基于永磁同步电机的矿用电机车驱动系统研究

发布时间：2016-04-12 07:57

1绪论

1.1课题研究背景与意义
随着我国经济的快速发展,能源需求量与日俱增。就目前我国的能源格局而言,煤炭仍然是我国能源消费的主要来源。仅去年一年,我国的煤炭产量就达到38.7亿吨,接近世界总产量的一半。目前,我国有11000个煤矿,有580万名煤矿工人。如果按三班倒的话,每时每刻都有近两百万人在地下巷道工作。如此髙的产量,如此多的工作人员,对煤矿企业的运输能力提出了极髙的要求。而提高矿用电机车的运输能力成为解决该问题的有效手段。矿用电机车用于牵引运输车辆完成对煤炭、奸石、材料、设备、人员的运送,相当于铁路运输中的电气机车头,有助于井下长距离运输。矿用电机车分为两大类:架线式和蓄电池式。煤矿巷道中瓦斯和煤尘积存较多,同时在巷道中掘进运输时,由于巷道的不太规则造成运输难度系数加大。在如此复杂、恶劣的工作条件下,蓄电池式电机车相比于架线式电机车有更加明显的优势。目前,蓄电池式电机车多用直流电动机或异步电动机作为驱动装置,但两者都有各自的缺点和局限。由于直流电动机需要使用换向器进行换向,因此结构相对复杂,寿命有限,不易维护;而异步电动机有功功率因数较低,转动惯性大,控制精度低等缺点。随着永磁同步电机控制技术的不断成熟,为矿用电机车的发展提供了新方向。性能优良的电机控制系统是矿用电机车稳定安全运行的前提。永磁同步电机有体积小、结构简单、功率密度高、输出转矩大、动态性能好等优点。但由于永磁同步电机拥有一套极其复杂的数学模型。永磁同步电机的非线性和解稱困难的特征在数学模型中得到充分体现。因此永磁同步电机是一套非常复杂的系统,致使高性能控制不易实现。随着电力电子技术的不断发展,以及电机控制理论的不断进步,使得永磁同步电机控制系统越来越成熟。同时,随着控制算法不断优化,促使变频调速的节能优势越来越明显,增强了矿用电机车的续航能力,获得了更好的运行效果。
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1.2矿用电机车驱动控制系统发展现状
上个世纪的八十年代以来,关于电机控制系统的研究不断白热化,为高精度的传动系统奠定了基础。根据永磁同步电机不同的控制技术,出现了多种控制方法,比如功率因数等于1、直轴电流等于零、弱磁控制等等,以适用不同的需要和应用场合[6]。随着微电子技术和计算机技术的发展,永磁同步电机的控制系统经历了从最初的模拟式控制到板模拟、半数字的混合控制,再到如今向着全数字化控制发展。与此同时,单片机、微机及DSP控制芯片的快速发展,还有现代控制理论与新的控制思想的结合,为永磁同步电机在精度要求高的控制系统中奠定了基础。而数字化芯片计算速度的提高,软件算法的优化,更是保证了永磁同步电机控制系统的稳定性,同时动态响应能力也得到加强。
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2永磁同步电机控制系统

