礦用電機車矢量控制系統的研究設計

鄧永紅， 潘玉民， 張全柱， 黃成玉

(華北科技學院信息與控制技術研究所，北京 101601)

0 引言

礦用電機車是工礦企業的一個傳統設備，按照供電方式的不同可分為: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和交流牽引電機變頻調速。從技術發展的趨勢來看:架線車與蓄電池電瓶車會并行發展，而且以較大噸位(12 t、20 t)的蓄電池電瓶車占主導;直流斬波調速將取代傳統的串電阻調速;交流牽引電機變頻調速將取代直流牽引電機調速。交流牽引電機車與直流牽引電機車相比，具有體積小、重量輕，可靠性高、維護量小，無滑環和換相器，易于安全防爆等優點，同時交流變頻調速具有明顯的節能效果、耗能和發熱量都明顯減少。故交流牽引電機車取代直流牽引電機車，用先進的交流變頻調速技術取代傳統的直流串電阻和直流斬波調速技術是礦用電機車發展的必然趨勢。

電機車負載變化頻繁，供電電源波動大，工作環境惡劣，帶載重，要求起動力矩大，同時要能在5‰的坡上停車，根據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，研究電機車的反饋解耦型電壓矢量控制［4］變頻調速系統，有很好的實用意義。

1 反饋解耦型電壓矢量控制

礦用電機車控制系統框圖如圖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可分為主電路、控制系統、檢測電路三個組成部分。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。控制系統主要由 dsPIC6010A［1-3］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等組成。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 系統控制框圖

1.1 矢量控制原理及反饋解耦

電機的調速控制關鍵是控制其轉矩，但異步電機的轉矩與磁鏈、電流間存在復雜的耦合關系，難以像直流機那樣獨立控制。轉子磁場定向［4］可解決這一問題，定向后的電機模型如下:

式中:Usd、Usq——定子電壓d、q軸分量;

isd、isq——定子電流d、q軸分量;

Ψr——轉子矢量磁鏈的幅值;

Te——電磁轉矩;

ωs——同步角速度;

Rs、Rr——定、轉子電阻;

Ls、Lr——定、轉子等效自感;

通過樣機作業試驗，對樣機壓縮、進料、打帶、鋸截等系統功能進行測試，檢驗各項功能與設計要求達標情況；檢驗液壓控制系統及操控系統的響應性、穩定性、可靠性；對樣機山地行駛性能進行測試；對枝丫材捆產品質量及性能參數進行測試分析；體驗人工勞動強度，計算作業效率。

Lm——定、轉子等效互感;

np——極對數;

σ——漏磁系數，σ =1 －sLr。

由式(2)可見，電磁轉矩的表達式較以往大為簡化，轉矩與轉子磁鏈Ψr及定子q軸電流isq有關，Ψr由d軸定子電流isd決定。因此，轉子磁場定向實現了轉矩、磁鏈與定子電流間的解耦，控制d、q軸的電流就可分別對磁鏈和轉矩進行調節。

但是電機調速系統的控制輸入為定子電壓，從式(1)可看出電流與電壓間仍存在兩軸之間的耦合關系。為了消除兩軸之間的耦合關系，必須采用適當的電壓解耦算法。

電壓解耦算法的本質就是在d、q軸電流控制器的輸出信號、處分別加上解耦電壓項，從而使得定子兩軸的給定電壓為

圖2 電壓解耦型矢量控制系統與異步電機的關系示意圖

反饋解耦［5］根據定子電流兩軸分量的反饋值isd和isq來生產解耦電壓項和，并采用圖3所示的控制結構圖。

1.2 控制系統原理及特點

圖4所示為礦用電機車交流變頻調速系統反饋解耦型電壓矢量控制系統框圖。從圖中可看出，通過對控制系統參數的調節，取得了很好的解耦效果和較高的系統控制性能，系統實現了電流的快速調節和轉速的無靜差控制，從而進一步改善了系統的動態調節性能，彌補了傳統的轉差頻率控制的缺點。

圖3 反饋解耦控制原理圖

圖4中，牽引電機速度由司機速度手柄給定為ω*，可調節電機車牽引電機M的轉速。電機速度外環采用PI調節器進行調節，司機速度手柄給定電機的速度ω*與電機實際速度ω的差值作為速度PI調節器的輸入，速度PI調節器的輸出作為電機轉矩給定值。轉子磁鏈給定值由轉子磁鏈給定單元產生，受電機轉速ω的控制，當ω小于電機額定轉速時，為一恒定值，當ω大于電機額定轉速時，與電機轉速成反比關系。

勵磁電流給定值由轉子磁鏈給定值根據式(4)計算出。

圖4 反饋解耦型電壓矢量控制系統框圖

轉矩電流給定值由轉矩給定值和轉子磁鏈給定值根據式(2)計算得出。

從電機定子實測的三相電流isA，isB，isC經過3/2變換單元和旋轉變換單元產生定子電流的勵磁分量反饋值isd和轉矩分量反饋值isq。與isd，isq經過定子電壓生成單元反饋解耦控制器的作用，產生定子電壓的d、q軸分量給定值、，再經過旋轉變換單元和2/3變換單元得到定子三相電壓的給定值，，，連同實測直流母線電壓Udc一起送入PWM［6］單元，并按照一定的PWM規律進行調節，產生電壓型逆變器所需的三相 PWM 脈沖信號uA，uB，uC。

1.3 軟件實現

控制系統采用微芯單片微機dsPIC30F6010A，它集DSP的信號高速處理能力和適用于電機控制的優化外圍電路于一體，是專門為電機的數字化控制而設計的，系統的性價比較高。利用單片機內部豐富的集成器件，可減少DSP外圍所用的元器件;它豐富的、功能強大的中斷服務系統及常用的I/O接口，使上述算法編程方便，大大簡化了硬件電路。圖5給出了用dsPIC30F6010A實現反饋解耦型電壓矢量控制算法的軟件流程圖，以及中斷服務程序的軟件設計方法。

控制系統主要由五個部分組成:(1)由dsPIC6010A、外部數字量輸入和速度采集等組成的DSP數字系統，它能完成各種數字計算，外部端子控制，電機車的起停、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系統發出的SVPWM信號轉化為可以驅動IGBT的脈沖信號，同時當IGBT發生短路或過流故障時，向DSP系統反饋故障信號。(4)液晶操作鍵盤，可以通過鍵盤設定各種參數，設定電機車控制系統的各種狀態，查詢歷史故障記錄等。

圖5 軟件流程圖

2 試驗結果

對上述電機車反饋解耦型電壓矢量控制系統，在蓄電池礦用電機車上進行了實現。系統主要參數如下: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4極。圖6(a)所示為電機車電機空載起動時定子電流的波形，40 A/div，電機車4～5 s內完成起動，達到穩定運行狀態。從圖中可以看出，起動電流波形平穩。圖6(b)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，電機車穩定運行。

3 結語

圖6 電機起動電流波形及帶載運行時電流、電壓波形

針對礦用牽引電機車，研究實現了反饋解耦型電壓矢量控制策略，成功開發了基于微芯單片機dsPIC30F6010A的礦用電機車矢量控制系統。設計的控制系統硬件電路簡潔、模塊化強、參數設置靈活、動態性能好，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。基于本文方法的控制系統起動力矩大，起動過程平穩，調速平滑可靠，具有較好的工程實用及應用推廣價值。

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［5］李微，感應電機矢量控制系統研究［D］.北京:北京交通大學，2000.

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