【正文】 r control of mine electric lootive power system improvementCandidate:Cai WeiminSupervisor:Jin LinThe Engineering College of Electric and InformationAnHui University of Science and Technology, Shungeng Road, Huainan, 232001, 獨(dú) 創(chuàng) 性 聲 明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得 安徽理工大學(xué) 或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料。學(xué)位論文作者簽名：___________ 日期：____年__ 月__ 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解 安徽理工大學(xué) 有保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬于 安徽理工大學(xué) 。本人授權(quán) 安徽理工大學(xué) 可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。此種電機(jī)車一般采用蓄電池供電，驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)牽引車體，調(diào)速方法主要采用串電阻方式。這些問(wèn)題易造成安全隱患，影響正常的煤礦生產(chǎn)。改造為交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的核心工作是控制器的研制。通過(guò)選用TI公司專用電機(jī)控制芯片DSP2812不僅可以為方案提供可靠的硬件平臺(tái)，還可以更好的發(fā)揮系統(tǒng)性能。然后詳細(xì)介紹了總體改造方案及控制策略的選擇與實(shí)現(xiàn)方法。在仿真的結(jié)果滿足了系統(tǒng)的需要后，分別對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和實(shí)際的系統(tǒng)測(cè)試等方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。軟件部分著重說(shuō)明了速度采集原理與程序、電流采樣原理與程序、轉(zhuǎn)子磁鏈定向的原理及編程實(shí)現(xiàn)方法，以及SVPWM波產(chǎn)生的原理、程序?qū)崿F(xiàn)方法。全文最后，對(duì)本文所做的工作進(jìn)行了總結(jié)，通過(guò)總結(jié)指出了方案存在的不足及改進(jìn)方法，為以后的進(jìn)一步研究指出了方向。采用直流電動(dòng)機(jī)串電阻方式調(diào)速的煤礦電機(jī)車，存在效率低、難維護(hù)、更換配件頻繁等一系列問(wèn)題[1]。第一是啟動(dòng)電機(jī)車時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊；第二是由于接觸器觸頭經(jīng)常帶電切換，會(huì)燒壞觸頭和連片等；第三是在切換擋位的時(shí)候必須要逐級(jí)換擋，操控性能差。最重要的是這種操作方式?jīng)]有先進(jìn)的保護(hù)措施，容易照成事故隱患[2]。雜散電流指的是在煤礦井下交、直流供電系統(tǒng)中，由于種種原因，電流不按照規(guī)定的回路流回電源，而是流向了其他路徑，比如流入了導(dǎo)線外皮或者井下水管等產(chǎn)生的電流[3]。盡管有如此多缺點(diǎn)，但是井下電機(jī)車包括許多其他類型車輛，還一直采用直流電機(jī)調(diào)速方式，因?yàn)橐郧敖涣鳟惒诫姍C(jī)的調(diào)速性能一直沒(méi)有直流電機(jī)優(yōu)越，而且控制方法比較復(fù)雜不易實(shí)現(xiàn)。這種優(yōu)勢(shì)下，目前在全世界范圍內(nèi)，交流電機(jī)的使用范圍不斷擴(kuò)大，所占市場(chǎng)的份額逐年增加，其良好的表現(xiàn)已經(jīng)形成一種巨大的效應(yīng)，世界各國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展交流傳動(dòng)系統(tǒng)，德國(guó)在這方面走在了世界前列。 課題研究意義在煤礦的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)中，安全問(wèn)題一直以來(lái)是最為重要的問(wèn)題，被放在煤礦工作的首位，世界各國(guó)對(duì)煤礦安全不斷探索，力爭(zhēng)減少煤礦事故。預(yù)防安全事故的一項(xiàng)重要措施就是“物防”，所謂物防，就是將一切可能引起煤礦安全事故的設(shè)備進(jìn)行安全處理。從經(jīng)濟(jì)方面來(lái)說(shuō)，電機(jī)車的改造有兩方面的意義：第一，若是單純的重新購(gòu)買全新的采用交流異步電機(jī)牽引的電機(jī)車，無(wú)疑可以達(dá)到安全目的。第二，有：一臺(tái)7t38000KWh。另外，直流電動(dòng)機(jī)的電刷和換向器屬于易磨損器件，經(jīng)常更換增加了維修的成本[4]。