矿用运输设备专用开关磁阻电机控制系统设计与应用

发布时间：2017-07-16 17:23

  本文关键词：矿用运输设备专用开关磁阻电机控制系统设计与应用

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【摘要】：我国矿井量大面广,井下运输作为煤矿生产的主要环节,使得运输设备在煤矿各类机械设备中所占比例很大。矿用运输设备的节能效果、技术先进程度以及安全可靠性,都是影响煤矿生产的重要因素。随着当前大、中型矿井的快速发展,矿用运输设备驱动系统的设计与选型成为矿井建设的重要课题。矿用电机车是我国矿井最为常见的辅助运输设备,目前大多采用直流电机驱动系统。由于配有换向器和电刷,直流电机的机械磨损大且容易产生电火花,导致电机寿命短、可靠性低、维护工作量大。开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,简称SRM)作为后起之秀,具有结构简单、坚固耐用、调速性能好、效率高、起动及低速运行转矩大等优良性能,可实现驱动系统一级传动或直接传动,拥有交流变频调速系统无法比拟的高性价比,将其应用于矿用电机车应该会有很好的前景。论文基于一台额定功率15kW、额定电压250V、额定转速1190r/min的三相6/4极开关磁阻电机,设计了一种以TMS320F28335 DSP为控制器核心的矿用电机车SRM控制系统。该系统采用双闭环控制策略：外环进行转速PI调节,内环进行电流斩波控制。结合矿井实际工况,系统采用霍尔传感器位置检测,由霍尔信号直接起动电机,起动后切换为角度换相控制,解决电机初始位置的确定和运行中需优化换相角度的问题。论文同时设计了系统电源失电制动功能,在矿用电机车供电接触网电源消失情况下电机自动切换到发电回馈制动模式,以确保矿用电机车的运行安全。确定SRM的控制方案后,按照控制系统的硬件设计电路制造出实际控制器,然后通过软件设计流程图编写DSP程序,使控制方案得以实现。电机台架测试显示控制效果良好,装车运行试验显示驱动系统静态牵引力矩大、运行效率高、振动小,达到了设计要求,证明了该控制系统应用于矿用电机车是可行的。课题控制系统的诞生实现了开关磁阻电机在矿用运输设备领域的应用,也为其它电机控制系统的设计及应用提供了参考。
【关键词】：开关磁阻电机 双闭环控制 电流斩波控制 矿用电机车 失电制动
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD634
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 课题的研究背景与意义10-12
• 1.1.1 开关磁阻电机的应用背景10
• 1.1.2 矿用电机车的电机选型10-12
• 1.2 国内外研究现状12-13
• 1.3 课题的主要研究内容13-15
• 第2章 开关磁阻电机驱动系统的结构与原理15-40
• 2.1 开关磁阻电机及其数学模型15-21
• 2.1.1 开关磁阻电机的基本结构和原理15-17
• 2.1.2 开关磁阻电机的数学模型17-21
• 2.2 SRD系统功率变换器拓扑结构21-23
• 2.3 转子位置传感器23-31
• 2.3.1 6/4极SRM霍尔位置传感器安装和校准方法24-26
• 2.3.2 电机转速和转子角度计算26-28
• 2.3.3 开关磁阻电机的换相控制28-31
• 2.4 开关磁阻电机控制单元31-35
• 2.4.1 SRD双闭环控制系统结构31-32
• 2.4.2 转速调节器设计32-33
• 2.4.3 电流斩波控制33-34
• 2.4.4 电机起动和制动34-35
• 2.5 MATLAB/Simulink建模及仿真35-39
• 2.5.1 转速、电流双闭环SRD系统建模35-37
• 2.5.2 仿真实验与结果分析37-39
• 2.6 本章小结39-40
• 第3章 矿用电机车SRD系统硬件设计40-53
• 3.1 功率变换器主电路设计及选型41-43
• 3.1.1 功率变换器主电路结构设计41-42
• 3.1.2 功率开关器件选型42-43
• 3.2 IGBT驱动电路设计43-44
• 3.3 电机绕组电流和直流母线电压监测44-46
• 3.3.1 电机绕组电流监测电路设计44-45
• 3.3.2 直流母线电压监测电路设计45-46
• 3.4 开关磁阻电机控制器设计46-52
• 3.4.1 矿用电机车驾驶室操作简介46-47
• 3.4.2 基于TMS320F28335 DSP的控制器整体设计方案47-48
• 3.4.3 模拟量采样电路设计48-49
• 3.4.4 位置信号接口电路设计49-50
• 3.4.5 PWM信号输出电路设计50-51
• 3.4.6 显示器接口电路设计51-52
• 3.5 本章小结52-53
• 第4章 基于DSP的开关磁阻电机控制系统软件设计53-68
• 4.1 DSP主要寄存器的设置53-55
• 4.2 主程序设计55-57
• 4.3 定时器中断程序设计57-58
• 4.4 外部中断程序设计58-61
• 4.4.1 电机转速计算程序58-59
• 4.4.2 霍尔信号换相控制程序59-61
• 4.5 EPWM中断程序设计61-64
• 4.5.1 转子角度计算程序61-62
• 4.5.2 转子角度换相控制程序62
• 4.5.3 电流斩波控制程序62-64
• 4.6 失电制动功能实现及故障处理程序64-65
• 4.7 液晶显示子程序65-67
• 4.8 本章小结67-68
• 第5章 电机实验及其分析68-77
• 5.1 实验测试平台68-69
• 5.2 驱动系统样机测试69-73
• 5.3 开通角和关断角寻优实验73-75
• 5.4 现场应用情况75-77
• 结论与展望77-79
• 参考文献79-82
• 致谢82-83
• 附录A 中断程序代码83-95
• 附录B 攻读学位期间所获得的软件著作权95-96
• 附录C 攻读学位期间所参与的科研项目96

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