煤礦機車變頻調速控制系統設計

許海明

（山西高平科興游仙山煤業有限公司，山西晉城 048400）

0 引言

煤炭資源作為我國的主要能源之一，是我國改革開放以來，社會與經濟發展的重要基石［1］。為了保證煤礦生產工作的安全，避免瓦斯爆炸、透水等事故的發生，世界各國對煤礦的生產環境與機電設備的安全性進行不斷探索［2］。礦用蓄電池電機車是國內煤礦運輸的主要設備之一，過去主要采用直流電作為牽引電源，在井下瓦斯環境下，直流電的泄漏容易引起火花，發生爆炸事故，并在調速過程中會造成很大的能量損耗，所以目前煤礦機車主要采用交流驅動的方式［3-4］。轉矩是電機調速控制的關鍵變量，在閉環控制回路中，交流異步電機結構簡單，控制精度與可靠性高，在煤礦機車上得到了廣泛的應用［5］。本文對煤礦機車交流異步電機的變頻調速系統進行設計。

1 電機的控制原理分析

大多數電機調速系統通過轉矩來調節轉速，這個過程可以通過數學關系轉換，可以看作一個積分環節，時間常數與電機和其負載的轉動慣量有關。系統對轉矩控制的過程將直接影響調速結果的動、靜態特性。目前交流電機的控制方式主要有直接矢量控制與間接矢量控制兩種，其中直接矢量控制通過檢測磁場和運算分析來確定轉子的空間位置分布，控制方法簡單，但是受到電機影響，檢測信號的波動較大，數據修正與應用難度較大。間接矢量控制不需要檢測定、轉子磁鏈的實際位置，通過控制定向是通過控制轉差頻率來實現轉速控制，所以又稱為轉差頻率法［6］。

本控制系統采用SVPWM 控制策略，將異步電機模擬成直流電機進行控制，減少電機的諧波損耗。SVPWM控制策略與傳統控制策略的控制流程不同，在對礦用機車調速前，先將蓄電池中的直流電逆變為交流電，利用SVPWM 調制向電機輸入控制電壓向量，從而實現調速控制［7］。SVPWM 控制策略的實質是平均值等效原理，即控制基本電壓矢量的平均值和給定的電壓矢量相等，其三相矢量變化規則如下：

式中：UA（t）、UB（t）與UC（t）分別為三相電壓的空間矢量，其矢量之和U（t）的計算公式如下：

根據式（2），當幅值Um為定值時，矢量U（t）以角頻率ω按逆時針方向勻速旋轉，形成一個旋轉的空間矢量，SVPWM 控制策略的目的就是通過使用三相橋的開關狀態表示矢量U（t）的空間旋轉狀態。

2 系統控制方案與硬件設計

2.1 控制系統結構設計

控制系統的結構如圖1 所示。礦用機車的蓄電池作為整個控制系統的直流電源，同時向控制系統的主電路與電機供電。電機的轉速信號通過光電編碼器采集處理，傳輸到DSP處理器中，DSP處理器通過計算分析得到電機的轉動速度和位置角度，再利用SVPWM矢量控制算法得到電機PWM控制信號。控制信號經過光耦隔離電路輸入到驅動電路模塊，驅動IPM 功率開關器件，完成調速系統電機電源的直—交轉換。

圖1 系統控制方案結構

DSP處理器模塊作為整個控制系統的核心部分，主要負責對整個系統的監測和運算功能，對電路進行過壓和過流等保護功能，實現電機的雙閉環負反饋轉速控制，保證系統輸出結果的穩定性。異步電動機的控制系統計算過程復雜，工作量比較大，綜合考慮DSP芯片的工作性能，選用TI公司出產的TMS320F2812作為系統的核心處理器。

TMS320F2812 DSP 為32 位定點控制單元，主頻150 MHz，具有片內256 k×16 bit的ROM存儲單元和片內34 k×16 bit的RAM存儲單元，兩個事件管理器模塊EVA 和EVB，事件管理器的外部設備功能豐富，具有較好的控制計算功能。TMS320F2812 DSP 具有體積小、性能強、可靠性高等優點，滿足很多工業的應用環境［8］。

2.2 系統的檢測模塊設計

DSP芯片通過檢測模塊的各裝置采集系統各部分的工作數據，通過實時的信息反饋，DSP 芯片對系統的輸出進行及時地調整，對系統各部分器件進行保護，本節將對系統的檢測模塊進行設計。

機車蓄電池同時向控制系統與機車交流電機供電，為了比避免損傷電路，影響系統工作，需要對蓄電池的電壓進行實時監測。蓄電池電壓的檢測電路如圖2 所示，其中電路中的R1與R2阻值根據電路中的電壓等級進行調整。

本文設計的調速控制系統采用光電編碼器對電機的轉速進行間接檢測，光電編碼器采集到的數據不需要進行A/D轉換。TMS320F2812 DSP芯片中包含了一個正交解碼脈沖電路（QEP），可直接對電機轉速和位置進行測量。DSP 芯片通過QEP1 和QEP2引腳接收光電編碼器傳輸到的脈沖信號，QEP電路直接對其解碼計數。

圖2 蓄電池電壓檢測電路

系統在運行過程中，電路溫度會隨著流過電流的增大而升高，當溫度升高到一定程度，極有可能燒壞電路元件，甚至危及整個控制系統。本文利用熱敏電阻元件采集溫度信號，當電路采樣的電壓降低時，說明電路溫度升高，當電壓值降低到設定闕值時，系統切斷電流，采取相應的保護措施。

3 控制系統軟件功能實現

本文利用DSP 軟件CCS 對控制系統的軟件程序進行編譯。本系統采用模塊化設計，通過主程序將各模塊的功能進行整合。系統的主程序流程圖如圖3 所示，系統在初始化、自檢結束后，啟動機車電機，首先運行信號采集程序模塊，分別對系統的電壓、轉速與溫度等信號進行采集，再運行故障監測程序模塊，通過檢測數據與參考數值的對比判斷系統的運行狀況，實現實時的監測保護功能，最后運行系統的變頻調速程序模塊，通過檢測到的轉速實現系統的閉環反饋控制，保證調速的準確性與穩定性。

圖3 系統主程序流程圖

4 結束語

本文通過對比直流調速方式與交流調速方式，確定了系統的整體控制方案與控制策略，并且對系統的硬件部分與軟件部分進行了設計。控制系統具有較高的穩定性與安全性，可實現煤礦機車的準確、高效、平穩運行。