2.1同步电机数学模型
由永磁同步电机的结构特点可知,永磁同步电机相当于画定激磁的同步电机,因此,本文从直流激磁的同步电机入手,对电机调速系统进行分析。电机电枢磁通势由通入定子绕组的三相对称电流产生的,是三相合成旋转磁通势;转子侧励磁磁通势是由永磁体恒定磁场产生的。在不考虑启动问题的情况下,两者以相同速度,相同方向同步旋转,但在空间上却不一定位置完全相同,可能一个在前,一个在后,一同旋转。因此,对永磁同步电动机的研究,要从分析同步电机的数学模型开始,其基本数学模型是在电机定子三相对称绕组所在的自然坐标系下推导而来,永磁同步电机可视为其特殊情况。本文在建立同步电机数学模型时,有如下假设条件:(a)定子三相绕组在空间对称分布,气隙磁势和磁密在空间作正弦分布;(b)忽略磁路饱和及铁心损耗;(C)忽略温度对电机参数的影响;(d)釆用电动机惯例设定的正方向。
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2.2永磁同步电机数学模型及特性
电磁转矩与功角和内功率因数角均存在非线性的函数关系。保持电压不变,改变功角,电磁转矩大小随之变化;而保持电流不变,改变内功率因数角,同样有改变电磁转矩大小的作用。因此,可以通过两种不同的方法实现对电磁转矩的控制,即电压控制方式和电流控制方法。电压控制方法通过调节电压幅值和相位控制转矩,适用于电压型逆变器;电流控制方法通过改变电流的幅值和相位控制转矩,适用于电流型逆变器。永磁同步电机由永磁体产生激磁,与恒流励磁的同步电机。当运用磁场定向控制原理,对永磁同步电机进行控制时,要注意永磁同步电机的转子永磁体磁场恒定不变,只能从定子侧进行控制,归结为纵轴恒流激磁条件下的定子侧电压电流控制。根据不同的定向方式,永磁同步电机磁场定向控制有多种方案,比较常用的有:转子磁链定向控制,定子磁链定向控制,最优转矩控制,弱磁控制等。
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3永磁同步电机无位置传感器控制系统......31
3.1永磁同步电机动态模型......31
3.2干扰观测器设计......32
3.3转子位置和转速的估算......37
3.4本章小结......39
4永磁同步电机控制系统仿真......41
4.1永磁同步电机矢量控制仿真模型建立......41
4.1.1永磁同步电机模型选择......42
4.1.2PI 调节器......42
4.1.3SVPWM 生成模块......43
4.2仿真结果..................43
4.2.1永磁同步电机磁场定向控制策略仿真......43
4.2.2转子位置及转速估算仿真......47
4.3本章小结......48
5系统的硬件电路设计......49
5.1系统硬件结构总体设计......49
5.2控制板电路分析......50
5.3驱动板电路分析......58
5.4功率板电路分析......62
5.5本章小结......63

6系统的软件设计

6.1系统软件总体设计

本文研究对象为矿用电机车,使用永磁同步电机作为系统的驱动核心。因此,本系统为永磁同步电机控制系统。针对本系统进行软件设计时,需要从系统的实际功能出发,根据软件工程原理执行需求分析。在需求分析的基础上,编写代码。代码的编写必须遵循一定的规则,便于阅读、修改和移植。最后,对代码进行调试,修补漏洞,实现需求所规定的功能。本系统的软件设需遵循以下原则:(1)系统软件功能模块化,尽量减小各模块之间相关性,功能模块变量封装成结构体形式;(2)底层驱动模块化,增强上层功能模块的独立性,便于软件在不同硬件平台移植;(3)慎重使用局部变量,统一采用全局变量定义,增强变量名的可读性,避免堆検的溢出;(4)对于各类功能的执行频率,进行清晰地划分,合理分配任务的优先级,确保轻重缓急的合理布置与关键功能的实时性要求;(5)严格保证程序执行时间的可预见性,避免不可预见的等待与循环;(6)源代码书写规范化,增强代码可读性,合理搭建软件框架。本系统为矿用电机车驱动系统,需要实现其启动、停车,稳定运行,实时监控电机参数等功能。软件釆用模块化设计,主要由主程序和五个中断服务子程序组成。主程序适于处理实时性要求不高的事件,因此主要负责单片机和各个变量的初始化。中断服务子程序将处理更重要的事件,例如:矢量控制中断、AD中断、通信中断、测速定时中断等。

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结论

本文研究对象为矿用电机车驱动系统。在国内外矿用电机车驱动系统研究的基础之上,对国内矿用电机车驱动系统的优缺点进行分析,并借鉴国内外永磁同步电机的最新研究成果,选用永磁同步电机作为驱动系统的核心部件。根据矿用电机车的工作环境和性能要求,釆用按转子磁链定向的矢量控制技术,实现对电机输出转速的精确控制。同时,使用无位置传感器控制技术,实现对转子位置和转速的估算,避免了位置传感器的安装和维护难题,简化了系统硬件设计。本文针对永磁同步电机现有问题进行了讨论研究,对磁场定向控制策略和转子位置和转速估算方法进行了分析,取得了以下成果:
1.分析矿用电机车驱动系统的实际功能需求,使用永磁同步电机做为系统的驱动电机,分析电机数学模型,应用磁场定向控制技术,实现速度、电流双闭环控制,提闻系统动态性能。
2.研究永磁同步电机无位置传感器控制原理,釆用干扰观测器实现对转子转速和位置的估算,简化了控制系统的硬件结构,使得永磁同步电机更好地适应了井下复杂、恶劣的工作环境。
3.基于电机控制理论的研究,利用MATLAB/Simulink仿真平台对本文提出的控制策略进行仿真实验,验证理论的正确性和控制系统的性能。
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参考文献(略)

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本文编号：37947