基于直接轉矩的礦用通風機控制系統的探討

牛偉偉

（山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司， 山西 晉城 048000）

引言

現階段，大多數礦用通風機在生產中都是保持輕載狀態，有部分處于空載運行。而大多數礦用通風機所處的運行狀態負荷波動性變化較大，其負載率與工作效率極容易出現降低趨勢，最終造成電能的嚴重浪費。因此，開展通風機的節能改造顯得十分必要。目前，大多礦用通風機都是選用異步電機，此類電機對節能成效產生影響的重要因素是變頻器控制系統。本文基于DSP 對礦用通風機直接轉矩進行控制，明確數字化交流調速系統應用，設計軟硬件流程[1-3]。

1 控制系統控制原理的分析

本文研究的礦用通風機直接轉矩控制系統主要是選取雙閉環控制方式，以此來實現對轉速、轉矩的合理控制，在外環部分應用轉速閉環控制，內環選取轉矩控制，通過滯環控制對轉矩進行快速動態響應。將磁鏈具體數值以及參考數值進行減法操作，之后將差值輸入至磁鏈比較器中，而將轉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，實現對驅動電機變頻器的全面優化。為了全面獲得系統磁鏈值大小，對電子電壓值、轉速、電流、電動機相關參數進行了數據獲取。另外，為了全面控制系統預測誤差值，本文主要采用了定子與轉子電壓矢量方程、定子轉子電流方程，開展了系統中電壓- 速度模型進行了改進設計，得出電子磁鏈估計值。

2 控制系統硬件電路的設計

2.1 總體方案的設計

如圖1 所示是控制系統硬件結構框圖，此系統處理器主要是選取某公司應用的DSP，處理器在數據處理過程中速度較快，精確性較高。其中，功能開關單元主要選用了設計較為簡便、性能較為穩定的IPM封裝模塊。電流傳感器則選用了多種規格的霍爾電流傳感器，可對系統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，以此實現對電路的較強保護。控制系統中的轉速、負載給定及動態化信息等信息則通過信號控制盤進行有效顯示。

圖1 直接轉矩控制系統硬件結構圖

2.2 功率變換電路的設計

從功率變換電路基本組成結構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為直流電壓信號。系統啟動應用過程中，在放電電容影響下會產生浪涌電流，因此，可以選用軟啟動方式對開啟階段產生的瞬時過電流有效控制，此類啟動方式中的電容兩側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，可以串聯限流電阻。逆變電路能將直流電壓轉為交流信號，在功率開關中主要是選用IPM模塊，選用的模塊結構穩定、功耗較低、散熱狀態良好，其抗電磁干擾作用力較強。為了能保障其安全穩定運行，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，發現系統故障問題，要及時進行處理。

在IPM集成電路中具有較多開關電源，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。由于整套系統的主控制電路與功率變化模塊進行了有效集成，而大多數控制信號均是弱電信號，故在此功率轉換模塊中設計了隔離電路，以此來保障控制信號對集成模塊有效驅動。

2.3 控制電路的設計

本控制系統在運行過程中，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獲取，由此來有效獲取控制系統運算變量。同時，系統中設計的各類傳感器模塊，可實現對不同等級的電壓值進行信號檢測。另外，電路匯總設計了電流傳感器，可對電機中定子的三相電流信號進行獲取和轉換，最終實現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換成電壓信號。控制電路中也設置了模數轉換電路，可將各類信號轉為所需的數字信號，而控制電路中的數模轉換電路則可完成主控制器與功率放大器的有效連接，且信號轉換精度值相對較高。為了更好地保障控制系統的運行穩定性，提升控制精度值，需要合理發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 軟件系統電路的設計

3.1 主程序

此控制系統軟件應用部分通過某型號的DSP進行有效實現，主要用于獲取通風機電路中傳遞的各類信號，并通過內部的計算程序對獲取信號進行計算處理及強化保護，同時，必要時候對程序進行中

斷操作。通風機直接轉矩控制系統主程序流程圖如圖2 所示，由圖可知，該控制主程序具有較多功能，包括：系統變量與常量的初始化定義、系統常量及變量定義、主程序初始化定義等。

3.2 中斷程序

中斷程序基本流程圖如圖3 所示，該程序主要應用了直接轉矩控制計算的方法，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，如果未發現過流現象需要對電子電流以及母線電壓進行讀取，分析過壓問題發生現狀。如果沒有明顯的過電壓問題需要開展轉矩估算、磁鏈計算、坐標實時轉換、速度測量等，這樣能對通風機直接轉矩有效控制。

4 成果驗證

通過搭建試驗平臺，開展了基于直接轉矩的通風機控制系統各項性能的測試驗證研究。將礦用通風機轉子基本轉速初始數值在0，1.5 s、3.5 s、5.5 s 分別設定為900 r/min、400 r/min、800 r/min。礦用通風機轉速參考數值以及實際值從下頁圖4 可知。基于圖4 可以得出合理應用直接轉矩控制系統對電機的轉速具有較高的控制效果，且信號響應速度較快，轉速脈動程度較小。直流側母線電壓波形圖如下頁圖5 所示，由圖可知，當電機轉速發生持續變化過程中，系統中產生的電壓波動數值相對較小，能有效抵御外部干擾性，能證明其在煤礦生產階段應用實效性較高[4-5]。

圖2 主程序流程圖

圖3 中斷程序流程圖

5 結語

通過對通風機控制策略進行分析，將數字信號處理器作為此控制系統的核心處理器，完成了控制系統硬件的基本組成分析，有效掌握了通風機控制系統的應用功能及軟件部分的實現流程。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的綜合性能。

圖4 電機轉速波形圖

圖5 直流母線電壓波形圖