礦用電機(jī)車改進(jìn)型轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)

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（華北科技學(xué)院 信息與控制技術(shù)研究所，河北 廊坊 065201）

1 引言

礦用電機(jī)車按照牽引供電的方式不同可分為：架線電機(jī)車、蓄電池電瓶電機(jī)車；按照牽引力大小可分為：5 t，8 t，12 t，20 t，24 t等系列電機(jī)車；按照調(diào)速方式的不同可分為：直流牽引電機(jī)串電阻調(diào)速，直流牽引電機(jī)斬波調(diào)速，交流牽引電機(jī)變頻調(diào)速。交流牽引電機(jī)車與直流牽引電機(jī)車相比較，具有體積小、重量輕，可靠性高、維護(hù)量小，無滑環(huán)和換相器，易于安全防爆等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)交流變頻調(diào)速具有明顯的節(jié)能效果，耗能和發(fā)熱量都明顯減少。

電機(jī)車負(fù)載變化頻繁，供電電源波動(dòng)大，工作環(huán)境惡劣，啟動(dòng)力矩大，同時(shí)要能在50%的坡上停車，根據(jù)電機(jī)車的特點(diǎn)和應(yīng)用的實(shí)際要求，采用交流變頻調(diào)速方案，對礦用電機(jī)車的直流傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造。兼顧技術(shù)先進(jìn)性和工程實(shí)用性，采用SVPWM控制算法，研究具有重載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)型轉(zhuǎn)差頻率控制的速度、電流的雙閉環(huán)系統(tǒng)，有很好的實(shí)用意義。

2 改進(jìn)型轉(zhuǎn)差頻率控制研究

礦用電機(jī)車速度、電流閉環(huán)控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示。蓄電池或架空線提供直流電壓，通過三相逆變器單元輸出頻率可調(diào)的交流電。電機(jī)車交流變頻調(diào)速系統(tǒng)可分為主電路、控制系統(tǒng)、檢測電路3個(gè)組成部分。其中主電路主要由蓄電池（也可以是架空線直流電壓源）、充電回路、濾波支撐電容、三相逆變橋、三相交流異步牽引電機(jī)組成?？刂葡到y(tǒng)主要由DSPIC6010A［1-2］單片機(jī)控制電路、光纖板及電源模塊電路、驅(qū)動(dòng)電路、液晶顯示及給定操作模塊組成。檢測電路主要由電壓傳感器及檢測模塊、電流傳感器及檢測模塊、溫度傳感器及檢測模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器及檢測模塊組成。

圖1 系統(tǒng)控制框圖Fig.1 The block diagram of control system

圖2為改進(jìn)型轉(zhuǎn)差頻率控制原理結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 改進(jìn)型轉(zhuǎn)差頻率控制原理框圖Fig.2 The block diagram of improved slip frequency control

從圖2中可以看出，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速、電流的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)均采用了PI調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)了電流的快速調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速的無靜差控制。對轉(zhuǎn)差的控制直接實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)力矩的控制，改進(jìn)型的轉(zhuǎn)差增量實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)力矩的進(jìn)一步補(bǔ)償調(diào)節(jié)控制，從而進(jìn)一步改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)差頻率控制的缺點(diǎn)。

2.1 轉(zhuǎn)差頻率控制原理［3］

若系統(tǒng)的轉(zhuǎn)差頻率fs在很小的范圍內(nèi)，只要能夠保持氣隙磁通不變，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就近似與fs成正比，通過控制fs即可間接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

2.2 控制系統(tǒng)、框圖原理及特點(diǎn)

圖2中，牽引電機(jī)速度由司機(jī)速度手柄給定，可調(diào)節(jié)電機(jī)車牽引電機(jī)M的轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)速度外環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，司機(jī)速度手柄給定電動(dòng)機(jī)的速度與電動(dòng)機(jī)實(shí)際速度的差值作為速度PI調(diào)節(jié)器的輸入，速度PI調(diào)節(jié)器的輸出作為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差給定值即對應(yīng)牽引力矩T的控制量，則電動(dòng)機(jī)定子頻率f11為

式中:fn為電機(jī)轉(zhuǎn)子速度n折算后的轉(zhuǎn)子頻率，fn=pn/60。

按照事先依據(jù)牽引電機(jī)的特性所確定的V/f曲線，由f11可計(jì)算出電動(dòng)機(jī)相電壓幅值u110，作為逆變器輸出電壓的依據(jù)。

2.3 低頻電壓補(bǔ)償

為了在低頻時(shí)仍保持電機(jī)氣隙磁通恒定，須對電機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的電壓補(bǔ)償，而這是通過對電機(jī)電流的閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)的。由電流PI調(diào)節(jié)器來控制電機(jī)定子電流，達(dá)到電流的需求值。

