直流架線式礦用電機(jī)車變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

栗忠魁， 阮 毅， 宗 劍， 陳名輝， 陳 佳

(1.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072;

2.華中科技大學(xué)控制工程與科學(xué)系，湖北武漢 430074)

0 引言

礦用電機(jī)車采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因維護(hù)量大、維修費(fèi)用高等問(wèn)題面臨技術(shù)改造;交流調(diào)速系統(tǒng)取代直流調(diào)速系統(tǒng)成為必然趨勢(shì)［1］。

礦用電機(jī)車通常工作在比較惡劣的環(huán)境中［2-3］。供電系統(tǒng)穩(wěn)定性差、軌道高低不平，致使供電很不穩(wěn)定;機(jī)車需要頻繁起動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速，還要適應(yīng)上、下坡和顛簸路況等情況。因此，在實(shí)際的工況中，要求電力機(jī)車的調(diào)速系統(tǒng)具有:帶載能力強(qiáng)、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，對(duì)瞬時(shí)斷電、供電電壓波動(dòng)有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。針對(duì)上述要求，設(shè)計(jì)了基于無(wú)速度傳感器的礦用電機(jī)車調(diào)速系統(tǒng)，試驗(yàn)證明該系統(tǒng)具有起動(dòng)力矩大，魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 礦用架線式電機(jī)車變頻調(diào)速系統(tǒng)控制方案

1.1 異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)

異步電動(dòng)機(jī)具有非線性、強(qiáng)耦合、多變量等性質(zhì)，要獲得良好的調(diào)速性能，必須從動(dòng)態(tài)模型出發(fā)。矢量控制系統(tǒng)通過(guò)坐標(biāo)變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，可以將異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型等效為直流電動(dòng)機(jī)模型，進(jìn)而通過(guò)控制等效直流電動(dòng)機(jī)來(lái)達(dá)到對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制［4］。

經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換得到異步電動(dòng)機(jī)在任一旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。

電壓方程:

令dq坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶客叫D(zhuǎn)，使d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾?，即為按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系mt。由于m軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾希瑒t:

為保證m軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶渴冀K重合，還應(yīng)滿足:

按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系mt中狀態(tài)方程:

由式(6)可以得出:

ω——電機(jī)轉(zhuǎn)速;

ω1——同步轉(zhuǎn)速;

ωs——轉(zhuǎn)差;

ψ——磁鏈;

np——極對(duì)數(shù);

下標(biāo) r、s——轉(zhuǎn)子、定子。

經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，三相異步電動(dòng)機(jī)變成一臺(tái)由ism和ist為輸入，ω為輸出的直流電動(dòng)機(jī)。m繞組相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組，ism相當(dāng)于勵(lì)磁電流，t繞組相當(dāng)于電樞繞組，ist相當(dāng)于電樞電流。

1.2 無(wú)速度傳感器

電機(jī)車工作環(huán)境復(fù)雜，機(jī)械振動(dòng)、電磁干擾等會(huì)影響轉(zhuǎn)速編碼器的正常工作，給系統(tǒng)帶來(lái)不穩(wěn)定因素，因此采用無(wú)速度傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)速估算。

根據(jù)式(6)，將 ω用 ω1－ωs代替，又由于Tr=Lr/Rr，可以得出:

化簡(jiǎn)得到:

式(12)表明，可以根據(jù)定、轉(zhuǎn)子電感，勵(lì)磁電流ism，轉(zhuǎn)矩電流ist，轉(zhuǎn)子磁鏈 ψr和轉(zhuǎn)矩電流 ist的微分計(jì)算得到同步轉(zhuǎn)速ω1。再結(jié)合式(10)可得到估算轉(zhuǎn)速:

磁鏈角可以由同步轉(zhuǎn)速得到:

無(wú)速度傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，矢量控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 電機(jī)車調(diào)速系統(tǒng)組成

