直流架线式矿用电机车变频调速控制系统的设计

栗忠魁， 阮 毅， 宗 剑， 陈名辉， 陈 佳

(1.上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072;

2.华中科技大学控制工程与科学系，湖北武汉 430074)

0 引言

矿用电机车采用直流电机驱动，因维护量大、维修费用高等问题面临技术改造;交流调速系统取代直流调速系统成为必然趋势［1］。

矿用电机车通常工作在比较恶劣的环境中［2-3］。供电系统稳定性差、轨道高低不平，致使供电很不稳定;机车需要频繁起动、制动、加速、减速，还要适应上、下坡和颠簸路况等情况。因此，在实际的工况中，要求电力机车的调速系统具有:带载能力强、起动转矩大、动态响应快，对瞬时断电、供电电压波动有很强的适应能力。针对上述要求，设计了基于无速度传感器的矿用电机车调速系统，试验证明该系统具有起动力矩大，鲁棒性好等优点。

1 矿用架线式电机车变频调速系统控制方案

1.1 异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统

异步电动机具有非线性、强耦合、多变量等性质，要获得良好的调速性能，必须从动态模型出发。矢量控制系统通过坐标变换和按转子磁链定向，可以将异步电动机动态模型等效为直流电动机模型，进而通过控制等效直流电动机来达到对异步电动机的控制［4］。

经过坐标变换得到异步电动机在任一旋转坐标系下的数学模型。

电压方程:

令dq坐标系与转子磁链矢量同步旋转，使d轴与转子磁链矢量重合，即为按转子磁链定向同步旋转坐标系mt。由于m轴与转子磁链矢量重合，则:

为保证m轴与转子磁链矢量始终重合，还应满足:

按转子磁链定向同步旋转坐标系mt中状态方程:

由式(6)可以得出:

ω——电机转速;

ω1——同步转速;

ωs——转差;

ψ——磁链;

np——极对数;

下标 r、s——转子、定子。

经过坐标变换和按转子磁链定向，三相异步电动机变成一台由ism和ist为输入，ω为输出的直流电动机。m绕组相当于直流电动机的励磁绕组，ism相当于励磁电流，t绕组相当于电枢绕组，ist相当于电枢电流。

1.2 无速度传感器

电机车工作环境复杂，机械振动、电磁干扰等会影响转速编码器的正常工作，给系统带来不稳定因素，因此采用无速度传感器进行转速估算。

根据式(6)，将 ω用 ω1－ωs代替，又由于Tr=Lr/Rr，可以得出:

化简得到:

式(12)表明，可以根据定、转子电感，励磁电流ism，转矩电流ist，转子磁链 ψr和转矩电流 ist的微分计算得到同步转速ω1。再结合式(10)可得到估算转速:

磁链角可以由同步转速得到:

无速度传感器结构图如图1所示，矢量控制系统总体结构如图2所示。

2 电机车调速系统组成

图1 转速估算结构图

图2 采用无速度传感器的转速闭环磁链开环矢量控制系统结构图

电机车的整个调速系统由司机室操作台、控制系统、电机驱动模块、异步电动机等组成，调速系统总体结构如图3所示。操作台上包括起动/停止、加速/减速控制手柄，加速/减速控制手柄同时提供刹车、前进、后退等控制信号，控制系统包括主控制器及各辅助模块。

图3 硬件总体结构图

控制系统软件主要由主程序和四个功能模块组成。主程序主要完成系统初始化，四个功能模块分别为脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)模块、故障处理模块、CAN通信模块、运行状态检测模块。软件流程图如图4所示。

图4中，“初始化”完成系统硬件配置、资源分配和部分共用变量声明;“运行状态检测”进行电机转速估算，电流、电压检测;“空间矢量脉宽调制(System Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)控制”完成矢量控制的核心功能，包括坐标变换、转速闭环控制、磁链角计算及PWM信号生成等;“CAN通信”根据用户PC机设定，向用户提供所需数据。

图4 控制系统结构框图

架线式电机车由交流电网整流提供直流电源，为保证供电不稳定情况下系统能够稳定运行，在直流母线上并联电容器和蓄电池。安装一个80线转速编码器对电机运行状态进行检测，以保证机车在上下坡、打滑、过载等情况下的安全和稳定。系统采用Microchip dsPIC30f6010A作为核心控制芯片，调速系统总体结构如图5所示。

3 试验

为验证方案的可行性，在3 kW异步电动机上进行试验，电机铭牌参数如下:fN=50 Hz、nN=1 400 r/min、UN=380 V、IN=6.9 A。

图6所示分别为给定转速在 ±800 r/min、±1 400 r/min范围内变化的实际转速与估算转速，由图可以看出，该系统所采用的无速度传感器能够准确跟随实际转速。

图7所示为上位机软件通过CAN通信得到电机起动和突加、突减负载时电机的运行情况。由图7可以看出，电机起动时由于转速较低，电流迅速上升到限幅，到达给定转速之后电流下降，突加、突减负载时，电机能够快速响应，电流能够很好地跟随负载的变化而变化。

另外，在22 kW电机上进行了试验，电机参数如下:fN=40 Hz、nN=590 r/min、UN=380 V、IN=49 A、Te=356 N·m。在堵转情况下，电机可以输出2倍额定的转矩，可以满足矿山电机车的需要。

图5 调速系统总体结构图

图6 不同给定转速下的实际转速和估算转速

图7 电机起动和突加、突减负载时电机的转速、电流波形

4 结语

采用无速度传感器和矢量控制算法，设计了一套直流架线式矿用电机车变频调速系统。在3 kW和22 kW电机上进行试验，无速度传感器估算准确，系统结构简单，鲁棒性好，动态响应快，可以大转矩、大电流工作，能够适应矿用电机车特殊的工作环境。

［1］王淑芳，杨智勇，席巍.矿用电机车调速控制系统研究［J］.金属矿山，2009(8):101-105.

［2］张毅，阮毅，张毅鸣，等.基于dsPIC6010的牵引型变频器控制系统设计［J］.电机与控制应用，2009(2):3-6.

［3］顾军，许青春.直接转矩控制在矿用电机车交流传动上的应用［J］.煤矿机械，2006(8):140-143.

［4］阮毅，陈维钧.运动控制系统［M］.北京:清华大学出版社，2006.

［5］Lee Z G，Jeong S K，You S S.Robust control against rotor resistance variation for speed sensorless induction motors［C］∥IEEE International Conference on Electric Machines and Drives，2005，15(1):444-449.

［6］杨霞.变频调速系统在矿用蓄电池电机车的应用研究［J］.煤矿机电，2008(3):13-15.

［7］姜孝华，金济，王湘，等.无速度传感器控制矿用电力机车牵引变频调速器［J］.电力电子技术，2006(3):83-85.