直流架線式礦用電機車變頻調速控制系統的設計

栗忠魁， 阮 毅， 宗 劍， 陳名輝， 陳 佳

(1.上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072;

2.華中科技大學控制工程與科學系，湖北武漢 430074)

0 引言

礦用電機車采用直流電機驅動，因維護量大、維修費用高等問題面臨技術改造;交流調速系統取代直流調速系統成為必然趨勢［1］。

礦用電機車通常工作在比較惡劣的環境中［2-3］。供電系統穩定性差、軌道高低不平，致使供電很不穩定;機車需要頻繁起動、制動、加速、減速，還要適應上、下坡和顛簸路況等情況。因此，在實際的工況中，要求電力機車的調速系統具有:帶載能力強、起動轉矩大、動態響應快，對瞬時斷電、供電電壓波動有很強的適應能力。針對上述要求，設計了基于無速度傳感器的礦用電機車調速系統，試驗證明該系統具有起動力矩大，魯棒性好等優點。

1 礦用架線式電機車變頻調速系統控制方案

1.1 異步電動機按轉子磁鏈定向的矢量控制系統

異步電動機具有非線性、強耦合、多變量等性質，要獲得良好的調速性能，必須從動態模型出發。矢量控制系統通過坐標變換和按轉子磁鏈定向，可以將異步電動機動態模型等效為直流電動機模型，進而通過控制等效直流電動機來達到對異步電動機的控制［4］。

經過坐標變換得到異步電動機在任一旋轉坐標系下的數學模型。

電壓方程:

令dq坐標系與轉子磁鏈矢量同步旋轉，使d軸與轉子磁鏈矢量重合，即為按轉子磁鏈定向同步旋轉坐標系mt。由于m軸與轉子磁鏈矢量重合，則:

為保證m軸與轉子磁鏈矢量始終重合，還應滿足:

按轉子磁鏈定向同步旋轉坐標系mt中狀態方程:

由式(6)可以得出:

ω——電機轉速;

ω1——同步轉速;

ωs——轉差;

ψ——磁鏈;

np——極對數;

下標 r、s——轉子、定子。

經過坐標變換和按轉子磁鏈定向，三相異步電動機變成一臺由ism和ist為輸入，ω為輸出的直流電動機。m繞組相當于直流電動機的勵磁繞組，ism相當于勵磁電流，t繞組相當于電樞繞組，ist相當于電樞電流。

1.2 無速度傳感器

電機車工作環境復雜，機械振動、電磁干擾等會影響轉速編碼器的正常工作，給系統帶來不穩定因素，因此采用無速度傳感器進行轉速估算。

根據式(6)，將 ω用 ω1－ωs代替，又由于Tr=Lr/Rr，可以得出:

化簡得到:

式(12)表明，可以根據定、轉子電感，勵磁電流ism，轉矩電流ist，轉子磁鏈 ψr和轉矩電流 ist的微分計算得到同步轉速ω1。再結合式(10)可得到估算轉速:

磁鏈角可以由同步轉速得到:

無速度傳感器結構圖如圖1所示，矢量控制系統總體結構如圖2所示。

2 電機車調速系統組成

圖1 轉速估算結構圖

圖2 采用無速度傳感器的轉速閉環磁鏈開環矢量控制系統結構圖

電機車的整個調速系統由司機室操作臺、控制系統、電機驅動模塊、異步電動機等組成，調速系統總體結構如圖3所示。操作臺上包括起動/停止、加速/減速控制手柄，加速/減速控制手柄同時提供剎車、前進、后退等控制信號，控制系統包括主控制器及各輔助模塊。

圖3 硬件總體結構圖

控制系統軟件主要由主程序和四個功能模塊組成。主程序主要完成系統初始化，四個功能模塊分別為脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)模塊、故障處理模塊、CAN通信模塊、運行狀態檢測模塊。軟件流程圖如圖4所示。

圖4中，“初始化”完成系統硬件配置、資源分配和部分共用變量聲明;“運行狀態檢測”進行電機轉速估算，電流、電壓檢測;“空間矢量脈寬調制(System Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)控制”完成矢量控制的核心功能，包括坐標變換、轉速閉環控制、磁鏈角計算及PWM信號生成等;“CAN通信”根據用戶PC機設定，向用戶提供所需數據。

圖4 控制系統結構框圖

架線式電機車由交流電網整流提供直流電源，為保證供電不穩定情況下系統能夠穩定運行，在直流母線上并聯電容器和蓄電池。安裝一個80線轉速編碼器對電機運行狀態進行檢測，以保證機車在上下坡、打滑、過載等情況下的安全和穩定。系統采用Microchip dsPIC30f6010A作為核心控制芯片，調速系統總體結構如圖5所示。

3 試驗

為驗證方案的可行性，在3 kW異步電動機上進行試驗，電機銘牌參數如下:fN=50 Hz、nN=1 400 r/min、UN=380 V、IN=6.9 A。

圖6所示分別為給定轉速在 ±800 r/min、±1 400 r/min范圍內變化的實際轉速與估算轉速，由圖可以看出，該系統所采用的無速度傳感器能夠準確跟隨實際轉速。

圖7所示為上位機軟件通過CAN通信得到電機起動和突加、突減負載時電機的運行情況。由圖7可以看出，電機起動時由于轉速較低，電流迅速上升到限幅，到達給定轉速之后電流下降，突加、突減負載時，電機能夠快速響應，電流能夠很好地跟隨負載的變化而變化。

另外，在22 kW電機上進行了試驗，電機參數如下:fN=40 Hz、nN=590 r/min、UN=380 V、IN=49 A、Te=356 N·m。在堵轉情況下，電機可以輸出2倍額定的轉矩，可以滿足礦山電機車的需要。

圖5 調速系統總體結構圖

圖6 不同給定轉速下的實際轉速和估算轉速

圖7 電機起動和突加、突減負載時電機的轉速、電流波形

4 結語

采用無速度傳感器和矢量控制算法，設計了一套直流架線式礦用電機車變頻調速系統。在3 kW和22 kW電機上進行試驗，無速度傳感器估算準確，系統結構簡單，魯棒性好，動態響應快，可以大轉矩、大電流工作，能夠適應礦用電機車特殊的工作環境。

［1］王淑芳，楊智勇，席巍.礦用電機車調速控制系統研究［J］.金屬礦山，2009(8):101-105.

［2］張毅，阮毅，張毅鳴，等.基于dsPIC6010的牽引型變頻器控制系統設計［J］.電機與控制應用，2009(2):3-6.

［3］顧軍，許青春.直接轉矩控制在礦用電機車交流傳動上的應用［J］.煤礦機械，2006(8):140-143.

［4］阮毅，陳維鈞.運動控制系統［M］.北京:清華大學出版社，2006.

［5］Lee Z G，Jeong S K，You S S.Robust control against rotor resistance variation for speed sensorless induction motors［C］∥IEEE International Conference on Electric Machines and Drives，2005，15(1):444-449.

［6］楊霞.變頻調速系統在礦用蓄電池電機車的應用研究［J］.煤礦機電，2008(3):13-15.

［7］姜孝華，金濟，王湘，等.無速度傳感器控制礦用電力機車牽引變頻調速器［J］.電力電子技術，2006(3):83-85.