圖1 轉(zhuǎn)速估算結(jié)構(gòu)圖

圖2 采用無(wú)速度傳感器的轉(zhuǎn)速閉環(huán)磁鏈開環(huán)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電機(jī)車的整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)由司機(jī)室操作臺(tái)、控制系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、異步電動(dòng)機(jī)等組成，調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。操作臺(tái)上包括起動(dòng)/停止、加速/減速控制手柄，加速/減速控制手柄同時(shí)提供剎車、前進(jìn)、后退等控制信號(hào)，控制系統(tǒng)包括主控制器及各輔助模塊。

圖3 硬件總體結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)軟件主要由主程序和四個(gè)功能模塊組成。主程序主要完成系統(tǒng)初始化，四個(gè)功能模塊分別為脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)模塊、故障處理模塊、CAN通信模塊、運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)模塊。軟件流程圖如圖4所示。

圖4中，“初始化”完成系統(tǒng)硬件配置、資源分配和部分共用變量聲明;“運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)”進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速估算，電流、電壓檢測(cè);“空間矢量脈寬調(diào)制(System Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)控制”完成矢量控制的核心功能，包括坐標(biāo)變換、轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制、磁鏈角計(jì)算及PWM信號(hào)生成等;“CAN通信”根據(jù)用戶PC機(jī)設(shè)定，向用戶提供所需數(shù)據(jù)。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

架線式電機(jī)車由交流電網(wǎng)整流提供直流電源，為保證供電不穩(wěn)定情況下系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，在直流母線上并聯(lián)電容器和蓄電池。安裝一個(gè)80線轉(zhuǎn)速編碼器對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，以保證機(jī)車在上下坡、打滑、過(guò)載等情況下的安全和穩(wěn)定。系統(tǒng)采用Microchip dsPIC30f6010A作為核心控制芯片，調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 試驗(yàn)

為驗(yàn)證方案的可行性，在3 kW異步電動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，電機(jī)銘牌參數(shù)如下:fN=50 Hz、nN=1 400 r/min、UN=380 V、IN=6.9 A。

圖6所示分別為給定轉(zhuǎn)速在 ±800 r/min、±1 400 r/min范圍內(nèi)變化的實(shí)際轉(zhuǎn)速與估算轉(zhuǎn)速，由圖可以看出，該系統(tǒng)所采用的無(wú)速度傳感器能夠準(zhǔn)確跟隨實(shí)際轉(zhuǎn)速。

圖7所示為上位機(jī)軟件通過(guò)CAN通信得到電機(jī)起動(dòng)和突加、突減負(fù)載時(shí)電機(jī)的運(yùn)行情況。由圖7可以看出，電機(jī)起動(dòng)時(shí)由于轉(zhuǎn)速較低，電流迅速上升到限幅，到達(dá)給定轉(zhuǎn)速之后電流下降，突加、突減負(fù)載時(shí)，電機(jī)能夠快速響應(yīng)，電流能夠很好地跟隨負(fù)載的變化而變化。

另外，在22 kW電機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)，電機(jī)參數(shù)如下:fN=40 Hz、nN=590 r/min、UN=380 V、IN=49 A、Te=356 N·m。在堵轉(zhuǎn)情況下，電機(jī)可以輸出2倍額定的轉(zhuǎn)矩，可以滿足礦山電機(jī)車的需要。

圖5 調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖6 不同給定轉(zhuǎn)速下的實(shí)際轉(zhuǎn)速和估算轉(zhuǎn)速

圖7 電機(jī)起動(dòng)和突加、突減負(fù)載時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流波形

4 結(jié)語(yǔ)

采用無(wú)速度傳感器和矢量控制算法，設(shè)計(jì)了一套直流架線式礦用電機(jī)車變頻調(diào)速系統(tǒng)。在3 kW和22 kW電機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，無(wú)速度傳感器估算準(zhǔn)確，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，魯棒性好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，可以大轉(zhuǎn)矩、大電流工作，能夠適應(yīng)礦用電機(jī)車特殊的工作環(huán)境。

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