1緒論

1.1課題研究背景與意義
隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,能源需求量與日俱增。就目前我國的能源格局而言,煤炭仍然是我國能源消費的主要來源。僅去年一年,我國的煤炭產(chǎn)量就達(dá)到38.7億噸,接近世界總產(chǎn)量的一半。目前,我國有11000個煤礦,有580萬名煤礦工人。如果按三班倒的話,每時每刻都有近兩百萬人在地下巷道工作。如此髙的產(chǎn)量,如此多的工作人員,對煤礦企業(yè)的運輸能力提出了極髙的要求。而提高礦用電機(jī)車的運輸能力成為解決該問題的有效手段。礦用電機(jī)車用于牽引運輸車輛完成對煤炭、奸石、材料、設(shè)備、人員的運送,相當(dāng)于鐵路運輸中的電氣機(jī)車頭,有助于井下長距離運輸。礦用電機(jī)車分為兩大類:架線式和蓄電池式。煤礦巷道中瓦斯和煤塵積存較多,同時在巷道中掘進(jìn)運輸時,由于巷道的不太規(guī)則造成運輸難度系數(shù)加大。在如此復(fù)雜、惡劣的工作條件下,蓄電池式電機(jī)車相比于架線式電機(jī)車有更加明顯的優(yōu)勢。目前,蓄電池式電機(jī)車多用直流電動機(jī)或異步電動機(jī)作為驅(qū)動裝置,但兩者都有各自的缺點和局限。由于直流電動機(jī)需要使用換向器進(jìn)行換向,因此結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,壽命有限,不易維護(hù);而異步電動機(jī)有功功率因數(shù)較低,轉(zhuǎn)動慣性大,控制精度低等缺點。隨著永磁同步電機(jī)控制技術(shù)的不斷成熟,為礦用電機(jī)車的發(fā)展提供了新方向。性能優(yōu)良的電機(jī)控制系統(tǒng)是礦用電機(jī)車穩(wěn)定安全運行的前提。永磁同步電機(jī)有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、功率密度高、輸出轉(zhuǎn)矩大、動態(tài)性能好等優(yōu)點。但由于永磁同步電機(jī)擁有一套極其復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型。永磁同步電機(jī)的非線性和解稱困難的特征在數(shù)學(xué)模型中得到充分體現(xiàn)。因此永磁同步電機(jī)是一套非常復(fù)雜的系統(tǒng),致使高性能控制不易實現(xiàn)。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,以及電機(jī)控制理論的不斷進(jìn)步,使得永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)越來越成熟。同時,隨著控制算法不斷優(yōu)化,促使變頻調(diào)速的節(jié)能優(yōu)勢越來越明顯,增強(qiáng)了礦用電機(jī)車的續(xù)航能力,獲得了更好的運行效果。
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1.2礦用電機(jī)車驅(qū)動控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
上個世紀(jì)的八十年代以來,關(guān)于電機(jī)控制系統(tǒng)的研究不斷白熱化,為高精度的傳動系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。根據(jù)永磁同步電機(jī)不同的控制技術(shù),出現(xiàn)了多種控制方法,比如功率因數(shù)等于1、直軸電流等于零、弱磁控制等等,以適用不同的需要和應(yīng)用場合[6]。隨著微電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從最初的模擬式控制到板模擬、半數(shù)字的混合控制,再到如今向著全數(shù)字化控制發(fā)展。與此同時,單片機(jī)、微機(jī)及DSP控制芯片的快速發(fā)展,還有現(xiàn)代控制理論與新的控制思想的結(jié)合,為永磁同步電機(jī)在精度要求高的控制系統(tǒng)中奠定了基礎(chǔ)。而數(shù)字化芯片計算速度的提高,軟件算法的優(yōu)化,更是保證了永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,同時動態(tài)響應(yīng)能力也得到加強(qiáng)。
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2永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)

2.1同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型
由永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點可知,永磁同步電機(jī)相當(dāng)于畫定激磁的同步電機(jī),因此,本文從直流激磁的同步電機(jī)入手,對電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行分析。電機(jī)電樞磁通勢由通入定子繞組的三相對稱電流產(chǎn)生的,是三相合成旋轉(zhuǎn)磁通勢;轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁磁通勢是由永磁體恒定磁場產(chǎn)生的。在不考慮啟動問題的情況下,兩者以相同速度,相同方向同步旋轉(zhuǎn),但在空間上卻不一定位置完全相同,可能一個在前,一個在后,一同旋轉(zhuǎn)。因此,對永磁同步電動機(jī)的研究,要從分析同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型開始,其基本數(shù)學(xué)模型是在電機(jī)定子三相對稱繞組所在的自然坐標(biāo)系下推導(dǎo)而來,永磁同步電機(jī)可視為其特殊情況。本文在建立同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型時,有如下假設(shè)條件:(a)定子三相繞組在空間對稱分布,氣隙磁勢和磁密在空間作正弦分布;(b)忽略磁路飽和及鐵心損耗;(C)忽略溫度對電機(jī)參數(shù)的影響;(d)釆用電動機(jī)慣例設(shè)定的正方向。
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2.2永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型及特性
電磁轉(zhuǎn)矩與功角和內(nèi)功率因數(shù)角均存在非線性的函數(shù)關(guān)系。保持電壓不變,改變功角,電磁轉(zhuǎn)矩大小隨之變化;而保持電流不變,改變內(nèi)功率因數(shù)角,同樣有改變電磁轉(zhuǎn)矩大小的作用。因此,可以通過兩種不同的方法實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的控制,即電壓控制方式和電流控制方法。電壓控制方法通過調(diào)節(jié)電壓幅值和相位控制轉(zhuǎn)矩,適用于電壓型逆變器;電流控制方法通過改變電流的幅值和相位控制轉(zhuǎn)矩,適用于電流型逆變器。永磁同步電機(jī)由永磁體產(chǎn)生激磁,與恒流勵磁的同步電機(jī)。當(dāng)運用磁場定向控制原理,對永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制時,要注意永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子永磁體磁場恒定不變,只能從定子側(cè)進(jìn)行控制,歸結(jié)為縱軸恒流激磁條件下的定子側(cè)電壓電流控制。根據(jù)不同的定向方式,永磁同步電機(jī)磁場定向控制有多種方案,比較常用的有:轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制,定子磁鏈定向控制,最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制,弱磁控制等。
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3永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)......31
3.1永磁同步電機(jī)動態(tài)模型......31
3.2干擾觀測器設(shè)計......32
3.3轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的估算......37
3.4本章小結(jié)......39
4永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真......41
4.1永磁同步電機(jī)矢量控制仿真模型建立......41
4.1.1永磁同步電機(jī)模型選擇......42
4.1.2PI 調(diào)節(jié)器......42
4.1.3SVPWM 生成模塊......43
4.2仿真結(jié)果..................43
4.2.1永磁同步電機(jī)磁場定向控制策略仿真......43
4.2.2轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速估算仿真......47
4.3本章小結(jié)......48
5系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計......49
5.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)總體設(shè)計......49
5.2控制板電路分析......50
5.3驅(qū)動板電路分析......58
5.4功率板電路分析......62
5.5本章小結(jié)......63

