基于ARM的SVPWM蓄電池電機(jī)車變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李瑞金， 金 林， 燕 翔， 魏敬喜

(1.安徽理工大學(xué) 電信學(xué)院，安徽淮南 232001;2.安徽師范大學(xué)，安徽蕪湖 241000;3.安徽淮南礦業(yè)集團(tuán)張集礦，安徽淮南 232001)

0 引言

電機(jī)車是煤礦生產(chǎn)中主要的運(yùn)輸裝置。目前礦用電機(jī)車主要有直流架線式和蓄電池式兩種。其中架線式電機(jī)車由于主要用于非瓦斯礦井以及一、二級瓦斯礦有新鮮風(fēng)流的大巷中，而且架線易損壞，所以使用較少。目前在含有瓦斯、煤塵，有良好通風(fēng)條件，瓦斯、煤塵不能聚集的煤礦上普遍采用蓄電池式電機(jī)車。以往電機(jī)車采用直流串激電動(dòng)機(jī)作為牽引電動(dòng)機(jī)的蓄電池式電機(jī)車，其控制辦法通常采用凸輪控制器切換串接于電機(jī)電樞回路的電阻，進(jìn)行電機(jī)車的起動(dòng)和調(diào)速控制。這種控制方式在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和調(diào)速期間，其大部分能量都消耗在電阻上了，效率不高。因此，將原有的直流串激電機(jī)用交流異步電動(dòng)機(jī)代替，用交流變頻調(diào)速方法對異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速已成為趨勢，為了進(jìn)一步提高電機(jī)車的調(diào)速性能，根據(jù)電機(jī)車的工作環(huán)境和實(shí)際工況中對電機(jī)車調(diào)速系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了基于SVPWM無速度傳感器的矢量控制系統(tǒng)，試驗(yàn)證明該系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)跟隨性好，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)，解決了直流電機(jī)在實(shí)際使用中的弊端，提高了工作效率。

1 SVPWM在礦用電機(jī)車變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.1 SVPWM基本原理

SVPWM的理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，即在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)通過對基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個(gè)時(shí)刻，電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個(gè)區(qū)域中，可由組成這個(gè)區(qū)域的兩個(gè)相鄰的非零矢量和零矢量在時(shí)間上的不同組合來得到。兩個(gè)矢量的作用時(shí)間在一個(gè)采樣周期內(nèi)分多次施加，從而控制各個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉(zhuǎn)，通過逆變器的不同開關(guān)狀態(tài)所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結(jié)果來決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，從而形成PWM波形。

設(shè)直流母線側(cè)電壓為Udc，逆變器輸出的三相相電壓為UA、UB、UC，其分別加在空間上互差120°的三相平面靜止坐標(biāo)系上，可以定義三個(gè)電壓空間矢量UA(t)、UB(t)、UC(t)，它們的方向始終在各相的軸線上，而大小則隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化，時(shí)間相位互差120°。假設(shè)Um為相電壓有效值，f為電源頻率，則有影就是對稱的三相正弦量。由于三相正弦波電壓在電壓空間向量中合成一個(gè)等效的旋轉(zhuǎn)電壓，其旋轉(zhuǎn)速度是輸入電源角頻率，等效旋轉(zhuǎn)電壓的軌跡，如圖1所示的圓形。利用電壓向量合成技術(shù)，得到的設(shè)定電壓向量就等效于一個(gè)在電壓空間向量平面上平滑旋轉(zhuǎn)的電壓空間向量，從而達(dá)到電壓空間向量脈寬調(diào)制的目的。

圖1 電壓空間矢量圖

其中，θ=2πft，則三相電壓空間矢量相加的合成空間矢量U(t)就可以表示為

可見U(t)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的空間矢量，其幅值為相電壓峰值的1.5倍，Um為相電壓峰值，且以角頻率ω=2πf按逆時(shí)針方向勻速旋轉(zhuǎn)的空間矢量，空間矢量U(t)在三相坐標(biāo)軸(a，b，c)上的投

