基于DSP的交流異步調(diào)速技術(shù)在礦井主提升中的研究與應(yīng)用

張巍巍 馬星河 張?chǎng)?/p>

摘 要：礦井主提升是礦井開采生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，主提升機(jī)多采用大功率電機(jī)。隨著空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)的發(fā)展，交流異步電機(jī)的調(diào)速性能有了大幅改善。本文介紹了SVPWM的基本原理，并采用德州儀器公司的TMS320F2808作為控制核心，設(shè)計(jì)出一套交流調(diào)速系統(tǒng)，控制性能優(yōu)秀，可較好的滿足礦井主提升的調(diào)速要求。

關(guān)鍵詞：礦井主提升；空間矢量控制；交流調(diào)速

0 引言

礦井生產(chǎn)過程中，主提升是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，所有井下產(chǎn)出的原煤都需經(jīng)主提升機(jī)提升至地面。為了生產(chǎn)和檢修的需要，提升機(jī)必須具有優(yōu)秀的調(diào)速性能。過去為了滿足提升機(jī)調(diào)速性能，常使用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，然而直流電機(jī)本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高昂，維護(hù)費(fèi)用高。三相交流異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，早已在生產(chǎn)生活中大量應(yīng)用，受限于調(diào)速裝置無法滿足礦井提升機(jī)的要求。隨著交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，脈寬調(diào)制（PWM）、空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）等技術(shù)日趨成熟。同時(shí)，電力電子技術(shù)、控制理論等學(xué)科不斷發(fā)展，異步電機(jī)的交流調(diào)速越來越多的應(yīng)用于實(shí)際工程中。

1 異步電機(jī)的SVPWM控制理論

1.1 電壓空間矢量和磁鏈空間矢量

近年來，異步電機(jī)的調(diào)速控制方式已經(jīng)發(fā)展到了全數(shù)字化的控制方式。由于SVPWM模型簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小且具有較好的諧波抑制能力，在現(xiàn)代交流電機(jī)控制中應(yīng)用廣泛。

電壓空間矢量按照電壓所在繞組的空間位置確定，電機(jī)定子繞組定義了一個(gè)三相靜止的平面坐標(biāo)系。

定子電壓UA，UB，UC分別施加在三個(gè)軸線上，形成三個(gè)電壓空間矢量UA，UB，UC。三者按正弦規(guī)律變化，合成的空間矢量U是一個(gè)以電源角頻率ω旋轉(zhuǎn)的空間矢量。

U=UA+UB+UC （1-1）

對(duì)于電流空間矢量I和磁鏈空間矢量ψ，有

U=RI+ （1-2）

忽略定子運(yùn)行的電阻，式（1-2）可變換為

ψ=ψ0+UtΔt（1-3）

上式中，ψ0為磁鏈?zhǔn)噶康某跏贾担為電壓矢量Ui作用的時(shí)間。

1.2 電壓空間矢量分析

圖1所示為一個(gè)典型的PWM變流器的逆變部分，圖中上橋臂V1，V2，V3三個(gè)功率管在導(dǎo)通狀態(tài)下表示為1，關(guān)斷狀態(tài)下表示為0。下橋臂V2，V4，V6與其狀態(tài)正好相反。顯然，電路有8種開關(guān)狀態(tài)（000，001，011，010，100，110，111，101），因此，三相逆變電路輸出

2 電壓空間矢量SVPWM的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

對(duì)于礦井主提升機(jī)而言，功率動(dòng)輒上百千瓦甚至上千千瓦，考慮到系統(tǒng)的安全穩(wěn)定、抗干擾以及檢修的方便性等因素，本系統(tǒng)采用控制部分與功率部分兩部分在空間上隔離運(yùn)行，強(qiáng)弱電獨(dú)立供電。控制部分主要有CPU、電源等模塊。功率部分是系統(tǒng)的強(qiáng)電部分，由主開關(guān)電路、電流檢測(cè)電路等組成。圖3為系統(tǒng)硬件總框圖。

TMS320F2808是IT公司的16位DSP，片內(nèi)有128KB的FLASH、36KB的RAM。EVA和EVB，每個(gè)事件管理器包含兩個(gè)16位通用定時(shí)器、16個(gè)脈寬調(diào)制通道、4個(gè)比較單元、4個(gè)捕獲單元以及2個(gè)正交編碼脈沖電路。在系統(tǒng)控制電路中，采用DSP中的脈寬調(diào)制單元實(shí)現(xiàn)PWM輸出可極大節(jié)省波形生成電路，簡(jiǎn)化軟硬件設(shè)計(jì)，提高程序讀寫效率。

礦井日常生產(chǎn)中，井上井下提升機(jī)車房?jī)?nèi)生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，DSP電路板在制作完成之后需進(jìn)行封裝，避免受潮。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

DSP主程序?qū)⑼瓿上到y(tǒng)初始化、模塊初始化、中斷系統(tǒng)設(shè)置等工作。這些模塊包括：輸入/輸出模塊、ADC模塊、事件管理器EVA和EVB模塊。

TPWM值選取越小，則電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)越逼近正圓形，圖4為主程序流程圖。

圖4 主程序流程圖

由于功率器件開關(guān)頻率的限制，TPWM取值無法過小，DSP周期寄存器的周期為TPWM/2，為方便編程，將t1、t2 置換為t1/ （TPWM/2）、t2/（TPWM/2）。

3 結(jié)語

在礦井實(shí)際生產(chǎn)中，功率單元選用英飛凌公司的IGBT，驅(qū)動(dòng)一臺(tái)1140kW的三相交流異步電機(jī)，應(yīng)用效果良好。

基于TMS320F2808 DSP的全數(shù)字控制系統(tǒng)通過軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)了空間矢量脈寬調(diào)制控制，配合功率模塊、過程控制模塊、故障診斷模塊、總線通訊模塊等各個(gè)部分，實(shí)現(xiàn)了礦井主提升的全自動(dòng)化、數(shù)字化，調(diào)速性能優(yōu)秀。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

張巍巍（1987-），男，河南人，河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化系碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。