基于直接轉(zhuǎn)矩的礦用通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的探討

牛偉偉

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司， 山西 晉城 048000）

引言

現(xiàn)階段，大多數(shù)礦用通風(fēng)機(jī)在生產(chǎn)中都是保持輕載狀態(tài)，有部分處于空載運(yùn)行。而大多數(shù)礦用通風(fēng)機(jī)所處的運(yùn)行狀態(tài)負(fù)荷波動(dòng)性變化較大，其負(fù)載率與工作效率極容易出現(xiàn)降低趨勢(shì)，最終造成電能的嚴(yán)重浪費(fèi)。因此，開(kāi)展通風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造顯得十分必要。目前，大多礦用通風(fēng)機(jī)都是選用異步電機(jī)，此類電機(jī)對(duì)節(jié)能成效產(chǎn)生影響的重要因素是變頻器控制系統(tǒng)。本文基于DSP 對(duì)礦用通風(fēng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，明確數(shù)字化交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用，設(shè)計(jì)軟硬件流程[1-3]。

1 控制系統(tǒng)控制原理的分析

本文研究的礦用通風(fēng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主要是選取雙閉環(huán)控制方式，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的合理控制，在外環(huán)部分應(yīng)用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)選取轉(zhuǎn)矩控制，通過(guò)滯環(huán)控制對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。將磁鏈具體數(shù)值以及參考數(shù)值進(jìn)行減法操作，之后將差值輸入至磁鏈比較器中，而將轉(zhuǎn)矩實(shí)際值與參考值的差值輸入至矩陣比較器中，以此完成對(duì)比較器信號(hào)的輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器的全面優(yōu)化。為了全面獲得系統(tǒng)磁鏈值大小，對(duì)電子電壓值、轉(zhuǎn)速、電流、電動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)獲取。另外，為了全面控制系統(tǒng)預(yù)測(cè)誤差值，本文主要采用了定子與轉(zhuǎn)子電壓矢量方程、定子轉(zhuǎn)子電流方程，開(kāi)展了系統(tǒng)中電壓- 速度模型進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，得出電子磁鏈估計(jì)值。

2 控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 總體方案的設(shè)計(jì)

如圖1 所示是控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖，此系統(tǒng)處理器主要是選取某公司應(yīng)用的DSP，處理器在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中速度較快，精確性較高。其中，功能開(kāi)關(guān)單元主要選用了設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)便、性能較為穩(wěn)定的IPM封裝模塊。電流傳感器則選用了多種規(guī)格的霍爾電流傳感器，可對(duì)系統(tǒng)中不同大小電流值進(jìn)行檢測(cè)。另外，將光電隔離模塊應(yīng)用到了控制脈沖電路中，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的較強(qiáng)保護(hù)?？刂葡到y(tǒng)中的轉(zhuǎn)速、負(fù)載給定及動(dòng)態(tài)化信息等信息則通過(guò)信號(hào)控制盤進(jìn)行有效顯示。

圖1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 功率變換電路的設(shè)計(jì)

從功率變換電路基本組成結(jié)構(gòu)來(lái)看主要是通過(guò)主電路以及外部輔助電路組成，其中主電路又是通過(guò)逆變電路、整流電路、濾波電路組成，基本應(yīng)用功能就是保障交流、直流、交流電能可以靈活變換。在主電路中，整流電路主要是選用三相全橋拓?fù)洌嘟涣餍盘?hào)通過(guò)整流橋能轉(zhuǎn)為直流電壓信號(hào)。系統(tǒng)啟動(dòng)應(yīng)用過(guò)程中，在放電電容影響下會(huì)產(chǎn)生浪涌電流，因此，可以選用軟啟動(dòng)方式對(duì)開(kāi)啟階段產(chǎn)生的瞬時(shí)過(guò)電流有效控制，此類啟動(dòng)方式中的電容兩側(cè)電壓上升變換速度較慢。為了有效控制整流橋輸出直流電壓脈動(dòng)分量，可以應(yīng)用濾波電容進(jìn)行濾波，獲取諧波含量較低的直流電壓。為了對(duì)瞬時(shí)過(guò)電流有效控制，可以串聯(lián)限流電阻。逆變電路能將直流電壓轉(zhuǎn)為交流信號(hào)，在功率開(kāi)關(guān)中主要是選用IPM模塊，選用的模塊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、功耗較低、散熱狀態(tài)良好，其抗電磁干擾作用力較強(qiáng)。為了能保障其安全穩(wěn)定運(yùn)行，在集成模塊中需要配備過(guò)熱、過(guò)流、過(guò)壓以及短路保護(hù)電路等，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障問(wèn)題，要及時(shí)進(jìn)行處理。

