基于ARM的SVPWM蓄電池電機車變頻調速控制系統設計

李瑞金， 金 林， 燕 翔， 魏敬喜

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

0 引言

電機車是煤礦生產中主要的運輸裝置。目前礦用電機車主要有直流架線式和蓄電池式兩種。其中架線式電機車由于主要用于非瓦斯礦井以及一、二級瓦斯礦有新鮮風流的大巷中，而且架線易損壞，所以使用較少。目前在含有瓦斯、煤塵，有良好通風條件，瓦斯、煤塵不能聚集的煤礦上普遍采用蓄電池式電機車。以往電機車采用直流串激電動機作為牽引電動機的蓄電池式電機車，其控制辦法通常采用凸輪控制器切換串接于電機電樞回路的電阻，進行電機車的起動和調速控制。這種控制方式在電動機起動和調速期間，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用交流異步電動機代替，用交流變頻調速方法對異步電動機進行調速已成為趨勢，為了進一步提高電機車的調速性能，根據電機車的工作環境和實際工況中對電機車調速系統的要求，設計了基于SVPWM無速度傳感器的矢量控制系統，試驗證明該系統具有動態跟隨性好，起動轉矩大等特點，解決了直流電機在實際使用中的弊端，提高了工作效率。

1 SVPWM在礦用電機車變頻調速系統中的應用

1.1 SVPWM基本原理

SVPWM的理論基礎是平均值等效原理，即在一個開關周期內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。在某個時刻，電壓矢量旋轉到某個區域中，可由組成這個區域的兩個相鄰的非零矢量和零矢量在時間上的不同組合來得到。兩個矢量的作用時間在一個采樣周期內分多次施加，從而控制各個電壓矢量的作用時間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉，通過逆變器的不同開關狀態所產生的實際磁通去逼近理想磁通圓，并由兩者的比較結果來決定逆變器的開關狀態，從而形成PWM波形。

設直流母線側電壓為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系上，可以定義三個電壓空間矢量UA(t)、UB(t)、UC(t)，它們的方向始終在各相的軸線上，而大小則隨時間按正弦規律變化，時間相位互差120°。假設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等效的旋轉電壓，其旋轉速度是輸入電源角頻率，等效旋轉電壓的軌跡，如圖1所示的圓形。利用電壓向量合成技術，得到的設定電壓向量就等效于一個在電壓空間向量平面上平滑旋轉的電壓空間向量，從而達到電壓空間向量脈寬調制的目的。

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)是一個旋轉的空間矢量，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按逆時針方向勻速旋轉的空間矢量，空間矢量U(t)在三相坐標軸(a，b，c)上的投

1.2 SVPWM控制算法的ARM實現

由SVPWM的法則推導分析可知，要實現SVPWM信號的實時調制，首先需要知道參考電壓矢量Uref所在的區間位置，然后利用所在扇區的相鄰兩電壓矢量和適當的零矢量來合成參考電壓矢量。電壓矢量調制的控制指令是矢量控制系統給出的矢量信號Uref，它以某一角頻率ω在空間做逆時針旋轉，當旋轉到矢量圖的某個60°扇區中時，系統計算該區間所需的基本電壓空間矢量，并以此矢量所對應的狀態去驅動功率開關元件動作。當控制矢量在空間旋轉360°后，逆變器就能輸出一個周期的正弦波電壓。對于每一個SVPWM的零矢量分割方法不同，以及對非零矢量Ux的選擇不同，會產生多種多樣的SVPWM波，所以用控制器實現SVPWM的編程方法，就要有選擇的原則:(1)盡可能使開關功率管的開關次數最少;(2)任意一次電壓空間矢量的變化只能有一個橋臂的開關管動作;(3)編程容易。

2 蓄電池電機車變頻調速系統總體方案

礦用電機車調速系統由于處于頻繁起動、制動、加減速等狀態，還要適應上下坡和顛簸路況等情況，因此要求電機起動轉矩大、過載能力強［7］。根據上述要求，本調速系統設計主要包括蓄電池、升壓電路、逆變部分、驅動部分、控制系統部分、上位機控制界面、檢測電路，故障與保護處理電路等。其調速系統硬件總體框架如圖2所示。其中SVPWM無速度傳感器轉子磁場定向矢量控制系統框圖如圖3所示。的控制信號不足以驅動開關管的導通和關斷，在控制器和IGBT之間要加驅動電路，驅動電路主要選擇專用驅動芯片IR2110S，IR2110S是美國IR公司生產的驅動芯片，集成度高，具有獨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立有效輸出，可以直接驅動兩個功率半導體器件MOSFET或GBT(IGBT)，兼有電氣隔離和電磁隔離的優點。一相IGBT的驅動電路如圖4所示。ARM輸入6路PWM波控制信號分別給3片IR2110S，每片IR2110S驅動一對上下橋臂，為了使控制板不受高壓干擾，故設計中采用了高速光耦隔離高壓與低壓側PWM驅動信號。同時，PWM上下橋臂還設有直通硬件保護和過流硬件保護。此控制信號控制功率開關管輸出三項正弦波電壓給電機供電。通過編程控制改變電源的頻率來改變加在電機定子上的電壓，從而達到對轉速的控制。

