基于DSP礦用蓄電池電機(jī)車交流牽引控制系統(tǒng)的研究①

鄧永紅 趙立永 黃成玉

(華北科技學(xué)院信息與控制技術(shù)研究所，北京東燕郊 101601)

基于DSP礦用蓄電池電機(jī)車交流牽引控制系統(tǒng)的研究①

鄧永紅②趙立永 黃成玉

(華北科技學(xué)院信息與控制技術(shù)研究所，北京東燕郊 101601)

本文研究設(shè)計(jì)了基于16位高速單片微機(jī)dsPIC30F6010A［1－2］的礦用電機(jī)車交流變頻調(diào)速牽引控制系統(tǒng)，給出了牽引控制系統(tǒng)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)方案及電路結(jié)構(gòu)。采用轉(zhuǎn)差頻率控制策略和電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM［3］)的控制算法，實(shí)現(xiàn)了礦用電機(jī)車速度閉環(huán)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該牽引控制系統(tǒng)能夠滿足礦用電機(jī)車交流變頻調(diào)速運(yùn)行的要求，可以在煤礦行業(yè)內(nèi)推廣。

礦用電機(jī)車;微芯dsPIC30F6010A單片機(jī);牽引控制系統(tǒng);SVPWM;轉(zhuǎn)差頻率

1 問題的提出

礦用電機(jī)車是煤礦生產(chǎn)中的一種重要運(yùn)輸裝置，其一直沿用直流電動機(jī)驅(qū)動。由于電刷維護(hù)和換向器火花等缺點(diǎn)，使得礦用電機(jī)車直流傳動系統(tǒng)的運(yùn)營成本高，運(yùn)行可靠性低，維修費(fèi)用高。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，采用電力電子變流器的交流傳動系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，特別是大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制的出現(xiàn)，交流調(diào)速的性能得到了很大的進(jìn)步，交流牽引電機(jī)車與直流牽引電機(jī)車相比較，具有功率高，效率高，體積小，重量輕，可靠性高，維護(hù)量小，減少了維護(hù)成本，無滑環(huán)和換相器，易于安全防爆等顯著優(yōu)點(diǎn);同時交流變頻調(diào)速具有明顯的節(jié)能效果，耗能和發(fā)熱量都明顯減小。所以說，交流牽引電機(jī)車取代直流牽引電機(jī)車，用先進(jìn)的交流變頻調(diào)速技術(shù)取代傳統(tǒng)的直流串電阻和直流斬波調(diào)速技術(shù)是礦用電機(jī)車發(fā)展的必然趨勢。

電機(jī)車負(fù)載變化頻繁，供電電源波動大，工作環(huán)境惡劣，起動力矩大，同時要能在5‰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)車的直流傳動系統(tǒng)進(jìn)行改造。兼顧技術(shù)先進(jìn)性和工程實(shí)用性，基于16位單片微機(jī)dsPIC30F6010A，采用轉(zhuǎn)差頻率控制策略和SVPWM控制算法，實(shí)現(xiàn)礦用電機(jī)車閉環(huán)控制，有很好的實(shí)用意義。

圖1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

2 電機(jī)車交流傳動系統(tǒng)組成

礦用電機(jī)車交流牽引控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。電機(jī)車交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要由鉛酸蓄電池組，濾波支撐電容，三相逆變橋，電流傳感器，單片機(jī)控制電路，驅(qū)動電路，檢測電路以及制動單元構(gòu)成。整個系統(tǒng)以牽引逆變器為核心，由鉛酸蓄電池組提供直流電壓，通過三相逆變器單元輸出頻率可調(diào)的三相交流電，驅(qū)動兩臺三相交流異步牽引電機(jī)。司控臺發(fā)出啟動/停止命令，轉(zhuǎn)速檔位切換或者多段速給定，檢測回路處理和檢測交流輸出電流，輸入直流電壓，散熱器溫度，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速等。并把相關(guān)狀態(tài)信息送給牽引逆變器處理，計(jì)算出牽引逆變器每個開關(guān)管的導(dǎo)通時間，輸出三相SVPWM波，經(jīng)過驅(qū)動電路，驅(qū)動IGBT開關(guān)管。

3 牽引控制系統(tǒng)硬件組成

3.1 微芯單片微機(jī)dsPIC30F6010A控制系統(tǒng)

微芯單片微機(jī)dsPIC30F6010A控制電路是本系統(tǒng)的核心部分，其框圖如圖2所示。控制系統(tǒng)由5個部分組成：(1)由dsPIC6010A單片機(jī)、外部端子數(shù)字量輸入信號、速度檢測電路等組成的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)車的起/停控制運(yùn)行、正反轉(zhuǎn)運(yùn)行、點(diǎn)動運(yùn)行、多段速給定等功能;(2)模擬量接口電路，主要由電壓電流檢測與調(diào)理、溫度檢測與調(diào)理、電機(jī)速度給定電路等組成。電壓、電流檢測電路主要是將強(qiáng)電信號轉(zhuǎn)換為弱電信號，供DSP進(jìn)行數(shù)字采樣;(3)IGBT驅(qū)動電路，將DSP系統(tǒng)發(fā)出的SVPWM信號轉(zhuǎn)化為可驅(qū)動IGBT的脈沖信號，同時當(dāng)IGBT發(fā)生短路或過流故障時，向DSP系統(tǒng)反饋故障信號;(4)CAN通信電路; (5)液晶顯示與鍵盤操作電路，可以通過鍵盤設(shè)定各種給定指令和參數(shù)，如實(shí)現(xiàn)電機(jī)車的起動與停止，給定電機(jī)車的運(yùn)行速度值等;可以顯示電機(jī)車變頻調(diào)速運(yùn)行的各種狀態(tài)，并記錄電機(jī)車歷史運(yùn)行故障。

