礦用電機(jī)車矢量控制系統(tǒng)的研究設(shè)計

鄧永紅， 潘玉民， 張全柱， 黃成玉

(華北科技學(xué)院信息與控制技術(shù)研究所，北京 101601)

0 引言

礦用電機(jī)車是工礦企業(yè)的一個傳統(tǒng)設(shè)備，按照供電方式的不同可分為:架線電機(jī)車、蓄電池電瓶電機(jī)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(jī)車;按照調(diào)速方式的不同可分為直流牽引電機(jī)串電阻調(diào)速，直流牽引電機(jī)斬波調(diào)速和交流牽引電機(jī)變頻調(diào)速。從技術(shù)發(fā)展的趨勢來看:架線車與蓄電池電瓶車會并行發(fā)展，而且以較大噸位(12 t、20 t)的蓄電池電瓶車占主導(dǎo);直流斬波調(diào)速將取代傳統(tǒng)的串電阻調(diào)速;交流牽引電機(jī)變頻調(diào)速將取代直流牽引電機(jī)調(diào)速。交流牽引電機(jī)車與直流牽引電機(jī)車相比，具有體積小、重量輕，可靠性高、維護(hù)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(diào)速具有明顯的節(jié)能效果、耗能和發(fā)熱量都明顯減少。故交流牽引電機(jī)車取代直流牽引電機(jī)車，用先進(jìn)的交流變頻調(diào)速技術(shù)取代傳統(tǒng)的直流串電阻和直流斬波調(diào)速技術(shù)是礦用電機(jī)車發(fā)展的必然趨勢。

電機(jī)車負(fù)載變化頻繁，供電電源波動大，工作環(huán)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(jù)電機(jī)車的特點和應(yīng)用的實際要求，采用交流變頻調(diào)速方案，對礦用電機(jī)車的直流傳動系統(tǒng)進(jìn)行改造。兼顧技術(shù)先進(jìn)性和工程實用性，采用SVPWM控制算法，研究電機(jī)車的反饋解耦型電壓矢量控制［4］變頻調(diào)速系統(tǒng)，有很好的實用意義。

1 反饋解耦型電壓矢量控制

礦用電機(jī)車控制系統(tǒng)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(diào)的交流電。電機(jī)車交流變頻調(diào)速系統(tǒng)可分為主電路、控制系統(tǒng)、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(jī)組成。控制系統(tǒng)主要由 dsPIC6010A［1-3］單片機(jī)控制電路、光纖板及電源模塊電路、驅(qū)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(jī)轉(zhuǎn)速傳感器及檢測模塊組成。

圖1 系統(tǒng)控制框圖

1.1 矢量控制原理及反饋解耦

電機(jī)的調(diào)速控制關(guān)鍵是控制其轉(zhuǎn)矩，但異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與磁鏈、電流間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，難以像直流機(jī)那樣獨立控制。轉(zhuǎn)子磁場定向［4］可解決這一問題，定向后的電機(jī)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(zhuǎn)子矢量磁鏈的幅值;

Te——電磁轉(zhuǎn)矩;

ωs——同步角速度;

Rs、Rr——定、轉(zhuǎn)子電阻;

Ls、Lr——定、轉(zhuǎn)子等效自感;

通過樣機(jī)作業(yè)試驗，對樣機(jī)壓縮、進(jìn)料、打帶、鋸截等系統(tǒng)功能進(jìn)行測試，檢驗各項功能與設(shè)計要求達(dá)標(biāo)情況；檢驗液壓控制系統(tǒng)及操控系統(tǒng)的響應(yīng)性、穩(wěn)定性、可靠性；對樣機(jī)山地行駛性能進(jìn)行測試；對枝丫材捆產(chǎn)品質(zhì)量及性能參數(shù)進(jìn)行測試分析；體驗人工勞動強(qiáng)度，計算作業(yè)效率。

Lm——定、轉(zhuǎn)子等效互感;

np——極對數(shù);

σ——漏磁系數(shù)，σ =1 －sLr。

由式(2)可見，電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式較以往大為簡化，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr及定子q軸電流isq有關(guān)，Ψr由d軸定子電流isd決定。因此，轉(zhuǎn)子磁場定向?qū)崿F(xiàn)了轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)。

但是電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)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(guān)系。為了消除兩軸之間的耦合關(guān)系，必須采用適當(dāng)?shù)碾妷航怦钏惴ā?/p>

電壓解耦算法的本質(zhì)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(tǒng)與異步電機(jī)的關(guān)系示意圖

