礦用電機(jī)車變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李謨發(fā) 張碧 鄧鵬 周獻(xiàn)

摘? 要：交流傳動(dòng)系統(tǒng)從電氣牽引特性、制動(dòng)特性、能耗和維修保養(yǎng)等方面都優(yōu)于直流傳動(dòng)系統(tǒng)。文章提出一種以DSP與FPGA作為主要硬件組成的礦用機(jī)車變頻調(diào)速裝置，給出了調(diào)速裝置的整體設(shè)計(jì)方案與基于異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制算法，研制了一套變頻調(diào)速裝置，試驗(yàn)結(jié)果表明該調(diào)速裝置的輸出電量正弦度好，諧波含量小及較好的控制效果。

關(guān)鍵詞：矢量控制;礦用電機(jī)車;變頻器

中圖分類號(hào)：TD64? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）36-0102-03

Abstract： Analysis of the electric driving and braking， energy consumption and maintenance， AC drive system has better performance compared to DC drive system. The author proposed a kind of variable frequency speed governing device used in mining locomotive which took DSP and FPGA as the main hardware composition， and presented its holistic design proposal and the algorithm based on rotor field-orientation vector control of the asynchronous motor， and developed a set of equipment with variable frequency and adjustable speed. Its testing results indicates the equipment has typically sine-shaped output， poor harmonic wave and better controlling effects.

Keywords： vector control; mining locomotive; variable frequency converter

引言

蓄電池與架線式電機(jī)車是煤礦、金屬礦山和隧道工程中的重要運(yùn)輸工具，其可靠性和節(jié)能性在某種程度上對(duì)礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)效率起著關(guān)鍵性的作用，對(duì)鐵道與水利工程的建設(shè)速度也起到一定的促進(jìn)作用。目前我國(guó)礦用電機(jī)車的牽引動(dòng)力主要靠直流傳動(dòng)。由于直流電機(jī)造價(jià)高、可靠性低、換向器易損壞，維修周期長(zhǎng)，而且啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)均采用電阻直接控制，能耗大。面對(duì)我國(guó)煤炭、金屬等工礦事業(yè)的高速發(fā)展，性能落后的直流傳動(dòng)技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足企業(yè)的發(fā)展。因此，將直流電機(jī)車調(diào)速系統(tǒng)改造為交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)勢(shì)在必行[1]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

礦用機(jī)車結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[2]，主要包括了電抗器箱，斷路器箱，制動(dòng)電阻箱，逆變模塊，司機(jī)控制臺(tái)，電壓電流傳感器，速度傳感器，空壓機(jī)裝置。其中司機(jī)控制臺(tái)中包含有機(jī)車控制電源與照明電源顯示器，蓄電池，分壓電阻與電壓表，手輪調(diào)速器。蓄電池是給數(shù)字控制電源供電的，這就保證了運(yùn)行與維護(hù)的方便。其中最關(guān)鍵的是控制單元的設(shè)計(jì)。本文以DSP與FPGA作為主控器件，基于電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的控制算法，綜合考慮礦用機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中的特殊條件，研制了一套架線式550V的礦用機(jī)車變頻調(diào)速裝置。

2 變頻調(diào)速器的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主回路

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需要，選用IGBT作為系統(tǒng)的功率變換單元，系統(tǒng)的主回路方案如圖2所示[3]。

圖中輸入電源是直流550V，當(dāng)系統(tǒng)的功率電路與直流電網(wǎng)接通時(shí)，若回路沒(méi)有限制電流的元件，則合閘間電路中大的儲(chǔ)能電容將電源短路，電路中有較大的浪涌電流。限制合閘浪涌電流的方法是在儲(chǔ)能電容回路串入限流電阻R1。合閘瞬間將R1串入電容充電回路，充電完畢時(shí)，KM1閉合將R1短接。C1為充電電容，R2為放電電阻，當(dāng)系統(tǒng)需要維修時(shí)起到了安全保護(hù)作用。RZ為制動(dòng)電阻，當(dāng)電機(jī)工作在再生制動(dòng)等發(fā)電狀態(tài)時(shí)，將產(chǎn)生大的回饋電壓，此時(shí)通過(guò)程序在控制回路中輸出一路信號(hào)將VT7接通，能量通過(guò)制動(dòng)電阻RZ放掉。其中的二極管為IGBT自帶的續(xù)流二極管。

2.2 控制器硬件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)是專為礦山機(jī)車所設(shè)計(jì)，由于礦山電磁環(huán)境十分惡劣，并考慮到以后系統(tǒng)升級(jí)需要，對(duì)硬件設(shè)計(jì)的基本要求是有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力，外設(shè)資源豐富，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)[4]。

整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，控制器有DSP，F(xiàn)PGA，雙口RAM，存儲(chǔ)器和各種外圍電路組成，外圍電路主要包括電流檢測(cè)電路，電壓檢測(cè)電路，過(guò)流檢測(cè)電路，位置信號(hào)輸入電路，IGBT驅(qū)動(dòng)電路，顯示電路和串口通信等。

