)行調(diào)整。

本文設(shè)計(jì)的調(diào)速控制系統(tǒng)采用光電編碼器對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行間接檢測(cè)，光電編碼器采集到的數(shù)據(jù)不需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。TMS320F2812 DSP芯片中包含了一個(gè)正交解碼脈沖電路（QEP），可直接對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置進(jìn)行測(cè)量。DSP 芯片通過QEP1 和QEP2引腳接收光電編碼器傳輸?shù)降拿}沖信號(hào)，QEP電路直接對(duì)其解碼計(jì)數(shù)。

圖2 蓄電池電壓檢測(cè)電路

系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，電路溫度會(huì)隨著流過電流的增大而升高，當(dāng)溫度升高到一定程度，極有可能燒壞電路元件，甚至危及整個(gè)控制系統(tǒng)。本文利用熱敏電阻元件采集溫度信號(hào)，當(dāng)電路采樣的電壓降低時(shí)，說(shuō)明電路溫度升高，當(dāng)電壓值降低到設(shè)定闕值時(shí)，系統(tǒng)切斷電流，采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

3 控制系統(tǒng)軟件功能實(shí)現(xiàn)

本文利用DSP 軟件CCS 對(duì)控制系統(tǒng)的軟件程序進(jìn)行編譯。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，通過主程序?qū)⒏髂K的功能進(jìn)行整合。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖3 所示，系統(tǒng)在初始化、自檢結(jié)束后，啟動(dòng)機(jī)車電機(jī)，首先運(yùn)行信號(hào)采集程序模塊，分別對(duì)系統(tǒng)的電壓、轉(zhuǎn)速與溫度等信號(hào)進(jìn)行采集，再運(yùn)行故障監(jiān)測(cè)程序模塊，通過檢測(cè)數(shù)據(jù)與參考數(shù)值的對(duì)比判斷系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)保護(hù)功能，最后運(yùn)行系統(tǒng)的變頻調(diào)速程序模塊，通過檢測(cè)到的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制，保證調(diào)速的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)比直流調(diào)速方式與交流調(diào)速方式，確定了系統(tǒng)的整體控制方案與控制策略，并且對(duì)系統(tǒng)的硬件部分與軟件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性與安全性，可實(shí)現(xiàn)煤礦機(jī)車的準(zhǔn)確、高效、平穩(wěn)運(yùn)行。