1.2 SVPWM控制算法的ARM實(shí)現(xiàn)

由SVPWM的法則推導(dǎo)分析可知，要實(shí)現(xiàn)SVPWM信號的實(shí)時(shí)調(diào)制，首先需要知道參考電壓矢量Uref所在的區(qū)間位置，然后利用所在扇區(qū)的相鄰兩電壓矢量和適當(dāng)?shù)牧闶噶縼砗铣蓞⒖茧妷菏噶?。電壓矢量調(diào)制的控制指令是矢量控制系統(tǒng)給出的矢量信號Uref，它以某一角頻率ω在空間做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到矢量圖的某個(gè)60°扇區(qū)中時(shí)，系統(tǒng)計(jì)算該區(qū)間所需的基本電壓空間矢量，并以此矢量所對應(yīng)的狀態(tài)去驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)元件動(dòng)作。當(dāng)控制矢量在空間旋轉(zhuǎn)360°后，逆變器就能輸出一個(gè)周期的正弦波電壓。對于每一個(gè)SVPWM的零矢量分割方法不同，以及對非零矢量Ux的選擇不同，會(huì)產(chǎn)生多種多樣的SVPWM波，所以用控制器實(shí)現(xiàn)SVPWM的編程方法，就要有選擇的原則:(1)盡可能使開關(guān)功率管的開關(guān)次數(shù)最少;(2)任意一次電壓空間矢量的變化只能有一個(gè)橋臂的開關(guān)管動(dòng)作;(3)編程容易。

2 蓄電池電機(jī)車變頻調(diào)速系統(tǒng)總體方案

礦用電機(jī)車調(diào)速系統(tǒng)由于處于頻繁起動(dòng)、制動(dòng)、加減速等狀態(tài)，還要適應(yīng)上下坡和顛簸路況等情況，因此要求電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)［7］。根據(jù)上述要求，本調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括蓄電池、升壓電路、逆變部分、驅(qū)動(dòng)部分、控制系統(tǒng)部分、上位機(jī)控制界面、檢測電路，故障與保護(hù)處理電路等。其調(diào)速系統(tǒng)硬件總體框架如圖2所示。其中SVPWM無速度傳感器轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。的控制信號不足以驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，在控制器和IGBT之間要加驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路主要選擇專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2110S，IR2110S是美國IR公司生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)芯片，集成度高，具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道，有自舉電路，可以保證上下兩路信號獨(dú)立有效輸出，可以直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)功率半導(dǎo)體器件MOSFET或GBT(IGBT)，兼有電氣隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)。一相IGBT的驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。ARM輸入6路PWM波控制信號分別給3片IR2110S，每片IR2110S驅(qū)動(dòng)一對上下橋臂，為了使控制板不受高壓干擾，故設(shè)計(jì)中采用了高速光耦隔離高壓與低壓側(cè)PWM驅(qū)動(dòng)信號。同時(shí)，PWM上下橋臂還設(shè)有直通硬件保護(hù)和過流硬件保護(hù)。此控制信號控制功率開關(guān)管輸出三項(xiàng)正弦波電壓給電機(jī)供電。通過編程控制改變電源的頻率來改變加在電機(jī)定子上的電壓，從而達(dá)到對轉(zhuǎn)速的控制。

圖4 單項(xiàng)開關(guān)電路驅(qū)動(dòng)電路

3 蓄電池電機(jī)車調(diào)速系統(tǒng)控制電路硬件設(shè)計(jì)部分

3.1 功率變換器主回路電路及IGBT驅(qū)動(dòng)電路

功率變換電路的種類比較多，對于選擇哪種類型的逆變器主要取決于設(shè)計(jì)電路的性能要求及應(yīng)用場合。在這里選擇IGBT作為主開關(guān)器件的逆變電路和直流儲(chǔ)能電容組成。由于ARM輸出

