礦用架線式直流電機車變頻調(diào)速裝置設(shè)計

崔紅剛

(山西凌志達煤業(yè)公司,山西 長治 046600)

0 引言

人類對能源的需求與環(huán)境保護成為當前亟待解決的一組矛盾，因此在煤礦開采過程中，需要對采煤設(shè)備的能源利用進行高效改進。礦用電機車是礦井中常見的運輸設(shè)備，一般有架線式和蓄電池式兩種，架線式電機車的受電弓經(jīng)常出現(xiàn)摩擦火花，引起電壓波動等，在煤礦井下特殊工作環(huán)境中十分危險；蓄電池式電機車具有防爆和隔爆功能，但是存在維修成本高、電機換相產(chǎn)生火花等缺點。綜上所述，傳統(tǒng)的架線式電機車和蓄電池式電機車均不能滿足能源高效利用和安全可靠的要求，因此本文研究一種變頻調(diào)速式礦用架線式電機車，以提高能源利用率，提高礦井運輸系統(tǒng)的安全性和可靠性。

1 直流無刷電機控制系統(tǒng)

礦用架線式直流電機車采用直流無刷電機進行主拖動，這是一種基于計算機技術(shù)、永磁材料技術(shù)和電力電子技術(shù)的新型電機，由于沒有電刷，避免了機械換向裝置的火花、噪聲等問題，具有廣闊的應用前景。直流無刷電機的運行原理為：通過對轉(zhuǎn)子位置的實時檢測，判斷當前使轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動所需的磁場方向和大小，并控制逆變器發(fā)出的電流波形，產(chǎn)生所需要的氣隙磁場，驅(qū)動永磁體轉(zhuǎn)動。整個控制系統(tǒng)可以分為無刷電機本體、逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測傳感器三部分，圖1為直流電機車控制系統(tǒng)框圖。直流無刷電機與同步電機相似，由定子(電樞繞組)、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子位移傳感器等組成，轉(zhuǎn)矩由電樞電流產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子的永磁體相互作用產(chǎn)生。位置傳感器分為有位置和無位置兩種，其作用是獲取當前的轉(zhuǎn)子位置信號，供逆變電路進行判斷。

圖1 直流電機車控制系統(tǒng)框圖

由于直流無刷電機構(gòu)造的特殊性，其轉(zhuǎn)子采用永磁材料制造，不同于其他采用電磁激勵的繞組可以預測磁鏈，直流無刷電機的磁鏈控制不能預測。因此，直流無刷電機的運行特性主要由定子電流進行控制，所以為了電機運行平穩(wěn)，定子繞組電流控制是直流電機車變頻調(diào)速系統(tǒng)的重要依據(jù)。

2 直流電機車變頻控制系統(tǒng)硬件

直流電機車變頻控制系統(tǒng)硬件由上位機、DSP控制板和無刷直流電機及其驅(qū)動電路三部分組成，如圖2所示。虛線框內(nèi)是以TMS320F2812為核心的控制板，主要功能是接收傳感器采集的電壓電流等數(shù)據(jù)，對核心控制算法進行運算，發(fā)出電機控制信號。虛線框右側(cè)是無刷直流電機、功率驅(qū)動電路和傳感器電路。上位機與DSP控制板通過SCI和JTAG接口進行通信，上位機可以向DSP控制板發(fā)出控制信號，接收DSP控制板返回的狀態(tài)信號。

2.1 速度檢測電路

由于直流無刷電機體積限制，不便采用測速發(fā)電機進行速度采集，因此大多采用位置傳感器產(chǎn)生正比于轉(zhuǎn)速的脈沖信號，然后對脈沖信號進行濾波轉(zhuǎn)換成電壓信號，電壓信號的大小間接反映了轉(zhuǎn)速的大小，速度檢測電路原理圖如圖3所示。VS是一個正比于轉(zhuǎn)速的脈沖信號，經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處理后，輸出端Q產(chǎn)生一系列等高等寬的脈沖信號，經(jīng)過RC低通濾波為直流電壓信號，輸入到光耦隔離芯片，采用DSP脈沖捕獲單元對CAP1進行捕獲，間接獲取此時電機的轉(zhuǎn)速。

圖3 速度檢測電路

2.2 放大比較電路

放大比較電路由精密儀表放大器、電壓比較器和上升沿D觸發(fā)器構(gòu)成，不導通相端電壓與給定電壓做差，此差值經(jīng)由放大器進行信號放大后，與零電壓進行比較，將比較結(jié)果經(jīng)D觸發(fā)器輸出到光電隔離電路。本設(shè)計采用精密儀表放大器INA118，這款芯片能夠?qū)ξ⑿⌒盘栠M行放大，具有高增益寬帶寬的特點。

