基于直接轉(zhuǎn)矩的礦用通風機控制系統(tǒng)

張 君

(陽泉煤業(yè)(集團)平定東升興裕煤業(yè)有限公司，山西 陽泉 045200)

1 原理分析

本文研究的礦用通風機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主要是選取雙閉環(huán)控制方式，以此來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的合理控制，在外環(huán)部分應用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)選取轉(zhuǎn)矩控制，通過滯環(huán)控制對轉(zhuǎn)矩進行快速動態(tài)響應。將磁鏈具體數(shù)值以及參考數(shù)值進行減法操作，之后將差值輸入至磁鏈比較器中，而將轉(zhuǎn)矩實際值與參考值的差值輸入至矩陣比較器中，以此完成對比較器信號的輸出，實現(xiàn)對驅(qū)動電機變頻器的全面優(yōu)化。為了全面獲得系統(tǒng)磁鏈值大小，對電子電壓值、轉(zhuǎn)速、電流、電動機相關(guān)參數(shù)進行了數(shù)據(jù)獲取。另外，為了全面控制系統(tǒng)預測誤差值，本文主要采用了定子與轉(zhuǎn)子電壓矢量方程、定子轉(zhuǎn)子電流方程，開展了系統(tǒng)中電壓-速度模型進行了改進設(shè)計，得出電子磁鏈估計值。

2 控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

2.1 總體方案設(shè)計

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。此系統(tǒng)處理器主要是選取某公司應用的DSP，處理器在數(shù)據(jù)處理過程中速度較快，精確性較高。其中，功能開關(guān)單元主要選用了設(shè)計較為簡便、性能較為穩(wěn)定的IPM封裝模塊。電流傳感器則選用了多種規(guī)格的霍爾電流傳感器，可對系統(tǒng)中不同大小電流值進行檢測。另外，將光電隔離模塊應用到了控制脈沖電路中，以此實現(xiàn)對電路的較強保護?？刂葡到y(tǒng)中的轉(zhuǎn)速、負載給定及動態(tài)化信息等信息則通過信號控制盤進行有效顯示。

圖1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 功率變換電路的設(shè)計

從功率變換電路基本組成結(jié)構(gòu)來看主要是通過主電路以及外部輔助電路組成，其中主電路又是通過逆變電路、整流電路、濾波電路組成，基本應用功能就是保障交流、直流、交流電能可以靈活變換。在主電路中，整流電路主要是選用三相全橋拓撲，三相交流信號通過整流橋能轉(zhuǎn)為直流電壓信號。系統(tǒng)啟動應用過程中，在放電電容影響下會產(chǎn)生浪涌電流，因此，可以選用軟啟動方式對開啟階段產(chǎn)生的瞬時過電流有效控制，此類啟動方式中的電容兩側(cè)電壓上升變換速度較慢。為了有效控制整流橋輸出直流電壓脈動分量，可以應用濾波電容進行濾波，獲取諧波含量較低的直流電壓。為了對瞬時過電流有效控制，可以串聯(lián)限流電阻。逆變電路能將直流電壓轉(zhuǎn)為交流信號，在功率開關(guān)中主要是選用IPM模塊，選用的模塊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、功耗較低、散熱狀態(tài)良好，其抗電磁干擾作用力較強。為了能保障其安全穩(wěn)定運行，在集成模塊中需要配備過熱、過流、過壓以及短路保護電路等，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障問題，要及時進行處理。

在IPM集成電路中具有較多開關(guān)電源，為了對不同電源之間的耦合作用以及分布電感電容的影響進行分析，不同電路都需要選用獨立供電程序。由于整套系統(tǒng)的主控制電路與功率變化模塊進行了有效集成，而大多數(shù)控制信號均是弱電信號，故在此功率轉(zhuǎn)換模塊中設(shè)計了隔離電路，以此來保障控制信號對集成模塊有效驅(qū)動。

