礦用無刷直流電機控制技術(shù)研究

馮立國

【摘要】 為了提高煤礦無刷直流電機控制系統(tǒng)的可靠性，在分析煤礦無刷直流電機控制方式的基礎上，設計一種基于IPM的礦用無刷直流電機控制系統(tǒng)。提出控制系統(tǒng)的整體設計方案，并對功率驅(qū)動電路、電流檢測電路、位置和轉(zhuǎn)速檢測進行詳細設計。同時，設計聲光報警電路，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

【關(guān)鍵詞】 煤礦 IPM 直流電機 控制技術(shù)

直流電機以其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、轉(zhuǎn)矩特性好等優(yōu)異的特性獲得廣泛應用。但傳統(tǒng)直流電機需要電刷換相，換相容易對其他設備或電路產(chǎn)生電磁干擾、可靠性低，并且需要經(jīng)常維護，嚴重影響了直流電機的進一步應用。

隨著永磁材料、自動控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流電機獲得空前發(fā)展，一種電子換相的無刷直流電機應運而生。無刷直流電機不僅具有傳統(tǒng)直流電機良好的動、靜態(tài)調(diào)速特性，且易于控制、運行可靠，在航空航天、醫(yī)療和家電等領(lǐng)域迅速發(fā)展。

電子換相器取代機械換相器，避免了換相過程機械摩擦所產(chǎn)生的花火，提高了安全性能，為其在煤礦領(lǐng)域的應用奠定基礎。

一、控制方式選擇

按照礦用無刷直流電機主回路控制方式的不同分為三相半控和三相全控兩種，三相半控方式驅(qū)動電路由三個功率開關(guān)管并聯(lián)組成，電路結(jié)構(gòu)簡單，但每個周期電機繞組只有1/3的時間通電，另外2/3時間則不通電，繞組的利用率低；三相全控方式的驅(qū)動電路由功率開關(guān)管兩兩串組成三個橋臂，然后三橋臂相互并聯(lián)組成橋式驅(qū)動電路，電機在工作的過程中至少有兩相繞組同時通電，繞組利用效率高，所以控制系統(tǒng)采用三相全控方式進行控制。

二、控制系統(tǒng)整體設計

礦用無刷直流電機控制系統(tǒng)由DSP、整流電路、隔離驅(qū)動電路、IPM、電壓檢測電路、電流檢測電路、位置和速度檢測電路及控制面板組成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示?？刂泼姘逵糜诳刂泼畹妮斎耄▎?、停止和參數(shù)設置。DSP根據(jù)位置檢測電路反饋的電機轉(zhuǎn)子信息，控制PWM信號輸出引腳發(fā)送驅(qū)動信號經(jīng)過隔離驅(qū)動電路到IPM模塊的控制端，IPM模塊不同橋臂的功率器件導通控制無刷直流電機轉(zhuǎn)子線圈的通電順序，驅(qū)動無刷直流電機持續(xù)旋轉(zhuǎn)。

三、 硬件電路設計

3.1 功率驅(qū)動電路設計

為了簡化外圍電路，選用DIP-IPM智能功率模塊PS21865為核心設計外圍電路。PS21865內(nèi)置三相交流輸出的IGBT逆變器，采用+15V電源供電，不需要光耦隔離可以直接與單片機或DSP的PWM信號輸出端口進行耦合，從而省去6套隔離電路。

PS21865智能功率模塊最大電流20A，最高阻斷電壓600V，最大載波平率20kHz。PS21865模塊自身帶有過壓、過載和過流等故障的保護功能，能夠?qū)崟r檢測母線電壓、電流等信息，當發(fā)生故障時可以封鎖控制信號的輸出，IPM典型接線電路如圖2所示。

同時將故障信息反饋給處理器為了防止操作過電壓對功率模塊的損壞，采用吸收電容連接在功率模塊的直流母線正、負極。

3.2位置和速度檢測

礦用無刷直流電機控制系統(tǒng)根據(jù)電機轉(zhuǎn)子位置進行換相，采用三個互成120°的霍爾傳感器檢測電機轉(zhuǎn)子磁場變化來判斷電機轉(zhuǎn)子位置，在電機旋轉(zhuǎn)時霍爾傳感器輸出高低電平，不同的高低電平對應相應的換向時刻。DSP通過檢測霍爾傳感器輸出信號，判斷電樞繞組的通電方式，發(fā)送驅(qū)動信號控制IPM的通斷，進而實現(xiàn)礦用無刷直流電機的正確換相。在每個機械周期內(nèi)有六次換相，測量每次換相的時間間隔，就可以計算出電機運行速度。

3.3 電流檢測

電流檢測由霍爾電流傳感器、運算放大器和DSP內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器組成，運算放大器用于放大電流信號。由于礦用直流電機三相繞組的電流代數(shù)和為零，即IU+IV+IW=0，所以只要測量任意兩相電流值就可以計算出另外一相電流。根據(jù)控制對象電流值，選用的是SCK15型非接觸式霍爾電流傳感器對電流量進行測量，傳感器采用DC±12-15V供電，輸出信號為±4V的電壓信號。

3.4 聲光報警電路

聲光報警電路是將發(fā)光二極管和蜂鳴器相結(jié)合，在系統(tǒng)故障時能夠發(fā)出光和聲音兩種警示的電路，如圖3所示。圖3中P1.0和P1.1是DSP的數(shù)字信號輸出端口，當P1.0端口輸出低電平時，發(fā)光二極管D1導通，同時發(fā)出紅色的警示；當P1.0端口輸出高電平時，驅(qū)動三極管Q導通，蜂鳴器中有電流流過，發(fā)出聲音警示。

四、結(jié)論

結(jié)合煤礦無刷直流電機繞組的控制方式，利用先進的數(shù)字信號處理器（DSP）和智能IPM模塊設計煤礦無刷直流電機控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)能夠根據(jù)設備運行要求驅(qū)動電機動作，具有控制精度高、穩(wěn)定性好及安全性強等優(yōu)點。

參 考 文 獻

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