3.2 電流檢測電路部分

用CS010GT霍爾傳感器檢測輸出電流波形，低壓側(cè)和高壓側(cè)完全隔離，工作電壓+5 V，量程選擇:原邊電流－10～+10 A對應(yīng)輸出電壓0.5～4.5 V，在經(jīng)過限幅及低通濾波和兩級運(yùn)放后，通過高線性模擬光耦隔離傳給LPC1766的A/D模塊，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電流的檢測，用于矢量控制。檢測電路如圖5所示。

IGBT功率器件溫度檢測電路主要采用熱電偶來檢測。將檢測到的電流信號通過取樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)兩級電壓跟隨后送給LPC1766，通過軟件與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，如果超上限

圖5 電流檢測電路

則發(fā)出故障信號，一方面LPC1766關(guān)斷IGBT封鎖PWM信號，斷開主電路;另一方面將讀取故障寄存器判斷故障類型，將信號通過CAN通信傳給上位機(jī)顯示，并記錄發(fā)生故障的時(shí)間及故障處理情況。可見通過檢測電路有效增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4 蓄電池電機(jī)車調(diào)速系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)部分

控制系統(tǒng)軟件部分主要由主程序、硬件初始化、軟件初始化、運(yùn)行狀態(tài)檢測模塊、故障處理、中斷服務(wù)程序和上位機(jī)軟件等組成。主程序主要對硬件和變量初始化，對各個(gè)控制寄存器賦值，對運(yùn)算過程中出現(xiàn)的各種變量分配地址和賦值。中斷服務(wù)程序以及其他子程序是系統(tǒng)的核心部分，主要執(zhí)行SVPWM，PID調(diào)節(jié)、UART、CAN通信和故障處理中斷。其中系統(tǒng)主程序和矢量控制中斷服務(wù)程序流程圖如圖6所示。一個(gè)管理者來協(xié)調(diào)和管理每個(gè)功能模塊，基于ARM具有操作系統(tǒng)移植的思想，本文通過移植源碼開放(C代碼)的嵌入式系統(tǒng)μC/OS的uCLinux來管理整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行。μC/OS簡單易學(xué)，提供了嵌入式系統(tǒng)的基本功能，其核心代碼短小精悍，針對硬件進(jìn)行優(yōu)化，還可以獲得更高的執(zhí)行效率。要想使用μC/OS操作系統(tǒng)來管理各個(gè)模塊，首先必須要?jiǎng)?chuàng)建多任務(wù)管理機(jī)制，采用多任務(wù)管理機(jī)制對整個(gè)控制系統(tǒng)的各個(gè)功能進(jìn)行任務(wù)分割，并且對各個(gè)任務(wù)分配優(yōu)先級，各個(gè)任務(wù)的使用通過搶占模式來運(yùn)行。多任務(wù)管理模式如圖7所示。

圖7 多任務(wù)管理機(jī)制架構(gòu)

圖6 主程序、中斷流程圖

要想使控制系統(tǒng)可靠穩(wěn)定的運(yùn)行，必須要有

上位機(jī)軟件主要采用VB開發(fā)的管理界面，通過VB上的MSComm控件可與控制板之間進(jìn)行MAX232通信，來傳輸數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)，串口設(shè)置為波特率9 600 bps，無校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)位8，停止位1。上位機(jī)主要通過串口通信發(fā)送控制指令，包括起動(dòng)、停止、急停、加速、減速等，以及接收數(shù)據(jù)信息包括工作狀態(tài)、頻率、電流、電壓、溫度等，將接收到的數(shù)據(jù)在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)，上位機(jī)還具有故障記錄功能，下位機(jī)可通過鍵盤控制電路設(shè)置起動(dòng)頻率及工作模式選擇。

5 結(jié)語

通過ARM對礦用電機(jī)車進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的SVPWM控制策略和對其他功能電路的控制。彌補(bǔ)了單DSP在控制方面的不足，同時(shí)還引進(jìn)了ARM移植操作系統(tǒng)的功能，有效提高了變頻調(diào)速系統(tǒng)的整體性能和電機(jī)的高效運(yùn)行，同時(shí)有了上位機(jī)的直觀顯示和下位機(jī)控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，有力保證了礦用電機(jī)車在煤礦井下的安全運(yùn)行。

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