基于SRM的新型礦用蓄電池機車調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

解佳輝

摘 要：根據(jù)煤礦井下輔助運輸?shù)囊螅O(shè)計出基于四相8/6極開關(guān)磁阻電機（SRM）的新型礦用蓄電池機車調(diào)速系統(tǒng)。給出了滿足要求的硬件電路，采用電流內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)速外環(huán)的雙閉環(huán)控制對電機進行調(diào)速。研究結(jié)果說明，該系統(tǒng)擁有優(yōu)越的動態(tài)追隨性和很好的控制精度。新型電池機車在煤礦井下協(xié)助輸送方面擁有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：礦用蓄電池機車；開關(guān)磁阻電機；調(diào)速

中圖分類號：TM352 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）21-0038-02

一般來講，礦用電池機車承擔(dān)輸送地下物品，是地下附屬輸送的關(guān)鍵組成部分。調(diào)速的機能直接影響井的安全出產(chǎn)。目前大多數(shù)地下煤機車都使用直流電動機，并且駕駛員通過方向盤調(diào)整串聯(lián)繞組的電阻值來操縱電動車輛的運轉(zhuǎn)狀況。出于電動機的主電路電流流過調(diào)速電阻，因此在調(diào)速電阻上耗損了大量功率，導(dǎo)致能量的效率下降。基本上來講，在地下煤礦的惡劣做事處境中，加上直流電機本身的構(gòu)造緣故，給保衛(wèi)現(xiàn)場帶來了很大的障礙。一般來講，開關(guān)磁阻電機（SRM）擁有構(gòu)造方便，堅固耐用，運行穩(wěn)當(dāng)，操縱靈敏，調(diào)速功能優(yōu)良，基本免保護等長處[1-2]，只要操縱的好，它還可以用于電池機車。

1 SRM的工作原理

SRM的轉(zhuǎn)子和定子是雙凸的，它們的工作原理是根據(jù)最小磁阻原理。磁通量始終在磁阻最小的路徑上關(guān)閉。如圖1所示。

圖1是一臺8/6極SRM的工作原理結(jié)構(gòu)圖。一般來講，當(dāng)開關(guān)S1、S2關(guān)閉時，A相繞組通電（這時其他都不導(dǎo)通），形成的磁力使轉(zhuǎn)子極軸11`朝向定子極軸AA`移動直到這兩條線完全匹配時，A相繞組電感是最大值。以這種方式相位依次接通，并且電動機的轉(zhuǎn)子沿向前方向旋轉(zhuǎn)；以這種方式順序接通各相的轉(zhuǎn)子的反轉(zhuǎn)。SRM的正向和反向操縱僅需要操縱相位接通的次序，并且可以看出，電磁力的形成與電流的大小相關(guān)，而與其方向沒有關(guān)系。

2 SRM調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控模塊

電機主控芯片采取TMS320F28335型芯片，采用30MHz外接晶體振蕩器。與傳統(tǒng)的2818和2407速度相比，150MHz的內(nèi)部倍頻因子得到了極大的改善，并且可以滿足電動機操縱條件的種種要求。它具有專用的PWM接口，相應(yīng)的寄存器可以設(shè)置為形成用于操縱電源轉(zhuǎn)換電路的開關(guān)信號。該芯片具有12位高速AD模塊，可設(shè)置采集頻率，采集結(jié)束后，DMA直接觸發(fā)并直接傳輸?shù)街付ǖ谋４婵臻g，無需CPU干預(yù)，大大降低了CPU的浪費。另外，它具有很好的通信接口和GPIO端口，可以靈便設(shè)置。

2.2 功率變換模塊

一般來講，電機功率轉(zhuǎn)換模塊的拓?fù)錁?gòu)造是非對稱半橋組織，主電路組織圖如圖2所示。

單相繞組由兩個開關(guān)管K1、K2操縱，開每個開關(guān)管與續(xù)流二極管D1、D2串聯(lián)連接，并且功率直接施加在繞組上。在相繞組導(dǎo)通時，K1常開，K2仰制繞組，當(dāng)繞組斷開時，K1和K2同時關(guān)斷，繞組D1和D2的電流流向電源，達成能量回歸。在30KW的SRM和直流電源140V的情況下，主開關(guān)管被選為三菱CM300DY-24A型開關(guān)管，可以承擔(dān)300A的電流，并且可以滿足要求。用于開關(guān)管的驅(qū)動芯片也用于M57962L-01R專用驅(qū)動芯片。工作頻率為20KHz，光耦合器隔離在高壓和低壓部件之間。雙電源可確保開關(guān)管的穩(wěn)當(dāng)切換，集成內(nèi)部快捷鍵和流量保護電路可以形成錯誤信號，輸入端子為TTL電平，操縱簡單。