反饋解耦［5］根據(jù)定子電流兩軸分量的反饋值isd和isq來生產(chǎn)解耦電壓項和，并采用圖3所示的控制結(jié)構(gòu)圖。

1.2 控制系統(tǒng)原理及特點

圖4所示為礦用電機(jī)車交流變頻調(diào)速系統(tǒng)反饋解耦型電壓矢量控制系統(tǒng)框圖。從圖中可看出，通過對控制系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)節(jié)，取得了很好的解耦效果和較高的系統(tǒng)控制性能，系統(tǒng)實現(xiàn)了電流的快速調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速的無靜差控制，從而進(jìn)一步改善了系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)性能，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)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(jī)速度由司機(jī)速度手柄給定為ω*，可調(diào)節(jié)電機(jī)車牽引電機(jī)M的轉(zhuǎn)速。電機(jī)速度外環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，司機(jī)速度手柄給定電機(jī)的速度ω*與電機(jī)實際速度ω的差值作為速度PI調(diào)節(jié)器的輸入，速度PI調(diào)節(jié)器的輸出作為電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值。轉(zhuǎn)子磁鏈給定值由轉(zhuǎn)子磁鏈給定單元產(chǎn)生，受電機(jī)轉(zhuǎn)速ω的控制，當(dāng)ω小于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時，為一恒定值，當(dāng)ω大于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時，與電機(jī)轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系。

勵磁電流給定值由轉(zhuǎn)子磁鏈給定值根據(jù)式(4)計算出。

圖4 反饋解耦型電壓矢量控制系統(tǒng)框圖

轉(zhuǎn)矩電流給定值由轉(zhuǎn)矩給定值和轉(zhuǎn)子磁鏈給定值根據(jù)式(2)計算得出。

從電機(jī)定子實測的三相電流isA，isB，isC經(jīng)過3/2變換單元和旋轉(zhuǎn)變換單元產(chǎn)生定子電流的勵磁分量反饋值isd和轉(zhuǎn)矩分量反饋值isq。與isd，isq經(jīng)過定子電壓生成單元反饋解耦控制器的作用，產(chǎn)生定子電壓的d、q軸分量給定值、，再經(jīng)過旋轉(zhuǎn)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(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié)，產(chǎn)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(xiàn)

控制系統(tǒng)采用微芯單片微機(jī)dsPIC30F6010A，它集DSP的信號高速處理能力和適用于電機(jī)控制的優(yōu)化外圍電路于一體，是專門為電機(jī)的數(shù)字化控制而設(shè)計的，系統(tǒng)的性價比較高。利用單片機(jī)內(nèi)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(qiáng)大的中斷服務(wù)系統(tǒng)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(xiàn)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(wù)程序的軟件設(shè)計方法。

控制系統(tǒng)主要由五個部分組成:(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(jī)車的起停、正反轉(zhuǎn)、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(diào)理電路、溫度調(diào)理電路、給定電機(jī)速度電路等組成。電壓和電流采集主要是把強(qiáng)電轉(zhuǎn)換為弱電信號，供DSP進(jìn)行采樣。(3)IGBT驅(qū)動電路，它把DSP系統(tǒng)發(fā)出的SVPWM信號轉(zhuǎn)化為可以驅(qū)動IGBT的脈沖信號，同時當(dāng)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(shè)定各種參數(shù)，設(shè)定電機(jī)車控制系統(tǒng)的各種狀態(tài)，查詢歷史故障記錄等。

圖5 軟件流程圖

2 試驗結(jié)果

對上述電機(jī)車反饋解耦型電壓矢量控制系統(tǒng)，在蓄電池礦用電機(jī)車上進(jìn)行了實現(xiàn)。系統(tǒng)主要參數(shù)如下:蓄電池輸出電壓DC 180 V，牽引電機(jī)額定功率22 kW×2，額定電壓AC 130 V，額定電流127 A，電機(jī)極數(shù)4極。圖6(a)所示為電機(jī)車電機(jī)空載起動時定子電流的波形，40 A/div，電機(jī)車4～5 s內(nèi)完成起動，達(dá)到穩(wěn)定運行狀態(tài)。從圖中可以看出，起動電流波形平穩(wěn)。圖6(b)為電機(jī)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(jī)車穩(wěn)定運行。

3 結(jié)語

圖6 電機(jī)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(jī)車，研究實現(xiàn)了反饋解耦型電壓矢量控制策略，成功開發(fā)了基于微芯單片機(jī)dsPIC30F6010A的礦用電機(jī)車矢量控制系統(tǒng)。設(shè)計的控制系統(tǒng)硬件電路簡潔、模塊化強(qiáng)、參數(shù)設(shè)置靈活、動態(tài)性能好，可以推廣應(yīng)用于不同種類(牽引力、供電電壓等級的不同)的礦用電機(jī)車。基于本文方法的控制系統(tǒng)起動力矩大，起動過程平穩(wěn)，調(diào)速平滑可靠，具有較好的工程實用及應(yīng)用推廣價值。

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