在IPM集成電路中具有較多開(kāi)關(guān)電源，為了對(duì)不同電源之間的耦合作用以及分布電感電容的影響進(jìn)行分析，不同電路都需要選用獨(dú)立供電程序。由于整套系統(tǒng)的主控制電路與功率變化模塊進(jìn)行了有效集成，而大多數(shù)控制信號(hào)均是弱電信號(hào)，故在此功率轉(zhuǎn)換模塊中設(shè)計(jì)了隔離電路，以此來(lái)保障控制信號(hào)對(duì)集成模塊有效驅(qū)動(dòng)。

2.3 控制電路的設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，需對(duì)整流器上實(shí)際輸出的直流電壓以及三相異步電動(dòng)機(jī)電壓進(jìn)行參數(shù)獲取，由此來(lái)有效獲取控制系統(tǒng)運(yùn)算變量。同時(shí)，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的各類傳感器模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同等級(jí)的電壓值進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。另外，電路匯總設(shè)計(jì)了電流傳感器，可對(duì)電機(jī)中定子的三相電流信號(hào)進(jìn)行獲取和轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電流信號(hào)的實(shí)時(shí)運(yùn)算與檢測(cè)，而檢測(cè)的電流信號(hào)通過(guò)一定值的電阻后，電流信號(hào)通過(guò)電阻能有效轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)?？刂齐娐分幸苍O(shè)置了模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，可將各類信號(hào)轉(zhuǎn)為所需的數(shù)字信號(hào)，而控制電路中的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路則可完成主控制器與功率放大器的有效連接，且信號(hào)轉(zhuǎn)換精度值相對(duì)較高。為了更好地保障控制系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，提升控制精度值，需要合理發(fā)揮硬件抗干擾電路功能，主要有硬件濾波、電氣隔離、屏蔽電路等。

3 軟件系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)

3.1 主程序

此控制系統(tǒng)軟件應(yīng)用部分通過(guò)某型號(hào)的DSP進(jìn)行有效實(shí)現(xiàn)，主要用于獲取通風(fēng)機(jī)電路中傳遞的各類信號(hào)，并通過(guò)內(nèi)部的計(jì)算程序?qū)Λ@取信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理及強(qiáng)化保護(hù)，同時(shí)，必要時(shí)候?qū)Τ绦蜻M(jìn)行中

斷操作。通風(fēng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖2 所示，由圖可知，該控制主程序具有較多功能，包括：系統(tǒng)變量與常量的初始化定義、系統(tǒng)常量及變量定義、主程序初始化定義等。

3.2 中斷程序

中斷程序基本流程圖如圖3 所示，該程序主要應(yīng)用了直接轉(zhuǎn)矩控制計(jì)算的方法，并具有運(yùn)算功能及保護(hù)功能。在運(yùn)行過(guò)程中首先要對(duì)過(guò)流問(wèn)題進(jìn)行有效檢測(cè)，如果未發(fā)現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象需要對(duì)電子電流以及母線電壓進(jìn)行讀取，分析過(guò)壓?jiǎn)栴}發(fā)生現(xiàn)狀。如果沒(méi)有明顯的過(guò)電壓?jiǎn)栴}需要開(kāi)展轉(zhuǎn)矩估算、磁鏈計(jì)算、坐標(biāo)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換、速度測(cè)量等，這樣能對(duì)通風(fēng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩有效控制。

4 成果驗(yàn)證

通過(guò)搭建試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展了基于直接轉(zhuǎn)矩的通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)各項(xiàng)性能的測(cè)試驗(yàn)證研究。將礦用通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子基本轉(zhuǎn)速初始數(shù)值在0，1.5 s、3.5 s、5.5 s 分別設(shè)定為900 r/min、400 r/min、800 r/min。礦用通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速參考數(shù)值以及實(shí)際值從下頁(yè)圖4 可知?；趫D4 可以得出合理應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速具有較高的控制效果，且信號(hào)響應(yīng)速度較快，轉(zhuǎn)速脈動(dòng)程度較小。直流側(cè)母線電壓波形圖如下頁(yè)圖5 所示，由圖可知，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生持續(xù)變化過(guò)程中，系統(tǒng)中產(chǎn)生的電壓波動(dòng)數(shù)值相對(duì)較小，能有效抵御外部干擾性，能證明其在煤礦生產(chǎn)階段應(yīng)用實(shí)效性較高[4-5]。

圖2 主程序流程圖

圖3 中斷程序流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)通風(fēng)機(jī)控制策略進(jìn)行分析，將數(shù)字信號(hào)處理器作為此控制系統(tǒng)的核心處理器，完成了控制系統(tǒng)硬件的基本組成分析，有效掌握了通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用功能及軟件部分的實(shí)現(xiàn)流程。通過(guò)完善的實(shí)驗(yàn)?zāi)艿贸?，此類控制策略具有良好的控制精度，跟隨性能較好，從而大大提高了通風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的綜合性能。

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖

圖5 直流母線電壓波形圖