圖2 單片微機(jī)控制系統(tǒng)框圖

圖3 T法測速原理圖

圖4 測速方法示意圖

3.2 電機(jī)速度檢測電路

礦用電機(jī)車，電機(jī)測速非常重要，尤其采用轉(zhuǎn)差頻率控制策略，必需精確測量電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。電機(jī)的速度測量使用的是光電編碼器，光電編碼器發(fā)出的脈沖經(jīng)過濾波后，輸入到DSP的捕獲寄存器。而采用的測速方法是純粹的T法測速，即利用一個高頻基準(zhǔn)時鐘fc測量編碼器相鄰兩個轉(zhuǎn)速脈沖之間的時間間隔，以此計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速，其原理如3所示。若計(jì)數(shù)器的讀數(shù)為m2，編碼器每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出脈沖數(shù)為P，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：

礦用電機(jī)車的轉(zhuǎn)速范圍nM=0～3000 rpm，編碼器為p=60脈沖/轉(zhuǎn)，用DSP的內(nèi)部定時鐘T2作為高頻基準(zhǔn)時鐘，增計(jì)數(shù)模式，計(jì)數(shù)頻率為fc，管腳CAP1/QEP0/IOPA3，設(shè)定為CAP1功能/選擇定時器T2上升沿捕獲，其具體測速如圖4所示。

CAP1old存的是寄存器CAP1FIFO上某一時刻的值，CAP1new存的是寄存器CAP1FIFO當(dāng)前時刻的值，正是一個編碼器脈沖相鄰兩個上升沿對應(yīng)的T2計(jì)數(shù)器(T2CNT)的計(jì)數(shù)值，選擇合適的T2計(jì)數(shù)器頻率fc，就能計(jì)算出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

3.3 系統(tǒng)溫度檢測電路

交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的功率器件組成的逆變器，全部組裝在一塊銅基板上，再整體將銅基板安裝到防爆外殼內(nèi)側(cè)，銅基板的另外一面經(jīng)處理后，裸露在外面，與牽引車外殼緊密接觸，實(shí)現(xiàn)自然散熱冷卻或者走行風(fēng)冷。對控制系統(tǒng)溫度的檢測非常重要，本系統(tǒng)中溫度檢測采用PT100溫度傳感器來完成。檢測電路如圖5所示。PT100與控制系統(tǒng)散熱器表面充分接觸，當(dāng)逆變器溫度發(fā)生變化時，PT100的阻值也隨之變化，利用圖5所示的電路可以測得阻值的變化，從而測得逆變器的溫度。圖5中運(yùn)算放大器U1和電阻組成一個200mA恒流源電路，利用恒流源將PT100的阻值轉(zhuǎn)換為電壓信號，再利用U2運(yùn)算放大器調(diào)整信號后，再將信號送給單片機(jī)，由單片機(jī)計(jì)算出逆變器的溫度。

圖5 逆變器溫度檢測電路原理圖

4 轉(zhuǎn)差頻率控制策略

轉(zhuǎn)差頻率控制［4］是基于交流電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型而建立的控制思想，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。

要滿足礦用電機(jī)車恒力矩起動、恒功率運(yùn)行的牽引特性要求，關(guān)鍵是作好對系統(tǒng)輸出頻率的控制，并能使系統(tǒng)的輸出頻率自動平滑的調(diào)節(jié)，在實(shí)際的系統(tǒng)中采用了如式(2)的控制模型：

在該控制模型中，取f1=fn+fs使輸出頻率f1得以和轉(zhuǎn)速fn同步升降，與轉(zhuǎn)速開環(huán)系統(tǒng)中按電壓成正比地直接產(chǎn)生頻率給定信號相比，加減速更為平滑，且容易使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。

5 軟件設(shè)計(jì)

圖6 控制軟件流程圖

本系統(tǒng)軟件程序主要由主程序、定時器T1中斷服務(wù)程序、捕獲中斷服務(wù)程序、CAN通信中斷程序、波形發(fā)生器中斷程序等組成。軟件流程圖如圖6所示。主程序主要完成CPU系統(tǒng)初始化設(shè)置，看門狗設(shè)置，電源系統(tǒng)設(shè)置，各種中斷及中斷優(yōu)先級社會自，初始化變量和數(shù)據(jù)設(shè)置，特殊功能寄存器和外部事件管理寄存器的初始化設(shè)置，I/O口設(shè)置，開中斷等功能。

