礦用電機車變頻調速系統的設計與研究

宋紅紅

（山西平舒煤業有限公司， 山西 陽泉 045400）

引言

礦用電機車作為煤礦生產重要的運輸工具之一，有著可靠性高、節能性好、運行穩定、速度高、運載能力強等優點，是煤礦井下長距離運輸的主要方式。串激直流電動機目前仍被廣泛用于礦用電機車中，其具有過載能力高、牽引特性強、起動轉矩大等主要優點。然而由于技術方面的不足，使其在實際應用中存在不能無級調速、起動時不夠平穩、充電頻繁、維修工作量大等缺點。直流調速電機車在運行時，由于電阻器使電能一部分浪費在電阻上，導致生產成本變高，效率大幅降低，所以交流電機變頻調速系統是未來發展方向的首選[1]。

工業發達國家交流變頻設備的應用占比相對于直流傳動設備在逐年升高，也更具有市場前景。而國內由于工業技術落后，很多廠商仍生產使用老式電機車，也有一部分廠商開始應用變頻調速電機車，但還是存在許多問題，如電壓波動范圍大、電機速度不穩定、控制的精度和可靠性較差，這些都無法體現交流變頻的優勢。本文針對礦用電機車存在的問題，設計了一種基于DSP 的礦用電機車變頻調速系統，采用高性能的直接轉矩控制技術，可實現礦用電機車的無極調速。

1 系統設計的總體方案

本文的控制方式選用高性能微處理器的矢量管控，與一般的矢量控制相比具有計算量小等優勢。礦用電機車上具有逆變器和電機等設備，本文將選用可以最大轉矩限幅的調速系統，而且整個調速系統的主要特點為空間占比小、結構簡單和易于操控[2]。

本文設計的礦用電機車調速系統主要分為三部分，第一部分為參數檢測層，主要由電參數檢測、速度檢測、故障診斷檢測、光電編碼器組成。電參數傳感器用于采集電機的功率、電壓、電流等參數；速度傳感器用于采集電機的運行速度；故障診斷檢測主要對電機車進行保護，用于啟動限流過壓保護；光電編碼器用于提供給系統多路直流電源。第二部分為DSP 控制層，該層是調速系統的核心部分，第一部分采集的參數信號會上傳至這一部分，DSP 根據檢測信號進行分析判斷，完成對A/D 轉換、計算電機的轉速和位置、提供變頻調速驅動信號等操作；第三部分是由逆變模塊組成的執行層，逆變器通過DSP 控制的電路發出的驅動信號輸出相應頻率的電壓至電動機[3]，實現對電機的啟動和變頻調速以及其他功能。系統總體結構如圖1 所示。

圖1 系統總體結構圖

本文選用了DSP 芯片TMS320F2812，該芯片針對電機的控制滿足系統的穩定性要求，能達到矢量控制系統的要求。矢量控制方法選用直接矢量控制法，可以實現高動態調速性能的控制方案。PWM生成方式選用了具有母線電壓利用率高以及高次諧波小等特點的SVPWM。

2 硬件電路設計方案

圖2 變頻系統主電路圖

礦用電機車變頻控制主電路設計如下頁圖2 所示，主回路是功率變換的執行機構，采用交- 直- 交電路。蓄電池組輸入的電經輸入濾波器、輸入電抗器后進行整流逆變，輸出的兩路交流電經過輸出電抗器、輸出濾波器后進入電機，進而帶動電機車工作。

輸入電路的直流電壓具有脈動成分，此外逆變部分產生的脈動電流及負載變化也使直流電壓脈動，為了提高輸入系統直流電壓的質量，減少逆變器輸出電壓的波動，要安裝濾波器。它可對輸入的電壓進行濾波并吸收因為負載等產生的逆變模塊的波紋電流和電壓。

逆變模塊的功率器選用智能功率模塊（IPM），由功耗低的管芯、優化的門極驅動電路和保護電路組成，當發生負載事故時也可使自身不受損壞。IPM相對于IGBT 驅動的電路設計相比更為嚴格，其模塊內部具有很強的自保護電路，分別為欠壓保護、過流保護、短路保護等。

系統的兩種故障分別為IPM 故障輸出信號和過壓、欠壓、過流，需要保護電路在出現故障時產生中斷信號，通知CPU 有異常情況，停止系統工作，整個系統全部自動完成，實現了故障的快速響應處理。本文基于對DSP 進行編程來分析輸入信號，并輸出系統其他電路的信號，來對其他部分進行控制實現系統的自動控制。將檢測電路數據進行相應的變換得到系統的輸入信號，這與系統的可靠性及穩定性直接相關。

3 軟件設計方案

本文基于DSP 來實現系統的參數采集、矢量控制、SVPWM輸出以及串行通信等功能。本文程序設計包括主程序和中斷服務子程序，主程序對變量和硬件初始化，并對寄存器和變量分配地址設置相應的初值。中斷服務程序包括主中斷服務程序和保護中斷程序。A/D 采樣和PWM調制信號輸出及實現控制由主中斷程序負責。保護中斷程序負責處理過壓、過流等故障，對系統起保護作用。

主程序執行時，首先對系統初始化，然后經系統狀態控制模塊判斷是否執行中斷服務子程序，本文主程序流程圖如圖3 所示。

本文的主中斷經CPU 定時器產生，主控制周期設定為100μs。在執行完所有控制指令后恢復現場，并返回至主程序，并等待下一次發生異常中斷。圖4為主中斷程序的流程圖。

圖3 主程序流程圖

保護中斷是在系統出現異常時保護功率模塊和控制設備而設置的，它是非屏蔽中斷，中斷等級為優先級，可在最短的時間內對功率模塊進行有效的保護。圖5 為保護中斷程序的流程圖。

圖4 主中斷程序

圖5 保護中斷程序

4 結語

本文設計的礦用電機車變頻調速系統在實際測試中實現了電機速度的準確平穩，實現了變頻運行，同時大大降低了能耗，同時，檢測系統故障保護水平提高，系統的穩定性得到了提高。該系統能較好地滿足煤礦井下的礦用電機車運行工況，系統過載能力強，具有良好的應用前景及經濟效益。