另外它還具有系統(tǒng)響應(yīng)快、調(diào)速范圍廣、加減速性能好等特點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)都可以提高設(shè)備的使用效果，提升工作效率，創(chuàng)造生產(chǎn)價(jià)值。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀從上世紀(jì)的70年代起，電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，大功率開關(guān)器件不斷出現(xiàn)，交流調(diào)速實(shí)現(xiàn)的硬件條件已經(jīng)成熟。軟硬件都成熟的情況下，交流調(diào)速系統(tǒng)得以迅猛發(fā)展，目前已經(jīng)在許多領(lǐng)域內(nèi)取代了直流調(diào)速系統(tǒng)。地面上的電機(jī)車，屬于大型電機(jī)車，現(xiàn)在我國(guó)的情況是除了從國(guó)外進(jìn)口，國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠家很少，比較有名的是湘電集團(tuán)的大型電機(jī)車。電機(jī)車雖然按照功率和載重分了很多級(jí)別，但調(diào)速方式比較單一，使用的大多是電阻式啟動(dòng)，調(diào)速和制動(dòng)也用電阻完成。有部分較新的產(chǎn)品采用了電力電子器件進(jìn)行斬波，這樣做的好處是通過(guò)斬波控制電壓調(diào)速，減少電阻的使用，提高效率。對(duì)于礦山的主流電機(jī)車，即井下小電機(jī)車方面，由于其技術(shù)性不強(qiáng)，進(jìn)入的門檻相對(duì)較低，所以市場(chǎng)十分復(fù)雜，甚至許多工礦企業(yè)也加入到設(shè)計(jì)、制造的隊(duì)伍中來(lái)。在技術(shù)水平方面，具調(diào)查發(fā)現(xiàn)，使用三相異步電機(jī)調(diào)速的小電機(jī)車非常少，產(chǎn)品占有率不足2%，而且，雖然使用的是交流調(diào)速系統(tǒng)，但是使用的是比較落后的轉(zhuǎn)差等控制策略。地鐵牽引系統(tǒng)的主流已經(jīng)是交流調(diào)速的今天，由于種種原因，直流調(diào)速系統(tǒng)還在煤礦井下占據(jù)統(tǒng)治地位，即使生產(chǎn)廠家眾多，可是不管是煤礦企業(yè)、私營(yíng)企業(yè)還是專門的研究機(jī)構(gòu)，都還是無(wú)法改變這一落后局面。 課題研究目標(biāo)和創(chuàng)新點(diǎn)本課題的研究目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)基于DSP的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)，用來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有的電機(jī)車調(diào)速系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)方案主要完成以下功能：（1）設(shè)計(jì)出改造電機(jī)車動(dòng)力系統(tǒng)的總體方案及控制策略。（3）研究出基于DSP的高性能的交流調(diào)速控制器。（4）對(duì)控制器進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，分析測(cè)試結(jié)果。在電路板的保護(hù)措施中，對(duì)溫度保護(hù)做了改進(jìn)。（3）SVPWM波實(shí)現(xiàn)程序中采用了直接區(qū)間判斷，可以不用計(jì)算實(shí)際的電壓矢量區(qū)間，簡(jiǎn)化了程序，節(jié)省了系統(tǒng)資源。 論文章節(jié)安排論文正文部分共分7章，按照章節(jié)次序，具體內(nèi)容安排如下：第1章 緒論：分析了井下電機(jī)車改進(jìn)的應(yīng)用背景，指出了研究本課題的意義和必要性，最后還說(shuō)明了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在電機(jī)車改進(jìn)方面研究的現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上，給出了本設(shè)計(jì)的研究目標(biāo)及創(chuàng)新點(diǎn)。第3章 控制策略的仿真分析：首先對(duì)MATLAB做了簡(jiǎn)要的介紹，然后對(duì)所選用的控制策略進(jìn)行仿真分析，對(duì)方案的可行性做評(píng)估，預(yù)測(cè)可以達(dá)到的效果。故此章包括：硬件控制芯片DSP2812的功能、特點(diǎn)，DSP2812工作電路、電壓、電流采集電路、速度測(cè)量電路、CAN總線通信電路、PWM波輸出部分的電路等設(shè)計(jì)。然后詳細(xì)給出電流采集程序、速度測(cè)試程序、矢量變換和角度計(jì)算實(shí)現(xiàn)的方法，以及SVPWM波的軟件實(shí)現(xiàn)方法。第7章 總結(jié)與展望：，展望。井下電機(jī)車總體來(lái)說(shuō)由機(jī)械和電氣兩大部分組成。