6系統(tǒng)的軟件設(shè)計

6.1系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

本文研究對象為礦用電機(jī)車,使用永磁同步電機(jī)作為系統(tǒng)的驅(qū)動核心。因此,本系統(tǒng)為永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)。針對本系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計時,需要從系統(tǒng)的實際功能出發(fā),根據(jù)軟件工程原理執(zhí)行需求分析。在需求分析的基礎(chǔ)上,編寫代碼。代碼的編寫必須遵循一定的規(guī)則,便于閱讀、修改和移植。最后,對代碼進(jìn)行調(diào)試,修補(bǔ)漏洞,實現(xiàn)需求所規(guī)定的功能。本系統(tǒng)的軟件設(shè)需遵循以下原則:(1)系統(tǒng)軟件功能模塊化,盡量減小各模塊之間相關(guān)性,功能模塊變量封裝成結(jié)構(gòu)體形式;(2)底層驅(qū)動模塊化,增強(qiáng)上層功能模塊的獨立性,便于軟件在不同硬件平臺移植;(3)慎重使用局部變量,統(tǒng)一采用全局變量定義,增強(qiáng)變量名的可讀性,避免堆検的溢出;(4)對于各類功能的執(zhí)行頻率,進(jìn)行清晰地劃分,合理分配任務(wù)的優(yōu)先級,確保輕重緩急的合理布置與關(guān)鍵功能的實時性要求;(5)嚴(yán)格保證程序執(zhí)行時間的可預(yù)見性,避免不可預(yù)見的等待與循環(huán);(6)源代碼書寫規(guī)范化,增強(qiáng)代碼可讀性,合理搭建軟件框架。本系統(tǒng)為礦用電機(jī)車驅(qū)動系統(tǒng),需要實現(xiàn)其啟動、停車,穩(wěn)定運行,實時監(jiān)控電機(jī)參數(shù)等功能。軟件釆用模塊化設(shè)計,主要由主程序和五個中斷服務(wù)子程序組成。主程序適于處理實時性要求不高的事件,因此主要負(fù)責(zé)單片機(jī)和各個變量的初始化。中斷服務(wù)子程序?qū)⑻幚砀匾氖录?例如:矢量控制中斷、AD中斷、通信中斷、測速定時中斷等。

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結(jié)論

本文研究對象為礦用電機(jī)車驅(qū)動系統(tǒng)。在國內(nèi)外礦用電機(jī)車驅(qū)動系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)之上,對國內(nèi)礦用電機(jī)車驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)缺點進(jìn)行分析,并借鑒國內(nèi)外永磁同步電機(jī)的最新研究成果,選用永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動系統(tǒng)的核心部件。根據(jù)礦用電機(jī)車的工作環(huán)境和性能要求,釆用按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制技術(shù),實現(xiàn)對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的精確控制。同時,使用無位置傳感器控制技術(shù),實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的估算,避免了位置傳感器的安裝和維護(hù)難題,簡化了系統(tǒng)硬件設(shè)計。本文針對永磁同步電機(jī)現(xiàn)有問題進(jìn)行了討論研究,對磁場定向控制策略和轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估算方法進(jìn)行了分析,取得了以下成果:
1.分析礦用電機(jī)車驅(qū)動系統(tǒng)的實際功能需求,使用永磁同步電機(jī)做為系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī),分析電機(jī)數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用磁場定向控制技術(shù),實現(xiàn)速度、電流雙閉環(huán)控制,提聞系統(tǒng)動態(tài)性能。
2.研究永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制原理,釆用干擾觀測器實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置的估算,簡化了控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),使得永磁同步電機(jī)更好地適應(yīng)了井下復(fù)雜、惡劣的工作環(huán)境。
3.基于電機(jī)控制理論的研究,利用MATLAB/Simulink仿真平臺對本文提出的控制策略進(jìn)行仿真實驗,驗證理論的正確性和控制系統(tǒng)的性能。
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參考文獻(xiàn)(略)

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本文編號：37947