基于SRM的新型矿用蓄电池机车调速系统设计

解佳辉

摘 要：根据煤矿井下辅助运输的要求，设计出基于四相8/6极开关磁阻电机（SRM）的新型矿用蓄电池机车调速系统。给出了满足要求的硬件电路，采用电流内环、转速外环的双闭环控制对电机进行调速。研究结果说明，该系统拥有优越的动态追随性和很好的控制精度。新型电池机车在煤矿井下协助输送方面拥有很好的应用前景。

关键词：矿用蓄电池机车；开关磁阻电机；调速

中图分类号：TM352 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）21-0038-02

一般来讲，矿用电池机车承担输送地下物品，是地下附属输送的关键组成部分。调速的机能直接影响井的安全出产。目前大多数地下煤机车都使用直流电动机，并且驾驶员通过方向盘调整串联绕组的电阻值来操纵电动车辆的运转状况。出于电动机的主电路电流流过调速电阻，因此在调速电阻上耗损了大量功率，导致能量的效率下降。基本上来讲，在地下煤矿的恶劣做事处境中，加上直流电机本身的构造缘故，给保卫现场带来了很大的障碍。一般来讲，开关磁阻电机（SRM）拥有构造方便，坚固耐用，运行稳当，操纵灵敏，调速功能优良，基本免保护等长处[1-2]，只要操纵的好，它还可以用于电池机车。

1 SRM的工作原理

SRM的转子和定子是双凸的，它们的工作原理是根据最小磁阻原理。磁通量始终在磁阻最小的路径上关闭。如图1所示。

图1是一台8/6极SRM的工作原理结构图。一般来讲，当开关S1、S2关闭时，A相绕组通电（这时其他都不导通），形成的磁力使转子极轴11`朝向定子极轴AA`移动直到这两条线完全匹配时，A相绕组电感是最大值。以这种方式相位依次接通，并且电动机的转子沿向前方向旋转；以这种方式顺序接通各相的转子的反转。SRM的正向和反向操纵仅需要操纵相位接通的次序，并且可以看出，电磁力的形成与电流的大小相关，而与其方向没有关系。

2 SRM调速系统硬件设计

2.1 主控模块

电机主控芯片采取TMS320F28335型芯片，采用30MHz外接晶体振荡器。与传统的2818和2407速度相比，150MHz的内部倍频因子得到了极大的改善，并且可以满足电动机操纵条件的种种要求。它具有专用的PWM接口，相应的寄存器可以设置为形成用于操纵电源转换电路的开关信号。该芯片具有12位高速AD模块，可设置采集频率，采集结束后，DMA直接触发并直接传输到指定的保存空间，无需CPU干预，大大降低了CPU的浪费。另外，它具有很好的通信接口和GPIO端口，可以灵便设置。

2.2 功率变换模块

一般来讲，电机功率转换模块的拓扑构造是非对称半桥组织，主电路组织图如图2所示。

单相绕组由两个开关管K1、K2操纵，开每个开关管与续流二极管D1、D2串联连接，并且功率直接施加在绕组上。在相繞组导通时，K1常开，K2仰制绕组，当绕组断开时，K1和K2同时关断，绕组D1和D2的电流流向电源，达成能量回归。在30KW的SRM和直流电源140V的情况下，主开关管被选为三菱CM300DY-24A型开关管，可以承担300A的电流，并且可以满足要求。用于开关管的驱动芯片也用于M57962L-01R专用驱动芯片。工作频率为20KHz，光耦合器隔离在高压和低压部件之间。双电源可确保开关管的稳当切换，集成内部快捷键和流量保护电路可以形成错误信号，输入端子为TTL电平，操纵简单。

2.3 电流检测模块

基本上来讲，孔集电极霍尔传感器MLX91205用于检测每相电流，与传统的霍尔传感器相比，实现了高精度，稳定的机能和高速响应，并且具有高精度，合适电机操纵所需的时间。目前，传感器通常用于各式各样的规模，并且为了获得良好的结果，将传感器安放在导线上方的合适距离处，使得传感器可以感测电流值。

2.4 转子位置检测模块

该系统中使用的增量式光电编码器主要包含固定在SRM驱动轴上的编码盘和槽检测器。编码器有三个输出A，B和Z，通过三相输出的差异得到电动机转子地点信息。图3显示了电机转子的位置代码。

当电机正向转动时，代码阵列为 ；而当电机反向旋转时编码信号的输出顺序为 。计算得出电机转子的地点和速度以及编码器盘的陷波分布。在该系统设计中，光电编码器的三相输出信号经滤波后送至DS3486实行调整，然后将信号作为差分信号发送至DSP的捕获单元引脚，以此可以提升转子地点检测的精度。

3 SRM调速系统软件设计

由于该系统的使用要求，从而设计了电流环和速度双闭环控制系统，其中电流环是内环，速度环是外环。

给定速度后，控制器依照编码器输出的信号计算目前转子角度和电机速度，将其与实际速度进行比较，最后计算系统的转矩分配到此时值并将其输出到目前电流[3]。在电流环路中，将系统的预期电流值与采样电流值进行比较，依照获得的成绩操纵PWM输出，最后实现电机的实时操纵。出于电动机需要大的运行转矩，因此在运行完成后基本上保持恒定的转矩，并且在电动机的低速下使用电流斩波器控制[4]；电压斩波控制用于高速。

4 实验结果

在该实验中，对电机车的运行电流和高速平滑电流进行采样，并且电流波形如图4所示。

该系统选用防爆4相8/6极SRM，额定输出功率30KW，额定转速1500r·min-1，140V直流电源。当电动机启动时，电流被切断以限制绕组电流并且绕组被连接。大电流可以实现大的启动转矩。从图4中可以看出，高速运转的电动机的电流值小于电动机启动时的电流值。此时，还可以看到电机负载扰动的动态响应很快。

5 结语

本文研究了一种基于SRM的新型矿用电池机车的硬件和软件设计。电池机车可以为SRM供应直流电源，简化了系统的电源设计。系统硬件构造设计简便稳当，合适的采用控制策略。研究结果证明，该系统具有优越的动态跟随性和较高的控制精度。新型电池机车在煤矿井下协助输送方面具有很好的应用前景。

参考文献

[1]吴红星.开关磁阻电机系统理论与控制技术[M].北京：中国电力出版社，2010.

[2]吴建华.开关磁阻电机设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2000.

[3]杨岳峰，张奕黄，王素杰.用于电动车辆的SRM起动性能研究[J].北京交通大学学报，2007，（5）：114-116.

[4]孙艳霞.基于DSP的开关磁阻电机调速系统控制器设计[J].大连交通大学学报，2008，（12）：70-76.