矿用电机车变频调速系统的设计与实现

李谟发 张碧 邓鹏 周献

摘  要：交流传动系统从电气牵引特性、制动特性、能耗和维修保养等方面都优于直流传动系统。文章提出一种以DSP与FPGA作为主要硬件组成的矿用机车变频调速装置，给出了调速装置的整体设计方案与基于异步电机转子磁场定向的矢量控制算法，研制了一套变频调速装置，试验结果表明该调速装置的输出电量正弦度好，谐波含量小及较好的控制效果。

关键词：矢量控制;矿用电机车;变频器

中图分类号：TD64         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）36-0102-03

Abstract： Analysis of the electric driving and braking， energy consumption and maintenance， AC drive system has better performance compared to DC drive system. The author proposed a kind of variable frequency speed governing device used in mining locomotive which took DSP and FPGA as the main hardware composition， and presented its holistic design proposal and the algorithm based on rotor field-orientation vector control of the asynchronous motor， and developed a set of equipment with variable frequency and adjustable speed. Its testing results indicates the equipment has typically sine-shaped output， poor harmonic wave and better controlling effects.

Keywords： vector control; mining locomotive; variable frequency converter

引言

蓄电池与架线式电机车是煤矿、金属矿山和隧道工程中的重要运输工具，其可靠性和节能性在某种程度上对矿产资源的开发效率起着关键性的作用，对铁道与水利工程的建设速度也起到一定的促进作用。目前我国矿用电机车的牵引动力主要靠直流传动。由于直流电机造价高、可靠性低、换向器易损坏，维修周期长，而且启动、调速和制动均采用电阻直接控制，能耗大。面对我国煤炭、金属等工矿事业的高速发展，性能落后的直流传动技术已远远不能满足企业的发展。因此，将直流电机车调速系统改造为交流电机变频调速系统势在必行[1]。

1 系统整体设计

矿用机车结构框图如图1所示[2]，主要包括了电抗器箱，断路器箱，制动电阻箱，逆变模块，司机控制台，电压电流传感器，速度传感器，空压機装置。其中司机控制台中包含有机车控制电源与照明电源显示器，蓄电池，分压电阻与电压表，手轮调速器。蓄电池是给数字控制电源供电的，这就保证了运行与维护的方便。其中最关键的是控制单元的设计。本文以DSP与FPGA作为主控器件，基于电机转子磁场定向的控制算法，综合考虑矿用机车运行过程中的特殊条件，研制了一套架线式550V的矿用机车变频调速装置。

2 变频调速器的设计

2.1 系统主回路

根据系统实际需要，选用IGBT作为系统的功率变换单元，系统的主回路方案如图2所示[3]。

图中输入电源是直流550V，当系统的功率电路与直流电网接通时，若回路没有限制电流的元件，则合闸间电路中大的储能电容将电源短路，电路中有较大的浪涌电流。限制合闸浪涌电流的方法是在储能电容回路串入限流电阻R1。合闸瞬间将R1串入电容充电回路，充电完毕时，KM1闭合将R1短接。C1为充电电容，R2为放电电阻，当系统需要维修时起到了安全保护作用。RZ为制动电阻，当电机工作在再生制动等发电状态时，将产生大的回馈电压，此时通过程序在控制回路中输出一路信号将VT7接通，能量通过制动电阻RZ放掉。其中的二极管为IGBT自带的续流二极管。

2.2 控制器硬件设计

该控制系统是专为矿山机车所设计，由于矿山电磁环境十分恶劣，并考虑到以后系统升级需要，对硬件设计的基本要求是有强大的数学运算能力，外设资源丰富，可靠性高，抗干扰能力强[4]。

整个硬件结构框图如图3所示，控制器有DSP，FPGA，双口RAM，存储器和各种外围电路组成，外围电路主要包括电流检测电路，电压检测电路，过流检测电路，位置信号输入电路，IGBT驱动电路，显示电路和串口通信等。

