礦用架線式直流電機車變頻調速裝置設計

崔紅剛

(山西凌志達煤業公司,山西 長治 046600)

0 引言

人類對能源的需求與環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常出現摩擦火花，引起電壓波動等，在煤礦井下特殊工作環境中十分危險；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、電機換相產生火花等缺點。綜上所述，傳統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，提高礦井運輸系統的安全性和可靠性。

1 直流無刷電機控制系統

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、永磁材料技術和電力電子技術的新型電機，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：通過對轉子位置的實時檢測，判斷當前使轉子連續轉動所需的磁場方向和大小，并控制逆變器發出的電流波形，產生所需要的氣隙磁場，驅動永磁體轉動。整個控制系統可以分為無刷電機本體、逆變器和轉子位置檢測傳感器三部分，圖1為直流電機車控制系統框圖。直流無刷電機與同步電機相似，由定子(電樞繞組)、轉子、轉子位移傳感器等組成，轉矩由電樞電流產生的磁場與轉子的永磁體相互作用產生。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框圖

由于直流無刷電機構造的特殊性，其轉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，定子繞組電流控制是直流電機車變頻調速系統的重要依據。

2 直流電機車變頻控制系統硬件

直流電機車變頻控制系統硬件由上位機、DSP控制板和無刷直流電機及其驅動電路三部分組成，如圖2所示。虛線框內是以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據，對核心控制算法進行運算，發出電機控制信號。虛線框右側是無刷直流電機、功率驅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控制板發出控制信號，接收DSP控制板返回的狀態信號。

2.1 速度檢測電路

由于直流無刷電機體積限制，不便采用測速發電機進行速度采集，因此大多采用位置傳感器產生正比于轉速的脈沖信號，然后對脈沖信號進行濾波轉換成電壓信號，電壓信號的大小間接反映了轉速的大小，速度檢測電路原理圖如圖3所示。VS是一個正比于轉速的脈沖信號，經過單穩態觸發器處理后，輸出端Q產生一系列等高等寬的脈沖信號，經過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觸發器構成，不導通相端電壓與給定電壓做差，此差值經由放大器進行信號放大后，與零電壓進行比較，將比較結果經D觸發器輸出到光電隔離電路。本設計采用精密儀表放大器INA118，這款芯片能夠對微小信號進行放大，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，將串聯在主回路中的電阻電流經運算放大電路轉換為電壓信號，然后經光耦隔離、濾波和限幅等環節，送入模數轉換器?？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；模擬多路開關選擇ADG409，其信號選通接口SEL1、SEL2由DSP IO口控制，多路開關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 功率開關驅動電路

功率開關驅動電路是連接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生短路等故障時高壓串入控制電路、燒毀控制板等關鍵部件。本設計采用TLP2630對DSP的6路PWM信號進行隔離和緩沖。MOS管驅動電路一般采用集成的驅動器，IR公司的IR2130三相全橋驅動器是一款結構簡單、可靠性高的驅動器，且具有各項保護功能。

2.6 系統保護電路

當直流無刷電機出現各類故障時，如果沒有相應的保護電路，極易造成故障擴大，直接造成經濟損失，甚至產生人身傷害。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，以此保護開關管和電機。

3 直流電機車變頻控制系統軟件

直流電機車變頻控制系統軟件采用模塊化設計思想，將整個軟件劃分為初始化模塊、中斷模塊、雙閉環控制模塊等。各模塊程序結合硬件設計和中斷服務子程序進行設計。圖4為控制系統軟件主程序流程圖，程序開始后，首先進行系統初始化，然后關閉全局中斷，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，至此初始化工作結束，進入主循環等待中斷。

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，進行現場保護，然后讀取啟動時間表中計數值，計算轉子位置和轉速，計算完成后執行雙閉環控制算法，調整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場，然后檢測換相標志，從捕獲寄存器中讀取當前狀態，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 結束語

以DSP為核心的直流無刷變頻調速系統具有控制精度高、功耗低等特點，與以往采用單片機的控制系統相比，高速捕獲單元、脈寬調制模塊等功能大大提高了控制系統的性能。將變頻控制系統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定性和安全性，并且降低電能損耗，對煤礦企業的節能減排、安全生產具有現實意義。