矿用带式输送机的速度-电流环二级级联调速装置_邳志刚.pdf

第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0590引言直流调速系统被广泛地应用于工业生产等各种高效可控电驱动场合。在各种高性能、编程可控电力拖动领域中大多都采用直流调速系统。例如钢铁轧钢、矿山岩土开挖和水采掘、纺织、造纸等都已经需要电机进行高性能直流调速的控制工作并在场合已经逐渐得到了广泛的技术应用。1总体方案及主要参数计算本文以Z4-312-1三相无刷直流电机为控制控制对象，结合PWM技术和转速、电流二级级联控制技术，以DSP为核心控制器，设计出快速、高精度、宽范围、低功耗数字调速装置。装置包含主电路、控制电路、驱动电路、检测电路和显示电路等，总体结构框图如图1所示。图1系统结构框图电动机的额定工作电压为380 V，采用三相降压矿用带式输送机的速度-电流环二级级联调速装置邳志刚1，张毅2（1.黑龙江科技大学 工程训练与基础实验中心，哈尔滨150022；2.黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，哈尔滨150022）摘要：直流调速系统常用于煤矿带式运输装置，最常见的是脉宽调制（PWM）直流调速系统。但煤层变化，可能使运输装置工作时运输煤量发生变化。为避免运输装置高频变换、降低运输电机开关次数，同时达到精度高、响应速度快等调速需求，给出一种结合PWM技术和转速-电流二级级联控制技术的数字控制装置的设计方案。以Z4-312-1三相无刷直流电动机为例，通过参数计算得出主要器件选型。利用Simulink搭建二级级联控制系统电路模型，分别对电机空载和带载两种工况进行仿真。结果表明，电流和转速超调量低，系统具有较好跟随性能，运行稳定。关键词：带式运输机；直流调速；转速-电流二级级联控制中图分类号：TH222文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 286 03Speed Regulating Device with Cascade Loops of Speed and CurrentApplied to Belt Shaped Transportation Machine for Coal MinePI Zhigang1，ZHANG Yi2（1.Engineering Training and Fundamental Experiment Center,Heilongjiang University of Science and Technology,Harbin 150022,China；2.School of Electronics and Control Engineering,Heilongjiang University of Science andTechnology,Harbin 150022,China）Abstract:DC speed regulating system is often used in belt conveyor in coal mine,pulse width modulationis the most common DC speed regulation system.But when the coal seam changes,the amount of coaltransported by the transport device also changes.In order to avoid the high frequency change of thetransportation device,reduce the switch times of the transportation motor,and meet the requirements ofhigh precision and fast response speed,a design scheme of digital control device which combines PWMtechnology and speed current two-stage cascade control technology was proposed.Taking the Z4-312-1three-phase brushless DC motor as an example,the main components were selected through parametercalculation.The circuit model of two-stage cascade control system was built by Simulink,thesimulation includes two working conditions:no load and load on of the motor.The results show that theovershoot of current and speed is low,the following performance and stable operation are good.Key words:belt shaped transportation machine；DC speed regulation；speed and current cascade control电压检测电流检测三相电压三相整流器PWM变换器M泵升限制故障保护I/O转速给定驱动电路转速检测FBS脉冲整形数字测速PWM生成其他外设A/D故障综合上位机键盘显示通信接口中央处理器（TMS320F28335DSP）286第42卷第03期Vol.42 No.03矿用带式输送机的速度-电流环二级级联调速装置邳志刚，等变压器使电网电压下降，再经过整流电路得到电机所需要的工作电压。