司機(jī)控制室裝備有電機(jī)車控制臺(tái)。而且在控制臺(tái)上還設(shè)有車體監(jiān)控儀表等。行走部件是指電機(jī)車的輪對(duì)、軸承箱還包括減速器。車體主要由前后端板和中隔板焊接而成，再加上左右兩側(cè)的側(cè)板即可組成一個(gè)箱型結(jié)構(gòu)。安裝電動(dòng)機(jī)與減速器需要使用法蘭端面連接。電機(jī)車的撒砂裝置在車體兩側(cè)各有一個(gè)。砂箱的設(shè)計(jì)采用搖擺落砂的原理，當(dāng)電機(jī)車開動(dòng)時(shí)會(huì)自動(dòng)落砂，確保電機(jī)車在改變運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候有足夠的黏著系數(shù)，保證安全。它們各自在不同情況下使用，一般的使用液壓制動(dòng)作為正常制動(dòng)，而手制動(dòng)是為了防止溜車，電制動(dòng)主要用來(lái)限速。電機(jī)車上的蓄電池都是經(jīng)過(guò)特別處理的防爆特殊型蓄電池。直流電動(dòng)機(jī)未改造前的調(diào)速裝置是由凸輪和電阻等組成。 總體改造方案由以上對(duì)電機(jī)車的組成部分介紹，在改造時(shí)，機(jī)械部分司機(jī)室里面的調(diào)速、換向控制臺(tái)，需要換成交流電機(jī)的控制臺(tái)，其他方面無(wú)需太大的改動(dòng)。由于選用三相異步交流電機(jī)調(diào)速不需要電阻箱，所以電阻箱可以拆除，輔助的照明、油泵電機(jī)控制、電氣制動(dòng)、蓄電池電壓監(jiān)視、瓦斯報(bào)警等都要保留。圖1 車體改造連接示意圖Fig1 The body modification connection diagram由圖1可以看出，改造最重要的部分是控制器，控制器的改造也是難點(diǎn)?？刂品桨高x擇好以后，其他的部分如蓄電池和電機(jī)才能確定。電動(dòng)機(jī)的選擇也非常重要。然后就是功率和轉(zhuǎn)速方面也要滿足要求。蓄電池的選擇前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，必須要配合已經(jīng)選好的電機(jī)來(lái)選購(gòu)，如果電機(jī)銘牌上面的額定電壓為34V，即線電壓的最大有效值為34V，峰值就為48V，選擇蓄電池的時(shí)候就應(yīng)該對(duì)應(yīng)不同的控制方式選擇所需要的電池電壓。在控制面板的選擇上，可以維持當(dāng)前的面板不變，也可以根據(jù)控制器的功能設(shè)定自己定制控制面板，一般包括油門、剎車、反向、緊急反向、緊急斷電等按鈕。以上分析了電機(jī)車的機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)改造的要點(diǎn)和一些所需要注意的地方。要做到這些，必須要選擇一個(gè)比較好的控制策略?？傮w來(lái)說(shuō)，三相異步電機(jī)調(diào)速方式已經(jīng)從以前的串電阻、變極調(diào)速等發(fā)展到現(xiàn)在普遍使用的變壓變頻調(diào)速，變頻調(diào)速原理如下[7]：異步電機(jī)轉(zhuǎn)速公式： (21)式中：n—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)/分（RPM）；p—電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；f—電源頻率，單位為赫茲；s—轉(zhuǎn)差率。其中，經(jīng)過(guò)分析試驗(yàn)，確定了采用改變頻率的方式來(lái)調(diào)速效果最好，即通常所說(shuō)的變頻調(diào)速。這樣可以保證磁鏈基本不變，它是一種基本的控制方式。電機(jī)工作在額定條件的情況下時(shí)，忽略定子電阻和漏阻抗，則電機(jī)的端電壓大小約等于感應(yīng)電勢(shì)。此時(shí)，根據(jù)三相異步電機(jī)特性，電壓不做出改變的情況下電機(jī)的磁鏈會(huì)發(fā)生欠勵(lì)磁或者過(guò)勵(lì)磁，前者會(huì)影響電機(jī)的特性，后者會(huì)照成能量浪費(fèi)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使電機(jī)發(fā)熱燒壞電機(jī)。保持比值恒定以后，就可以大致保證磁鏈的恒定，但是在低速時(shí)存在一些問(wèn)題，因?yàn)檫@種方法的使用前提是忽略定子電阻的影響，低速時(shí)定子電阻的影響較大，V/f控制效果變差。此方法的優(yōu)點(diǎn)是可以速度開環(huán)控制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方便，無(wú)需速度反饋。式(23)是異步電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩： (23)式中：—電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；—定子相電壓；—定子電抗；—轉(zhuǎn)子電抗；—定子電阻；—轉(zhuǎn)子電阻。