通過(guò)檢測(cè)電機(jī)的電流與速度，把采集到的速度信號(hào)送到DSP中專門(mén)用來(lái)處理脈沖信號(hào)的CAP中，采集的電流輸入到FPGA中，經(jīng)過(guò)邏輯處理后，由雙口RAM傳入到DSP中參與電流、速度的控制調(diào)節(jié)算法，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制算法后，利用事件管理器實(shí)現(xiàn)SVPWM的輸出，經(jīng)過(guò)隔離驅(qū)動(dòng)模塊，控制主電路中的IGBT模塊的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的交流矢量交流調(diào)速，在正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)DSP中的SCI輸出電機(jī)的電壓電流，速度等信號(hào)，并在參數(shù)與狀態(tài)顯示電路中可以觀測(cè)到。同時(shí)可由FPGA檢測(cè)到系統(tǒng)的邏輯故障，通過(guò)Data interrupt與XINT1之間的通信，可以封鎖PWM的輸出，來(lái)達(dá)到保護(hù)裝置的目的，這些故障信號(hào)經(jīng)SCI輸出給MAXC232，在液晶顯示電路上把故障顯示出來(lái)，有便于維護(hù)保養(yǎng)。

DSP實(shí)現(xiàn)的功能包括：（1）控制程序算法;（2）利用事件管理器實(shí)現(xiàn)PWM控制;（3）系統(tǒng)故障保護(hù);（4）網(wǎng)絡(luò)通信。

FPGA實(shí)現(xiàn)的功能有[5]：（1）電量采樣計(jì)算;（2）與DSP之間通過(guò)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸;（3）PWM反相及死區(qū)時(shí)間設(shè)定;（4）系統(tǒng)故障邏輯判斷和故障顯示及報(bào)警。

參數(shù)與狀態(tài)顯示接口電路：輸出逆變器的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，用于觀測(cè)運(yùn)行狀況。

電源模塊和DC/DC控制電源：將蓄電池組的高壓直流電轉(zhuǎn)化為控制需要用的24V，15V電源。

三相電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路：檢測(cè)輸出電流和電機(jī)速度。

PC接口電路：用于調(diào)速裝置的調(diào)試與運(yùn)行維護(hù)。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

控制裝置以DSP為主控單元，所以著重介紹DSP的程序設(shè)計(jì)，其主程序主要由初始化程序、中斷程序和功能模塊程序組成?？傮w結(jié)構(gòu)如圖4所示。

初始化程序進(jìn)行硬件及變量的初始化，對(duì)個(gè)寄存器賦初值，只在上電后執(zhí)行一次，并使能中斷;中斷服務(wù)程序包括PWM 定時(shí)中斷服務(wù)程序和故障保護(hù)中斷服務(wù)程序兩部分。PWM 定時(shí)中斷服務(wù)程序流程如圖5所示，主要包括電量采樣和A/D轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)更新、d/q軸下電流的PI調(diào)節(jié)、坐標(biāo)變換、磁鏈計(jì)算、實(shí)現(xiàn)SVPWM算法等功能;功能模塊主要包括人機(jī)界面功能、通訊、故障診斷等系統(tǒng)所需的一些輔助功能。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

就研制好的調(diào)速控制裝置，在一臺(tái)變頻電機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，電機(jī)空載運(yùn)行。電機(jī)及相關(guān)參數(shù)為：額定功率11kW;額定電壓380V;額定電流22.6A;額定頻率50Hz;采樣周期0.1ms;速度更新周期1ms。

圖6為控制電路輸出的兩路互補(bǔ)帶死區(qū)的PWM波形，容易看出此電路驅(qū)動(dòng)模塊輸出的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值為±15v，死區(qū)時(shí)間由微控制器產(chǎn)生。能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)主開(kāi)關(guān)器件的控制。

圖7與圖8為在試驗(yàn)平臺(tái)上采集得到的調(diào)速裝置輸出試驗(yàn)波形，由于電流幅值比電壓幅值小很多，上位機(jī)軟件在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)實(shí)時(shí)波形圖中電流值與實(shí)際值比取為30：1，電壓的值與實(shí)際值為1：1。從檢測(cè)到的波形來(lái)看，電壓、電流波形正弦度好，諧波失真小，獲得了較為理想的效果，也證明了該調(diào)速裝置程序設(shè)計(jì)的可行性。

5 結(jié)束語(yǔ)

硬件采取DSP與FPGA的協(xié)調(diào)控制策略，可以發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車的高性能調(diào)速控制?？刂葡到y(tǒng)中，控制電路采取模塊化的設(shè)計(jì)，其中以開(kāi)關(guān)量形式的輸出信號(hào)均通過(guò)光耦隔離，保證了強(qiáng)弱電的隔離，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，能夠滿足電機(jī)車控制領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)高可靠性的要求。

軟件部分采用基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制算法，軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)了變頻感應(yīng)電機(jī)的全數(shù)字化控制。試驗(yàn)結(jié)果表明該調(diào)速裝置的整體方案設(shè)計(jì)合理，控制效果理想。

參考文獻(xiàn)：

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