圖4 單項開關電路驅動電路

3 蓄電池電機車調速系統控制電路硬件設計部分

3.1 功率變換器主回路電路及IGBT驅動電路

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計電路的性能要求及應用場合。在這里選擇IGBT作為主開關器件的逆變電路和直流儲能電容組成。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，低壓側和高壓側完全隔離，工作電壓+5 V，量程選擇:原邊電流－10～+10 A對應輸出電壓0.5～4.5 V，在經過限幅及低通濾波和兩級運放后，通過高線性模擬光耦隔離傳給LPC1766的A/D模塊，從而實現對電機電流的檢測，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換成電壓信號，經兩級電壓跟隨后送給LPC1766，通過軟件與設定的標準值進行比較，如果超上限

圖5 電流檢測電路

則發出故障信號，一方面LPC1766關斷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通信傳給上位機顯示，并記錄發生故障的時間及故障處理情況?？梢娡ㄟ^檢測電路有效增強了系統可靠性，保證了系統運行的穩定性。

4 蓄電池電機車調速系統軟件實現部分

控制系統軟件部分主要由主程序、硬件初始化、軟件初始化、運行狀態檢測模塊、故障處理、中斷服務程序和上位機軟件等組成。主程序主要對硬件和變量初始化，對各個控制寄存器賦值，對運算過程中出現的各種變量分配地址和賦值。中斷服務程序以及其他子程序是系統的核心部分，主要執行SVPWM，PID調節、UART、CAN通信和故障處理中斷。其中系統主程序和矢量控制中斷服務程序流程圖如圖6所示。一個管理者來協調和管理每個功能模塊，基于ARM具有操作系統移植的思想，本文通過移植源碼開放(C代碼)的嵌入式系統μC/OS的uCLinux來管理整個變頻調速系統的運行。μC/OS簡單易學，提供了嵌入式系統的基本功能，其核心代碼短小精悍，針對硬件進行優化，還可以獲得更高的執行效率。要想使用μC/OS操作系統來管理各個模塊，首先必須要創建多任務管理機制，采用多任務管理機制對整個控制系統的各個功能進行任務分割，并且對各個任務分配優先級，各個任務的使用通過搶占模式來運行。多任務管理模式如圖7所示。

圖7 多任務管理機制架構

圖6 主程序、中斷流程圖

要想使控制系統可靠穩定的運行，必須要有

上位機軟件主要采用VB開發的管理界面，通過VB上的MSComm控件可與控制板之間進行MAX232通信，來傳輸數據和接收數據，串口設置為波特率9 600 bps，無校驗位，數據位8，停止位1。上位機主要通過串口通信發送控制指令，包括起動、停止、急停、加速、減速等，以及接收數據信息包括工作狀態、頻率、電流、電壓、溫度等，將接收到的數據在上位機上實時顯示。同時，上位機還具有故障記錄功能，下位機可通過鍵盤控制電路設置起動頻率及工作模式選擇。

5 結語

通過ARM對礦用電機車進行控制，實現變頻調速的SVPWM控制策略和對其他功能電路的控制。彌補了單DSP在控制方面的不足，同時還引進了ARM移植操作系統的功能，有效提高了變頻調速系統的整體性能和電機的高效運行，同時有了上位機的直觀顯示和下位機控制系統的可靠運行，有力保證了礦用電機車在煤礦井下的安全運行。

［1］楊旭強，吳紅星，金釗，等.基于ARM電動機控制技術［M］.北京:中國電力出版社，2008.

［2］王曉明.電動機的DSP控制［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2009.

［3］邵貝貝.嵌入式實時操作系統μCOS-Ⅱ［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2003.

［4］栗忠魁，阮毅，宗劍，等.直流架線式礦用電機車變頻調速控制系統的設計［J］.電機與控制應用，2011，38(5):27-30.

［5］鮑遠慧，段瓊，楊艷麗.基于ARM的開關磁阻電機的控制系統［J］.電機與控制應用，2011，38(4):29-33.

［6］NXP Semiconductors. LPC17xxPreliminaryuser manual［G］.2009.

［7］張運乾.變頻調速技術在蓄電池電機車上的應用和研究［D］.淮南:安徽理工大學，2007.