矿用电机车改进型转差频率控制系统

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（华北科技学院 信息与控制技术研究所，河北 廊坊 065201）

1 引言

矿用电机车按照牵引供电的方式不同可分为：架线电机车、蓄电池电瓶电机车；按照牵引力大小可分为：5 t，8 t，12 t，20 t，24 t等系列电机车；按照调速方式的不同可分为：直流牵引电机串电阻调速，直流牵引电机斩波调速，交流牵引电机变频调速。交流牵引电机车与直流牵引电机车相比较，具有体积小、重量轻，可靠性高、维护量小，无滑环和换相器，易于安全防爆等优点，同时交流变频调速具有明显的节能效果，耗能和发热量都明显减少。

电机车负载变化频繁，供电电源波动大，工作环境恶劣，启动力矩大，同时要能在50%的坡上停车，根据电机车的特点和应用的实际要求，采用交流变频调速方案，对矿用电机车的直流传动系统进行改造。兼顾技术先进性和工程实用性，采用SVPWM控制算法，研究具有重载转矩补偿的改进型转差频率控制的速度、电流的双闭环系统，有很好的实用意义。

2 改进型转差频率控制研究

矿用电机车速度、电流闭环控制系统的框图如图1所示。蓄电池或架空线提供直流电压，通过三相逆变器单元输出频率可调的交流电。电机车交流变频调速系统可分为主电路、控制系统、检测电路3个组成部分。其中主电路主要由蓄电池（也可以是架空线直流电压源）、充电回路、滤波支撑电容、三相逆变桥、三相交流异步牵引电机组成。控制系统主要由DSPIC6010A［1-2］单片机控制电路、光纤板及电源模块电路、驱动电路、液晶显示及给定操作模块组成。检测电路主要由电压传感器及检测模块、电流传感器及检测模块、温度传感器及检测模块、电机转速传感器及检测模块组成。

图1 系统控制框图Fig.1 The block diagram of control system

图2为改进型转差频率控制原理结构框图。

图2 改进型转差频率控制原理框图Fig.2 The block diagram of improved slip frequency control

从图2中可以看出，系统实现了转速、电流的双闭环控制系统，转速调节和电流调节均采用了PI调节器，实现了电流的快速调节和转速的无静差控制。对转差的控制直接实现了对电机力矩的控制，改进型的转差增量实现了对电机力矩的进一步补偿调节控制，从而进一步改善了系统的动态调节性能，弥补了传统的转差频率控制的缺点。

2.1 转差频率控制原理［3］

若系统的转差频率fs在很小的范围内，只要能够保持气隙磁通不变，电机的转矩就近似与fs成正比，通过控制fs即可间接控制电机的转矩。

2.2 控制系统、框图原理及特点

图2中，牵引电机速度由司机速度手柄给定，可调节电机车牵引电机M的转速，电动机速度外环采用PI调节器进行调节，司机速度手柄给定电动机的速度与电动机实际速度的差值作为速度PI调节器的输入，速度PI调节器的输出作为电动机的转差给定值即对应牵引力矩T的控制量，则电动机定子频率f11为

式中:fn为电机转子速度n折算后的转子频率，fn=pn/60。

按照事先依据牵引电机的特性所确定的V/f曲线，由f11可计算出电动机相电压幅值u110，作为逆变器输出电压的依据。

2.3 低频电压补偿

为了在低频时仍保持电机气隙磁通恒定，须对电机进行动态的电压补偿，而这是通过对电机电流的闭环控制来实现的。由电流PI调节器来控制电机定子电流，达到电流的需求值。

式中:fs为电机的转差频率；R′2为转子相电阻折算值；Lm为励磁电感；为转子相漏感折算值。

根据电流传感器检测到的电机任意两相（由于三相平衡，可只检测任意两相）的电流瞬时值，通过如下计算可得到实际电机电流有效值I1为

式中:Ia1，Ib1分别为电机电流两相瞬时值。

电流PI调节器的输出值作为电压动态补偿值ΔU11，所以补偿后定子电压的表达式为

2.4 PWM单元

控制的PWM［5］单元采用空间矢量脉宽调制（SVPWM）的控制算法。SVPWM能明显减少逆变器输出电流的谐波成份及电机的谐波损耗，降低脉动转矩，同时具有控制简单，数字化实现方便等优点。SVPWM单元根据输入直流侧电压Vdc，电机的定子频率f11，电机定子电压u11，调制出电机所需的电压和频率。SVPWM的算法实现如图3所示。

图3SVPWM算法框图Fig.3 The block diagram of SVPWM algorithm

2.5 软件实现

控制系统采用微芯单片机DSPIC30F6010A，它集DSP的信号高速处理能力和适用于电机控制的优化外围电路于一体，是专门为电机的数字化控制而设计的，系统的性价比高。利用单片机内部丰富的集成器件，可减少DSP外围所用元器件；它丰富的、功能强大的中断服务系统以及常用的I/O接口，使上述算法编程方便，大大简化了硬件电路。图4为实现控制策略的中断服务程序流程图。

图4 实现控制策略的中断服务程序流程图Fig.4 The flow chart of ISR to achieve control strategy

控制系统主要由4部分组成：1）由DSPIC6010A、外部数字量输入和速度采集等组成的DSP数字系统，它能完成各种数字计算，外部端子控制，电机车的启停、正反转、点动、多段速给定等功能；2）模拟接口电路，主要由电压和电流调理电路、温度调理电路、给定电机速度电路等组成。电压和电流采集主要是把强电转换为弱电信号，供DSP进行采样；3）IGBT驱动电路，它把DSP系统发出的SPWM信号转化为可以驱动IGBT的脉冲信号，同时当IGBT发生短路或过流故障时，向DSP系统反馈故障信号；4）液晶操作键盘，可以通过键盘设定各种参数，设定电机车控制系统的各种状态，查询历史故障记录等。

3 实验结果及结论

对上述改进型转差频率控制系统，在蓄电池矿用电机车上进行了成功的实现。系统主要参数为：蓄电池输出电压DC 180 V，牵引电机额定功率22 kW×2，额定电压 AC 130 V，额定电流127 A，电机极数4极。图5a为电机车电机空载启动时定子电流的波形，40 A/格，电机车4～5 s完成启动，达到稳定运行状态。可以看出，启动电流波形平稳。图5b为电机车带载运行时，定子电流和电压波形图，电流为127 A（测量所用电流探头变比为20∶1），电压幅值为180 V，电机车稳定运行。

图5 实验波形图Fig.5 Experimental waveforms

针对矿用牵引电机车，研究实现了改进型转差频率控制策略，成功开发了基于微芯单片机DSPIC30F6010A的矿用电机车转速、电流双闭环PI调节器控制系统。设计的控制系统硬件电路简洁，模块化强，参数设置灵活，动态性能好，可以推广应用于不同种类（牵引力、供电电压等级的不同）的矿用电机车上，具有较好的工程实用及应用推广价值。

［1］何礼高.dsPIC30F电机与电源系列数字信号控制器原理与应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

［2］刘和平.dspic通用数字信号控制器原理及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

［3］陈伯时.交流调速系统［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［4］Munoz-garcia A，Alipo T.A New Induction Motor V／f Control Method Capable of High-performance Regulation at Low Speeds ［J］.IEEE Trans.on Industry Applications， 1998， 34（4）：813－821.

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