CAN通信中斷服務(wù)程序，主要完成與操作鍵盤的通信，將礦用電機(jī)車交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息發(fā)給鍵盤顯示;同時接收鍵盤的設(shè)置命令。捕獲中斷服務(wù)程序，主要完成電機(jī)速度的采樣計(jì)算。波形發(fā)生器中斷服務(wù)程序，主要完成周期寄存器和占空比的更新，占空比的計(jì)算以及SVPWM波的生成輸出。

定時器T1中斷服務(wù)程序，主要完成以下工作：(1)外部各端子信號的采樣，采樣電機(jī)車的起停、方向、點(diǎn)動信號，CPU的復(fù)位信號，電機(jī)車的多段速度指令信號，輸出故障信號等。(2)模擬量輸入直流電壓、溫度、輸出三相電流、給定速度的采樣計(jì)算。(3)完成電機(jī)缺相檢測，轉(zhuǎn)速跟蹤計(jì)算，V/F曲線計(jì)算，轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償計(jì)算，自動穩(wěn)壓計(jì)算，死區(qū)補(bǔ)償計(jì)算，波形發(fā)生器周期寄存器值的計(jì)算，相位累加值計(jì)算，過載過流計(jì)算等。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

上述交流牽引控制系統(tǒng)在蓄電池礦用電機(jī)車上，得以成功實(shí)現(xiàn)運(yùn)行。電機(jī)車各個環(huán)節(jié)的參數(shù)為：蓄電池輸出電壓DC180V，牽引電機(jī)額定功率22kW×2，額定電壓AC130V，額定電流127 A，電機(jī)極數(shù)4極。圖7(a)為電機(jī)車電機(jī)空載起動時電流波形，40A/div，電機(jī)車在5秒內(nèi)完成起動，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。從圖中可以看出，起動電流波形平穩(wěn)。圖7(b)電機(jī)車帶載運(yùn)行時，電機(jī)電流、電壓波形圖，電流約為127 A(電流測量探頭為20∶1)，電壓幅值約為180 V。從圖中可以看出，電機(jī)車運(yùn)行穩(wěn)定。

圖7 (a)電機(jī)起動電流波形

圖7 (b)電機(jī)車運(yùn)行電流電壓波形

7 結(jié)論

設(shè)計(jì)的基于微芯dsPIC30F6010A單片微機(jī)的礦用電機(jī)車交流牽引控制系統(tǒng)，硬件電路原理簡潔，模塊化強(qiáng)，可以靈活地設(shè)置參數(shù)，適應(yīng)于不同參數(shù)的鉛酸蓄電池電機(jī)車牽引電機(jī)。牽引控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)通用性強(qiáng)，可移植性好。根據(jù)牽引電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)要求，蓄電池組輸出電壓不同，采用操作鍵盤，能方便地改變電機(jī)額定電壓和額定電流，過載和過流參數(shù)設(shè)置，調(diào)頻運(yùn)行，也可以修改波形發(fā)生器的載波頻率，即實(shí)現(xiàn)對牽引電機(jī)的調(diào)壓功能。控制系統(tǒng)可以靈活地將牽引電機(jī)所需的V/F控制曲線寫入程序，以實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)輸出電壓和頻率協(xié)調(diào)控制的功能，根據(jù)轉(zhuǎn)差額率控制策略，可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，從而滿足礦用電機(jī)車牽引特性的要求。

［1］何禮高編著.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：北京航天航空大學(xué)出版社，2007

［2］劉和平.dspic通用數(shù)字信號控制器原理及應(yīng)用［M］，北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2007

［3］Zhenyu Yu.Space－vector PWM with TMS320C24x/ F24x Using Hardware and Software Determined Switching Patterns.Texas Instrument Literature Number SPRA524，1999

［4］A.Munoz－Garcia，T.Alipo.A new indution motor v/f control method capable of high－performance regulation at low speeds［J］.IEEE Trans. On Industry applications.1998，34(4)：813－821

Research of mine lead-acid batteries electrical locomotive traction control system based on DSP

DENG Yonghong，ZHAO Liyong，HUANG Chengyu

(North China Institute of Science and Technology，Information and Control Technology Institute，Yanjiao Beijing-East101601)

This paper is designed based on the Microchip 16－bit single－chip microcomputer dsPIC30F6010A mine locomotive traction control system，providing the traction control system hardware and software implementation scheme and circuit structure. The Traction control system realized speed loop control of the mine electric locomotive to adoption of slip frequency control strategy and the SVPWM method.The experiment indicates that the traction control system meet operation requirements of the mine electrical locomotives AC variable speed，it can be promoted application in the coal mine industry.

mine electric locomotive;Microchip DSPIC30F6010A，single－chip microcomputer;Traction control system;SVPWM;slip frequency control

TD642

A

1672－7169(2012)01－0055－05

2012－01－04

鄧永紅(1975－)，男，湖南漣源人，碩士，華北科技學(xué)院信息與控制技術(shù)研究所講師，研究方向：電力電子與電能變換技術(shù)，微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等。