雙SRM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在VTC650支架搬運(yùn)車中的應(yīng)用*

高鵬，許連丙，龍先江

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

礦用防爆特種膠輪車是用于運(yùn)輸人員和材料的無(wú)軌車輛，目前這種純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)礦用膠輪車已日益受到煤礦的歡迎，成為煤礦井下運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，例如VTC650、VTC680等已成為煤礦井下運(yùn)輸支架的主要運(yùn)輸工具[1]。為了適應(yīng)礦井的高效運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，該特種車輛正朝著大功率、大運(yùn)量、長(zhǎng)距離的方向發(fā)展，尤其雙機(jī)、四電動(dòng)機(jī)已成為特種車輛發(fā)展的方向，而單機(jī)驅(qū)動(dòng)已不能滿足實(shí)際工礦的運(yùn)載要求。

目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)特種車輛驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)多采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，但其造價(jià)高、維護(hù)成本高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小的原因不能滿足實(shí)際的工況使用要求，而SRM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、工作性可靠性高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、對(duì)電池沖擊小、效率高等優(yōu)勢(shì)，已成為替代變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一種新型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[2]。但無(wú)論是SRM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，還是交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，多機(jī)間的功率平衡問(wèn)題是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

本文主要針對(duì)雙SRM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率平衡問(wèn)題進(jìn)行研究，主要是采用PLC為主，雙SRM為從控制器的硬件結(jié)構(gòu)，以及采用交叉耦合的功率平衡算法將其成功應(yīng)用于VTC650支架搬運(yùn)車的牽引系統(tǒng)。

1 VTC650支架相交運(yùn)車牽引控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)

SRM是一種新型的調(diào)速系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比異步電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、易于水冷，且具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)勢(shì)[3]，完全符合VTC650支架搬運(yùn)車的牽引系統(tǒng)的要求。為了在實(shí)際應(yīng)用中功率變換器良好的散熱，維護(hù)方便，設(shè)計(jì)了以可編程控制器(PLC)為主控制發(fā)號(hào)命令，2臺(tái)SRM控制器為從各自獨(dú)立控制2臺(tái)SR電動(dòng)機(jī)的硬件電路，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電氣硬件電路結(jié)構(gòu)

由圖1所示，2臺(tái)SRM電動(dòng)機(jī)共用一套蓄電池作為整車的動(dòng)力來(lái)源，其硬件結(jié)構(gòu)由德國(guó)倍福的PLC和2臺(tái)SRM控制器以及2臺(tái)65 kW的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)組成。SRM控制器中包括中央處理器DSP芯片TMS320F28335以及功率變換器和電流互感器、電壓互感器等組成。其功率變換器采用三相不對(duì)稱半橋電路，具體電路如圖2所示。

從圖2可以看出,由于SRM采用三相不對(duì)稱半橋電路，不僅避免了功率器件IGBT直通的危險(xiǎn)，還減少了功率變換器可能損壞的危險(xiǎn),從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖2中的A、B、C分別為SRM的三相繞組線圈，VT1、VT2 、VT3、VT4、VT5、VT6為功率器件IGBT。

圖2 三相不對(duì)稱半橋電路

2 雙SRM控制器功率平衡方案

2.1 功率平衡的技術(shù)分析

由于VTC650支架搬運(yùn)車在實(shí)際運(yùn)行中，前后電動(dòng)機(jī)的速度相同，若在理想狀況下前后電動(dòng)機(jī)負(fù)載相同且不考慮電動(dòng)機(jī)的差異，則在給定速度相同的情況下，其電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相同、電流相同、功率平衡。但實(shí)際中前后電動(dòng)機(jī)的負(fù)載不可能相同，故要保持前后電動(dòng)機(jī)的速度相同，電動(dòng)機(jī)側(cè)負(fù)載越大，電動(dòng)機(jī)的輸出功率越大，則需給定的轉(zhuǎn)速越大。