通过检测电机的电流与速度，把采集到的速度信号送到DSP中专门用来处理脉冲信号的CAP中，采集的电流输入到FPGA中，经过逻辑处理后，由双口RAM传入到DSP中参与电流、速度的控制调节算法，经过转子磁场定向控制算法后，利用事件管理器实现SVPWM的输出，经过隔离驱动模块，控制主电路中的IGBT模块的通断，实现对电机的交流矢量交流调速，在正常运行时，通过DSP中的SCI输出电机的电压电流，速度等信号，并在参数与状态显示电路中可以观测到。同时可由FPGA检测到系统的逻辑故障，通过Data interrupt与XINT1之间的通信，可以封锁PWM的输出，来达到保护装置的目的，这些故障信号经SCI输出给MAXC232，在液晶显示电路上把故障显示出来，有便于维护保养。

DSP实现的功能包括：（1）控制程序算法;（2）利用事件管理器实现PWM控制;（3）系统故障保护;（4）网络通信。

FPGA实现的功能有[5]：（1）电量采样计算;（2）与DSP之间通过总线实现数据传输;（3）PWM反相及死区时间设定;（4）系统故障逻辑判断和故障显示及报警。

参数与状态显示接口电路：输出逆变器的工作状态数据，用于观测运行状况。

电源模块和DC/DC控制电源：将蓄电池组的高压直流电转化为控制需要用的24V，15V电源。

三相电流和电机转速检测电路：检测输出电流和电机速度。

PC接口电路：用于调速装置的调试与运行維护。

3 系统程序设计

控制装置以DSP为主控单元，所以着重介绍DSP的程序设计，其主程序主要由初始化程序、中断程序和功能模块程序组成。总体结构如图4所示。

初始化程序进行硬件及变量的初始化，对个寄存器赋初值，只在上电后执行一次，并使能中断;中断服务程序包括PWM 定时中断服务程序和故障保护中断服务程序两部分。PWM 定时中断服务程序流程如图5所示，主要包括电量采样和A/D转换、转速数据更新、d/q轴下电流的PI调节、坐标变换、磁链计算、实现SVPWM算法等功能;功能模块主要包括人机界面功能、通讯、故障诊断等系统所需的一些辅助功能。

4 实验结果分析

就研制好的调速控制装置，在一台变频电机上进行试验，电机空载运行。电机及相关参数为：额定功率11kW;额定电压380V;额定电流22.6A;额定频率50Hz;采样周期0.1ms;速度更新周期1ms。

图6为控制电路输出的两路互补带死区的PWM波形，容易看出此电路驱动模块输出的两路驱动信号的幅值为±15v，死区时间由微控制器产生。能够很好地实现对主开关器件的控制。

图7与图8为在试验平台上采集得到的调速装置输出试验波形，由于电流幅值比电压幅值小很多，上位机软件在设计时，对实时波形图中电流值与实际值比取为30：1，电压的值与实际值为1：1。从检测到的波形来看，电压、电流波形正弦度好，谐波失真小，获得了较为理想的效果，也证明了该调速装置程序设计的可行性。

5 结束语

硬件采取DSP与FPGA的协调控制策略，可以发挥各自的优点，实现电机车的高性能调速控制。控制系统中，控制电路采取模块化的设计，其中以开关量形式的输出信号均通过光耦隔离，保证了强弱电的隔离，提高了系统稳定性，能够满足电机车控制领域对系统高可靠性的要求。

软件部分采用基于转子磁场定向的矢量控制算法，软硬件结合实现了变频感应电机的全数字化控制。试验结果表明该调速装置的整体方案设计合理，控制效果理想。

参考文献：

[1]高银峰.矿用电机车采用交流变频调速拖动的必要性[J].科学咨询（科技·管理），2015（03）：37-38.

[2]蔡为民.基于DSP矢量控制的矿用电机车动力系统改进[D].安徽理工大学，2012.

[3]刘娜，宋慧，朱青青.矿用电机车牵引控制策略研究[J].煤矿机械，2015，36（06）：116-119.

[4]冯冬生，寇彦飞.基于STM32的矿用电机车速度控制系统设计[J].煤矿机电，2018（02）：48-50.

[5]杨晓慧，杨旭.FPGA系统设计与实例[M].人民邮电出版社，2010.