基于SRM的新型礦用蓄電池機車調速系統設計

解佳輝

摘 要：根據煤礦井下輔助運輸的要求，設計出基于四相8/6極開關磁阻電機（SRM）的新型礦用蓄電池機車調速系統。給出了滿足要求的硬件電路，采用電流內環、轉速外環的雙閉環控制對電機進行調速。研究結果說明，該系統擁有優越的動態追隨性和很好的控制精度。新型電池機車在煤礦井下協助輸送方面擁有很好的應用前景。

關鍵詞：礦用蓄電池機車；開關磁阻電機；調速

中圖分類號：TM352 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）21-0038-02

一般來講，礦用電池機車承擔輸送地下物品，是地下附屬輸送的關鍵組成部分。調速的機能直接影響井的安全出產。目前大多數地下煤機車都使用直流電動機，并且駕駛員通過方向盤調整串聯繞組的電阻值來操縱電動車輛的運轉狀況。出于電動機的主電路電流流過調速電阻，因此在調速電阻上耗損了大量功率，導致能量的效率下降。基本上來講，在地下煤礦的惡劣做事處境中，加上直流電機本身的構造緣故，給保衛現場帶來了很大的障礙。一般來講，開關磁阻電機（SRM）擁有構造方便，堅固耐用，運行穩當，操縱靈敏，調速功能優良，基本免保護等長處[1-2]，只要操縱的好，它還可以用于電池機車。

1 SRM的工作原理

SRM的轉子和定子是雙凸的，它們的工作原理是根據最小磁阻原理。磁通量始終在磁阻最小的路徑上關閉。如圖1所示。

圖1是一臺8/6極SRM的工作原理結構圖。一般來講，當開關S1、S2關閉時，A相繞組通電（這時其他都不導通），形成的磁力使轉子極軸11`朝向定子極軸AA`移動直到這兩條線完全匹配時，A相繞組電感是最大值。以這種方式相位依次接通，并且電動機的轉子沿向前方向旋轉；以這種方式順序接通各相的轉子的反轉。SRM的正向和反向操縱僅需要操縱相位接通的次序，并且可以看出，電磁力的形成與電流的大小相關，而與其方向沒有關系。

2 SRM調速系統硬件設計

2.1 主控模塊

電機主控芯片采取TMS320F28335型芯片，采用30MHz外接晶體振蕩器。與傳統的2818和2407速度相比，150MHz的內部倍頻因子得到了極大的改善，并且可以滿足電動機操縱條件的種種要求。它具有專用的PWM接口，相應的寄存器可以設置為形成用于操縱電源轉換電路的開關信號。該芯片具有12位高速AD模塊，可設置采集頻率，采集結束后，DMA直接觸發并直接傳輸到指定的保存空間，無需CPU干預，大大降低了CPU的浪費。另外，它具有很好的通信接口和GPIO端口，可以靈便設置。

2.2 功率變換模塊

一般來講，電機功率轉換模塊的拓撲構造是非對稱半橋組織，主電路組織圖如圖2所示。

單相繞組由兩個開關管K1、K2操縱，開每個開關管與續流二極管D1、D2串聯連接，并且功率直接施加在繞組上。在相繞組導通時，K1常開，K2仰制繞組，當繞組斷開時，K1和K2同時關斷，繞組D1和D2的電流流向電源，達成能量回歸。在30KW的SRM和直流電源140V的情況下，主開關管被選為三菱CM300DY-24A型開關管，可以承擔300A的電流，并且可以滿足要求。用于開關管的驅動芯片也用于M57962L-01R專用驅動芯片。工作頻率為20KHz，光耦合器隔離在高壓和低壓部件之間。雙電源可確保開關管的穩當切換，集成內部快捷鍵和流量保護電路可以形成錯誤信號，輸入端子為TTL電平，操縱簡單。

2.3 電流檢測模塊

基本上來講，孔集電極霍爾傳感器MLX91205用于檢測每相電流，與傳統的霍爾傳感器相比，實現了高精度，穩定的機能和高速響應，并且具有高精度，合適電機操縱所需的時間。目前，傳感器通常用于各式各樣的規模，并且為了獲得良好的結果，將傳感器安放在導線上方的合適距離處，使得傳感器可以感測電流值。

2.4 轉子位置檢測模塊

該系統中使用的增量式光電編碼器主要包含固定在SRM驅動軸上的編碼盤和槽檢測器。編碼器有三個輸出A，B和Z，通過三相輸出的差異得到電動機轉子地點信息。圖3顯示了電機轉子的位置代碼。

當電機正向轉動時，代碼陣列為 ；而當電機反向旋轉時編碼信號的輸出順序為 。計算得出電機轉子的地點和速度以及編碼器盤的陷波分布。在該系統設計中，光電編碼器的三相輸出信號經濾波后送至DS3486實行調整，然后將信號作為差分信號發送至DSP的捕獲單元引腳，以此可以提升轉子地點檢測的精度。

3 SRM調速系統軟件設計

由于該系統的使用要求，從而設計了電流環和速度雙閉環控制系統，其中電流環是內環，速度環是外環。

給定速度后，控制器依照編碼器輸出的信號計算目前轉子角度和電機速度，將其與實際速度進行比較，最后計算系統的轉矩分配到此時值并將其輸出到目前電流[3]。在電流環路中，將系統的預期電流值與采樣電流值進行比較，依照獲得的成績操縱PWM輸出，最后實現電機的實時操縱。出于電動機需要大的運行轉矩，因此在運行完成后基本上保持恒定的轉矩，并且在電動機的低速下使用電流斬波器控制[4]；電壓斬波控制用于高速。

4 實驗結果

在該實驗中，對電機車的運行電流和高速平滑電流進行采樣，并且電流波形如圖4所示。

該系統選用防爆4相8/6極SRM，額定輸出功率30KW，額定轉速1500r·min-1，140V直流電源。當電動機啟動時，電流被切斷以限制繞組電流并且繞組被連接。大電流可以實現大的啟動轉矩。從圖4中可以看出，高速運轉的電動機的電流值小于電動機啟動時的電流值。此時，還可以看到電機負載擾動的動態響應很快。

5 結語

本文研究了一種基于SRM的新型礦用電池機車的硬件和軟件設計。電池機車可以為SRM供應直流電源，簡化了系統的電源設計。系統硬件構造設計簡便穩當，合適的采用控制策略。研究結果證明，該系統具有優越的動態跟隨性和較高的控制精度。新型電池機車在煤礦井下協助輸送方面具有很好的應用前景。

參考文獻

[1]吳紅星.開關磁阻電機系統理論與控制技術[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]吳建華.開關磁阻電機設計與應用[M].北京：機械工業出版社，2000.

[3]楊岳峰，張奕黃，王素杰.用于電動車輛的SRM起動性能研究[J].北京交通大學學報，2007，（5）：114-116.

[4]孫艷霞.基于DSP的開關磁阻電機調速系統控制器設計[J].大連交通大學學報，2008，（12）：70-76.