2.3 電流采樣電路

電流采樣電路采用電阻采樣方式，將串聯(lián)在主回路中的電阻電流經(jīng)運算放大電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后經(jīng)光耦隔離、濾波和限幅等環(huán)節(jié)，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器?？刹捎梅答侂娙葸M行濾波，在運算放大器反饋回路中并聯(lián)102電容，可有效避免電路振蕩，削弱電流采集信號的尖峰毛刺，提高信噪比。

2.4 不導通相選擇電路

換相前控制系統(tǒng)需要將不導通的一相選擇出來，這個電路稱之為不導通相選擇電路。不導通相選擇電路由限幅電路、模擬多路開關(guān)和電壓跟隨器組成，限幅電路由3個共陰極的二極管組成，陰極接限幅電壓+5 V；模擬多路開關(guān)選擇ADG409，其信號選通接口SEL1、SEL2由DSP IO口控制，多路開關(guān)的輸出端接一級電壓跟隨器，以增強信號及減小電路的輸出阻抗。

2.5 功率開關(guān)驅(qū)動電路

功率開關(guān)驅(qū)動電路是連接DSP控制信號和逆變器的電路，包括緩沖電路、隔離電路和MOS管驅(qū)動電路。緩沖電路和隔離電路的作用是防止逆變器的元件發(fā)生短路等故障時高壓串入控制電路、燒毀控制板等關(guān)鍵部件。本設(shè)計采用TLP2630對DSP的6路PWM信號進行隔離和緩沖。MOS管驅(qū)動電路一般采用集成的驅(qū)動器，IR公司的IR2130三相全橋驅(qū)動器是一款結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的驅(qū)動器，且具有各項保護功能。

2.6 系統(tǒng)保護電路

當直流無刷電機出現(xiàn)各類故障時，如果沒有相應的保護電路，極易造成故障擴大，直接造成經(jīng)濟損失，甚至產(chǎn)生人身傷害。一般電機運行需要配置過電壓、過電流和欠電壓保護，由于驅(qū)動器IR2130本身具有性能較好的過電流和欠壓保護功能，因此本文另外設(shè)計了一種過壓保護電路。電壓采集模塊采集母線電壓，通過光耦電路后送入DSP中，與給定的保護電壓進行比較，如果母線電壓大于給定電壓，則在軟件中鎖定PWM脈沖，以此保護開關(guān)管和電機。

3 直流電機車變頻控制系統(tǒng)軟件

直流電機車變頻控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計思想，將整個軟件劃分為初始化模塊、中斷模塊、雙閉環(huán)控制模塊等。各模塊程序結(jié)合硬件設(shè)計和中斷服務子程序進行設(shè)計。圖4為控制系統(tǒng)軟件主程序流程圖，程序開始后，首先進行系統(tǒng)初始化，然后關(guān)閉全局中斷，依次對事件管理器、ADC、外部中斷、變量、定時器、捕獲模塊進行初始化，初始化完成后打開全局中斷，至此初始化工作結(jié)束，進入主循環(huán)等待中斷。

圖4 主程序流程圖

圖5(a)為定時器中斷流程圖，定時器中斷開始后，進行現(xiàn)場保護，然后讀取啟動時間表中計數(shù)值，計算轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，計算完成后執(zhí)行雙閉環(huán)控制算法，調(diào)整PWM控制信號。定時中斷子程序能夠完成無刷直流電機的啟動功能和延時換相功能。圖5(b)為捕獲中斷流程圖，無位置傳感器響應捕獲中斷，進入捕獲中斷后保護現(xiàn)場，然后檢測換相標志，從捕獲寄存器中讀取當前狀態(tài)，兩次反電動勢過零的中點即為30°電角度時間，進行30°電角度延時后換相，換相完成后恢復捕獲功能。

圖5 中斷流程圖

4 結(jié)束語

以DSP為核心的直流無刷變頻調(diào)速系統(tǒng)具有控制精度高、功耗低等特點，與以往采用單片機的控制系統(tǒng)相比，高速捕獲單元、脈寬調(diào)制模塊等功能大大提高了控制系統(tǒng)的性能。將變頻控制系統(tǒng)和無刷直流電機應用于礦用架線式電機車，能夠提高礦井用電機車的穩(wěn)定性和安全性，并且降低電能損耗，對煤礦企業(yè)的節(jié)能減排、安全生產(chǎn)具有現(xiàn)實意義。