式中:fs為電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率；R′2為轉(zhuǎn)子相電阻折算值；Lm為勵(lì)磁電感；為轉(zhuǎn)子相漏感折算值。

根據(jù)電流傳感器檢測到的電機(jī)任意兩相（由于三相平衡，可只檢測任意兩相）的電流瞬時(shí)值，通過如下計(jì)算可得到實(shí)際電機(jī)電流有效值I1為

式中:Ia1，Ib1分別為電機(jī)電流兩相瞬時(shí)值。

電流PI調(diào)節(jié)器的輸出值作為電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償值ΔU11，所以補(bǔ)償后定子電壓的表達(dá)式為

2.4 PWM單元

控制的PWM［5］單元采用空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）的控制算法。SVPWM能明顯減少逆變器輸出電流的諧波成份及電機(jī)的諧波損耗，降低脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，同時(shí)具有控制簡單，數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方便等優(yōu)點(diǎn)。SVPWM單元根據(jù)輸入直流側(cè)電壓Vdc，電機(jī)的定子頻率f11，電機(jī)定子電壓u11，調(diào)制出電機(jī)所需的電壓和頻率。SVPWM的算法實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

圖3SVPWM算法框圖Fig.3 The block diagram of SVPWM algorithm

2.5 軟件實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)采用微芯單片機(jī)DSPIC30F6010A，它集DSP的信號高速處理能力和適用于電機(jī)控制的優(yōu)化外圍電路于一體，是專門為電機(jī)的數(shù)字化控制而設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)的性價(jià)比高。利用單片機(jī)內(nèi)部豐富的集成器件，可減少DSP外圍所用元器件；它豐富的、功能強(qiáng)大的中斷服務(wù)系統(tǒng)以及常用的I/O接口，使上述算法編程方便，大大簡化了硬件電路。圖4為實(shí)現(xiàn)控制策略的中斷服務(wù)程序流程圖。

圖4 實(shí)現(xiàn)控制策略的中斷服務(wù)程序流程圖Fig.4 The flow chart of ISR to achieve control strategy

控制系統(tǒng)主要由4部分組成：1）由DSPIC6010A、外部數(shù)字量輸入和速度采集等組成的DSP數(shù)字系統(tǒng)，它能完成各種數(shù)字計(jì)算，外部端子控制，電機(jī)車的啟停、正反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動(dòng)、多段速給定等功能；2）模擬接口電路，主要由電壓和電流調(diào)理電路、溫度調(diào)理電路、給定電機(jī)速度電路等組成。電壓和電流采集主要是把強(qiáng)電轉(zhuǎn)換為弱電信號，供DSP進(jìn)行采樣；3）IGBT驅(qū)動(dòng)電路，它把DSP系統(tǒng)發(fā)出的SPWM信號轉(zhuǎn)化為可以驅(qū)動(dòng)IGBT的脈沖信號，同時(shí)當(dāng)IGBT發(fā)生短路或過流故障時(shí)，向DSP系統(tǒng)反饋故障信號；4）液晶操作鍵盤，可以通過鍵盤設(shè)定各種參數(shù)，設(shè)定電機(jī)車控制系統(tǒng)的各種狀態(tài)，查詢歷史故障記錄等。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

對上述改進(jìn)型轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)，在蓄電池礦用電機(jī)車上進(jìn)行了成功的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)主要參數(shù)為：蓄電池輸出電壓DC 180 V，牽引電機(jī)額定功率22 kW×2，額定電壓 AC 130 V，額定電流127 A，電機(jī)極數(shù)4極。圖5a為電機(jī)車電機(jī)空載啟動(dòng)時(shí)定子電流的波形，40 A/格，電機(jī)車4～5 s完成啟動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)?？梢钥闯?，啟動(dòng)電流波形平穩(wěn)。圖5b為電機(jī)車帶載運(yùn)行時(shí)，定子電流和電壓波形圖，電流為127 A（測量所用電流探頭變比為20∶1），電壓幅值為180 V，電機(jī)車穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 實(shí)驗(yàn)波形圖Fig.5 Experimental waveforms

針對礦用牽引電機(jī)車，研究實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)型轉(zhuǎn)差頻率控制策略，成功開發(fā)了基于微芯單片機(jī)DSPIC30F6010A的礦用電機(jī)車轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)硬件電路簡潔，模塊化強(qiáng)，參數(shù)設(shè)置靈活，動(dòng)態(tài)性能好，可以推廣應(yīng)用于不同種類（牽引力、供電電壓等級的不同）的礦用電機(jī)車上，具有較好的工程實(shí)用及應(yīng)用推廣價(jià)值。

［1］何禮高.dsPIC30F電機(jī)與電源系列數(shù)字信號控制器原理與應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

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