公式可以簡(jiǎn)化成式(24)形式： (24)根據(jù)公式(24)，當(dāng)電機(jī)的頻率一定的時(shí)候，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差成正比。這種控制方法的控制性能雖然比較優(yōu)秀，但是由于其原理上的缺陷，控制規(guī)律是在假設(shè)的基礎(chǔ)上得到，而且在公式的推導(dǎo)中忽略了很多因素，照成了實(shí)際的結(jié)果和理論上可以達(dá)到的水平有差距，系統(tǒng)在穩(wěn)定性以及響應(yīng)水平方面不夠好，只能應(yīng)用于一些要求不是太高的場(chǎng)合[10]。3． 矢量控制上世紀(jì)70年代西德F．Blaschke等人提出了矢量控制(FOC)理論，為電機(jī)控制領(lǐng)域提供了利用直流電機(jī)等效交流電機(jī)的模型[11]。矢量控制國(guó)外也叫磁場(chǎng)定向控制，其實(shí)質(zhì)是在控制三相交流電的電壓和頻率大小基礎(chǔ)上，加上了相位控制，相位的加入實(shí)際上是在計(jì)算的時(shí)候加上了一個(gè)角度計(jì)算，即電機(jī)定子電流相對(duì)于轉(zhuǎn)子的位置角。這樣理論上可以使同樣的電流下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最優(yōu)，使負(fù)載變化照成的影響降到最小。這種方法由于控制性能優(yōu)越，目前廣泛應(yīng)用于三相異步電機(jī)的控制中，特別是在汽車控制領(lǐng)域。直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)點(diǎn)在于不需要解耦，因?yàn)榻怦钚枰拇罅康挠?jì)算機(jī)資源。直接轉(zhuǎn)矩控制在轉(zhuǎn)矩響應(yīng)方面優(yōu)于任何一種異步電機(jī)控制效果，在負(fù)載或者速度變化時(shí)可以快速響應(yīng)，但是由于響應(yīng)過(guò)快易照成過(guò)大的沖擊電流而損壞功率開關(guān)管，因此實(shí)際的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)要受到這方面的限制[14]。1． 恒壓頻比控制的缺點(diǎn)顯而易見，低速時(shí)候帶載能力較差，應(yīng)用上受到限制。3． 矢量控制可以使三相異步電機(jī)發(fā)揮較好的性能，甚至可以與直流調(diào)速相媲美，缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，但仍然是全世界范圍內(nèi)異步電機(jī)調(diào)速的主流。 矢量控制整體實(shí)現(xiàn)方案矢量控制的公式來(lái)源于電機(jī)模型，由電機(jī)模型得到電壓、轉(zhuǎn)矩、磁鏈等基本方程后，再通過(guò)一系列的坐標(biāo)變換來(lái)得到最終的公式。第二。第四。圖2 三相異步電動(dòng)機(jī)物理模型Fig2 Threephase asynchronous motor physical model根據(jù)電機(jī)模型，再由電氣原理可以得到基本的電機(jī)公式，詳細(xì)公式可以參考電機(jī)控制類書籍。換的。功率不變。這樣可以得到一個(gè)各相差120度的坐標(biāo)系，在這個(gè)坐標(biāo)系上，以其中一相為橫軸（A軸），以其逆時(shí)針90度做一條縱軸，就可以得到一個(gè)兩相靜止坐標(biāo)系，如圖3所示。根據(jù)圖中坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以找到它們之間相互轉(zhuǎn)化的公式。有了（29）到（211）幾個(gè)公式以后，現(xiàn)在如果假定兩相坐標(biāo)系以同步角速度旋轉(zhuǎn)，則它在D、Q坐標(biāo)軸上的磁鏈分量為直流。在此假定條件下以下公式成立： (212)帶入下面的磁鏈方程： (213)可以得到下面的兩個(gè)轉(zhuǎn)子電流公式： (214) (215)根據(jù)鼠籠電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子短路的特點(diǎn)，可以得到urd=urq=0,并且用M/T坐標(biāo)代替dq坐標(biāo)系可以得到： (216) (217)由公式(216)可以看出，磁鏈的決定因素只有勵(lì)磁電流。又由(217)可以知道，只要?jiǎng)?lì)磁是恒定值，轉(zhuǎn)差角頻率就可以由轉(zhuǎn)矩電流控制。圖5 矢量控制結(jié)構(gòu)圖Fig5 Vector control structure由圖5所示，矢量控制的具體流程如下：1． 由光電編碼器和霍爾電流傳感器分別將速度信號(hào)與定子電流值送入DSP2812。3． 光電編碼器的脈沖輸入到DSP2812的QEP模塊中，計(jì)算出當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。θ用于下次的Clark反變換中。6． 由額定勵(lì)磁與計(jì)算出的勵(lì)磁電流比較，并且通過(guò)PI調(diào)節(jié)，得到最后的勵(lì)磁輸出電壓Vd。8． 由三相輸出電壓再通過(guò)SVPWM計(jì)算程序，計(jì)算出PWM波的頻率值，然后通過(guò)IR2104S輸出，產(chǎn)生出正確的三相正弦波形。模糊PID控制器是指