由于P=KTn(K為常數(shù))，當(dāng)VTC650采用2臺(tái)SRM控制器作為牽引電動(dòng)機(jī)時(shí)，前后電動(dòng)機(jī)速度相同，故要保持2臺(tái)SRM控制器輸出功率的相同，則需將功率平衡問(wèn)題轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩平衡的問(wèn)題，由此本文的控制目標(biāo)成為兩臺(tái)SRM控制器轉(zhuǎn)矩平衡的問(wèn)題。

由于SRM控制器的調(diào)速系統(tǒng)是一種非線性系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型高度復(fù)雜[4]，且其順時(shí)轉(zhuǎn)矩是定轉(zhuǎn)子相對(duì)角與電流的二元函數(shù)，很難準(zhǔn)確估算，但通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),SRM控制器輸出轉(zhuǎn)矩與輸出平均電流成一定的線性關(guān)系,即T≈K1i(K1為比例系數(shù))[5]。于是SRM控制器功率平衡的問(wèn)題，最終轉(zhuǎn)化為解決控制前后電動(dòng)機(jī)繞組平均電流相同的問(wèn)題。

2.2 交叉耦合控制分析

交叉耦合控制器通常由兩部分組成，一部分是實(shí)時(shí)計(jì)算輪廓誤差的輪廓誤差模型，另一部分是將所得到的控制量按照一定的關(guān)系補(bǔ)償?shù)礁鬏喞`差分配控制器[6-7]，對(duì)于本文中的輪廓誤差,即為2臺(tái)SRM控制器的實(shí)際電流之差，其控制量即為將電流之差經(jīng)過(guò)一定關(guān)系補(bǔ)償后分配到SRM控制器，從而達(dá)到控制2臺(tái)SRM控制器功率平衡的目的,其具體控制框架如圖3所示。

圖3 雙SRM功率平衡控制

由圖3可知，本文采用了PLC作為主控制器、SRM控制器作為從控制器的控制方式,而其中的輪廓誤差補(bǔ)償器采用了PID調(diào)節(jié)器。整個(gè)操作過(guò)程即為在油門腳踏板發(fā)出轉(zhuǎn)速命令n后,經(jīng)過(guò)PLC中交叉耦合功率平衡算法,分別將轉(zhuǎn)速分配給前后兩臺(tái)SRM控制器：當(dāng)SRM1控制器的輸出功率P1>P2時(shí),這說(shuō)明SRM1控制器側(cè)負(fù)載較重，SRM控制器1采集到的SRM1控制器側(cè)電流大于SRM控制器2的SRM2控制器側(cè)電流，經(jīng)CAN總線發(fā)送到PLC控制器，在PLC中將i=i1-i2作為輪廓誤差，經(jīng)PID功率平衡調(diào)節(jié)器產(chǎn)生轉(zhuǎn)速誤差n3，及經(jīng)過(guò)加法器后分別將轉(zhuǎn)速n1、n2經(jīng)CAN總線分配給SRM1、SRM2控制器，之后SRM2控制器的輸出功率減小、SRM2控制器輸出功率增大，直到兩側(cè)電機(jī)功率平衡，輪廓誤差保持不變。同理當(dāng)SRM1控制器的輸出功率P1

3 系統(tǒng)控制流程

整個(gè)系統(tǒng)由PLC作為主控制器發(fā)號(hào)施令，完成功率平衡算法，并將最終計(jì)算的速度分配給SRM1、SRM2控制器。系統(tǒng)控制流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)控制流程

4 結(jié)論

目前雙SRM功率平衡方法已成功應(yīng)用于VTC650支架搬運(yùn)車的牽引改造系統(tǒng)，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，同時(shí)該方法也可進(jìn)一步應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外雙牽引系統(tǒng)的設(shè)備改造項(xiàng)目中，還可進(jìn)一步應(yīng)用于本公司生產(chǎn)的特種車輛，從而確保雙SRM控制系統(tǒng)車輛的功率平衡，避免電動(dòng)機(jī)的損壞，提高產(chǎn)品的可靠性。