2.3 電流檢測模塊

基本上來講，孔集電極霍爾傳感器MLX91205用于檢測每相電流，與傳統(tǒng)的霍爾傳感器相比，實現(xiàn)了高精度，穩(wěn)定的機能和高速響應(yīng)，并且具有高精度，合適電機操縱所需的時間。目前，傳感器通常用于各式各樣的規(guī)模，并且為了獲得良好的結(jié)果，將傳感器安放在導(dǎo)線上方的合適距離處，使得傳感器可以感測電流值。

2.4 轉(zhuǎn)子位置檢測模塊

該系統(tǒng)中使用的增量式光電編碼器主要包含固定在SRM驅(qū)動軸上的編碼盤和槽檢測器。編碼器有三個輸出A，B和Z，通過三相輸出的差異得到電動機轉(zhuǎn)子地點信息。圖3顯示了電機轉(zhuǎn)子的位置代碼。

當(dāng)電機正向轉(zhuǎn)動時，代碼陣列為 ；而當(dāng)電機反向旋轉(zhuǎn)時編碼信號的輸出順序為 。計算得出電機轉(zhuǎn)子的地點和速度以及編碼器盤的陷波分布。在該系統(tǒng)設(shè)計中，光電編碼器的三相輸出信號經(jīng)濾波后送至DS3486實行調(diào)整，然后將信號作為差分信號發(fā)送至DSP的捕獲單元引腳，以此可以提升轉(zhuǎn)子地點檢測的精度。

3 SRM調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于該系統(tǒng)的使用要求，從而設(shè)計了電流環(huán)和速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，速度環(huán)是外環(huán)。

給定速度后，控制器依照編碼器輸出的信號計算目前轉(zhuǎn)子角度和電機速度，將其與實際速度進行比較，最后計算系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩分配到此時值并將其輸出到目前電流[3]。在電流環(huán)路中，將系統(tǒng)的預(yù)期電流值與采樣電流值進行比較，依照獲得的成績操縱PWM輸出，最后實現(xiàn)電機的實時操縱。出于電動機需要大的運行轉(zhuǎn)矩，因此在運行完成后基本上保持恒定的轉(zhuǎn)矩，并且在電動機的低速下使用電流斬波器控制[4]；電壓斬波控制用于高速。

4 實驗結(jié)果

在該實驗中，對電機車的運行電流和高速平滑電流進行采樣，并且電流波形如圖4所示。

該系統(tǒng)選用防爆4相8/6極SRM，額定輸出功率30KW，額定轉(zhuǎn)速1500r·min-1，140V直流電源。當(dāng)電動機啟動時，電流被切斷以限制繞組電流并且繞組被連接。大電流可以實現(xiàn)大的啟動轉(zhuǎn)矩。從圖4中可以看出，高速運轉(zhuǎn)的電動機的電流值小于電動機啟動時的電流值。此時，還可以看到電機負(fù)載擾動的動態(tài)響應(yīng)很快。

5 結(jié)語

本文研究了一種基于SRM的新型礦用電池機車的硬件和軟件設(shè)計。電池機車可以為SRM供應(yīng)直流電源，簡化了系統(tǒng)的電源設(shè)計。系統(tǒng)硬件構(gòu)造設(shè)計簡便穩(wěn)當(dāng)，合適的采用控制策略。研究結(jié)果證明，該系統(tǒng)具有優(yōu)越的動態(tài)跟隨性和較高的控制精度。新型電池機車在煤礦井下協(xié)助輸送方面具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1]吳紅星.開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)理論與控制技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]吳建華.開關(guān)磁阻電機設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[3]楊岳峰，張奕黃，王素杰.用于電動車輛的SRM起動性能研究[J].北京交通大學(xué)學(xué)報，2007，（5）：114-116.

[4]孫艷霞.基于DSP的開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)控制器設(shè)計[J].大連交通大學(xué)學(xué)報，2008，（12）：70-76.