2.3 控制電路的設(shè)計

本控制系統(tǒng)在運行過程中，需對整流器上實際輸出的直流電壓以及三相異步電動機電壓進行參數(shù)獲取，由此來有效獲取控制系統(tǒng)運算變量。同時，系統(tǒng)中設(shè)計的各類傳感器模塊，可實現(xiàn)對不同等級的電壓值進行信號檢測。另外，電路匯總設(shè)計了電流傳感器，可對電機中定子的三相電流信號進行獲取和轉(zhuǎn)換，最終實現(xiàn)對電流信號的實時運算與檢測，而檢測的電流信號通過一定值的電阻后，電流信號通過電阻能有效轉(zhuǎn)換成電壓信號?？刂齐娐分幸苍O(shè)置了模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，可將各類信號轉(zhuǎn)為所需的數(shù)字信號，而控制電路中的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路則可完成主控制器與功率放大器的有效連接，且信號轉(zhuǎn)換精度值相對較高。為了更好地保障控制系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，提升控制精度值，需要合理發(fā)揮硬件抗干擾電路功能，主要有硬件濾波、電氣隔離、屏蔽電路等。

3 軟件系統(tǒng)電路的設(shè)計

3.1 主程序

此控制系統(tǒng)軟件應用部分通過某型號的DSP進行有效實現(xiàn)，主要用于獲取通風機電路中傳遞的各類信號，并通過內(nèi)部的計算程序?qū)Λ@取信號進行計算處理及強化保護，同時，必要時候?qū)Τ绦蜻M行中斷操作。通風機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主程序流程圖具有較多功能，包括：系統(tǒng)變量與常量的初始化定義、系統(tǒng)常量及變量定義、主程序初始化定義等。

3.2 中斷程序

中斷程序主要應用了直接轉(zhuǎn)矩控制計算的方法，并具有運算功能及保護功能。在運行過程中首先要對過流問題進行有效檢測，如果未發(fā)現(xiàn)過流現(xiàn)象需要對電子電流以及母線電壓進行讀取，分析過壓問題發(fā)生現(xiàn)狀。如果沒有明顯的過電壓問題需要開展轉(zhuǎn)矩估算、磁鏈計算、坐標實時轉(zhuǎn)換、速度測量等，這樣能對通風機直接轉(zhuǎn)矩有效控制。

4 成果驗證

通過搭建試驗平臺，開展了基于直接轉(zhuǎn)矩的通風機控制系統(tǒng)各項性能的測試驗證研究。將礦用通風機轉(zhuǎn)子基本轉(zhuǎn)速初始數(shù)值在0，1.5s、3.5s、5.5s分別設(shè)定為900r/min、400r/min、800r/min。礦用通風機轉(zhuǎn)速參考數(shù)值以及實際值從圖2可知?；趫D2可以得出合理應用直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)對電機的轉(zhuǎn)速具有較高的控制效果，且信號響應速度較快，轉(zhuǎn)速脈動程度較小。直流側(cè)母線電壓波形圖如圖3所示，由圖可知，當電機轉(zhuǎn)速發(fā)生持續(xù)變化過程中，系統(tǒng)中產(chǎn)生的電壓波動數(shù)值相對較小，能有效抵御外部干擾性，能證明其在煤礦生產(chǎn)階段應用實效性較高。

圖2 電機轉(zhuǎn)速波形圖 圖3 直流母線電壓波形圖

5 結(jié)語

通過對通風機控制策略進行分析，將數(shù)字信號處理器作為此控制系統(tǒng)的核心處理器，完成了控制系統(tǒng)硬件的基本組成分析，有效掌握了通風機控制系統(tǒng)的應用功能及軟件部分的實現(xiàn)流程。通過完善的實驗能得出，此類控制策略具有良好的控制精度，跟隨性能較好，從而大大提高了通風機控制系統(tǒng)的綜合性能。