1.1变压器电压计算变压器二次侧电压U2=Udmax+nUTA（cos-CUSKI2I2N）（1）式中Udmax整流电路输出电压最大值；nUT主电路n个晶闸管正向压降；C线路接线方式系数；USK变压器的短路比，对10100 kVA，USK=0.050.1；I2二次侧电流；I2N额定电流；延迟角；A理想情况下，延迟角为0时整流电压与二次电压之比。近似估算得U2=（12.1）UdAB（2）式中Ud延迟角为0时整流电路输出电压；B延迟角为时输出电压与延迟角为0时输出电压之比；电网波动系数。根据设计要求，查表得A2.34；取=0.9；=10，则B0.985，则：U2=（12.1）3802.340.90.985=183.2384.7 V取U2=380 V。1.2整流桥二极管选型利用积分求出流过二极管的平均电流ID=12230Im2d（t）=11.1 A（3）式中Im整流二极管得峰值电流；整流电路角频率；t时间。二极管电流额定值IN=（1.52）ID1.57=14.14 A（4）二极管额定电压UD=（23）Um=1 0571 612 V（5）式中Um整流二极管峰值电压。选择正向的峰值电压为1200V时，电流为100A。型号为6RI100G-1206系列整流模块。1.3输入滤波电容选型主电路采用RC滤波电路。为了保证输出电压能够维持一定时间后下降，取电源输出的保持时间td=10 ms。根据能量守恒定律，在td期间输出的能量是由电容提供，此输入电容C=2P0（VC2VC2）td（6）式中VC保持时间起始电压；VC保持时间终止电压；P0功率变化量；效率。由式（6）可得出滤波电容容量，且考虑留有一定的余量，选滤波电容为4 700 F。1.4三相全控桥MOS管选型根据系统的控制要求，采用功率场效应晶体管作为功率开关器件，最大输出情况下，电流的有效值Imax=PUcos=289.47 A（7）式中P有功功率；U输出电压；输出电压与输出电流的相位角。考虑裕量，取开关管的额定电流ICE2Imax=578.94 A（8）考虑裕量，取开关管的额定电压UCER3UM=1 140 V（9）式中UM开关管承受电压峰值。本系统选择RFZ48N作为功率开关器件。其额定电压为1 200 V，额定电流为600 A，均符合设计要求。2建模及仿真分析根据电动机参数，利用Simulink搭建转速=电流二级级联控制电路模型，如图2所示。首先由模拟转速给定输入到转速调节器中，再将转速调节器的输出值给电流调节器，在电流调节器的上端采用了过零检测，电流调节器处理输入信号后传送到PWM控制器的驱动电路。在电机侧还采用了环流电抗器来抑制环流的产生。编写M脚本对于参数整定比较方便，设定M脚本后得到的变量数值与计算中的相对应，避免了人为整定参数时出现错误。只要在M脚本中设定出电动机的已知参数，计算获得一阶低通滤波传递函数的参数，再计算出转矩等变量，最后根据电流环和转速环的传递函数来通过变量关系整定出合适的PI参数。在给定信号下得到速度环PI调节仿真波形如图3所示。实线为低通滤波后的平滑波形，虚线为反馈调节波形。可见，系统在0.2 s时产生了一个速度的指令，速度波形跟随性能较好，且超调量较小0.5 s时加入负载的阶跃信号，此时可以看到速度曲线有下降的情况，但是由于速度环PI调节的作用，很快就把速度指令恢复到给定的状态，由此可看出控制效果较好。287图3速度环PI调节仿真波形图给定信号下得到电流仿真波形如图4所示。实线为基准波形，虚线为实际跟随波形。在加入阶跃信号时，转速波形超调量较小，很快的趋于稳定，在0.2 s时加入速度指令信号，电流突增到额定值在0.3 s时恢复到原状态，在0.5 s加入负载阶跃信号，波形超调量较小且跟随性能较好，随后达到稳定状态。图4电流仿真波形图在给定信号下得到电磁转矩仿真波形如图5所示。实线为电磁转矩波形，虚线为期望波形。可见，在0.2 s时加入速度指令信号，电磁转矩增加至额定值，在0.5 s加入负载转矩后有一定的超调但是很快趋于稳定，随后电磁转矩等于负载转矩。图5电磁转矩仿真波形图3结语转速-电流二级级联控制装置，通过检测相电压、相电流和转速信号，以TMS320F28335 DSP为控制核心，输出PWM波驱动MOSFET来调节电机的转速。通过仿真测试，验证了装置具有响应速度快、超调量低、性能稳定等特点，实现了高性能数字化PWM调速控制，降低了运输电机启停频率、延长了电机使用寿命。参考文献：1朱淑云,黄灿英,陈艳.基于DSP的无刷直流电机系统软件设计J.沈阳工业大学学报,2020,42(3):253-258.2丁健,杨慧中.一种直流调速系统带宽参数化反馈控制J.南京理工大学学报,2020,44(2):149-153.3孙向瑞,王欢.矿用电机车SRD调速系统的控制策略研究J.煤炭技术,2020,39(6):149-153.4张杨,张兴华.无刷直流电机动态响应性能控制仿真J.计算机仿真,2019,36(2):325-329.5冯高明,朱家丰.矿用直流电机车斩波调速系统回馈制动方法J.矿业研究与开发,2019,39(5):145-150.6谢维.采用单片机的直流无刷电机调速系统设计与实现J.煤矿机械,2021,42(11):8-11.作者简介：邳志刚(1980-)，山东平度人，副教授，硕士，研究方向：电力电子与电力传动、树脂基碳纤维复合材料，电子信箱：.责任编辑：李景奇收稿日期：20220830第42卷第03期矿用带式输送机的速度-电流环二级级联调速装置邳志刚，等Vol.42 No.03图2转速-电流二级级联控制电路仿真模型图0.10.20.30.400.50.60.70.80.91.0时间/s速度/rmin-11 6001 4001 2001 000800600400200平滑波形调节波形0.10.20.30.400.50.60.70.80.91.0时间/s电流/A6050403020100-10-20基准波形跟随波形0.10.20.30.400.50.60.70.80.91.0时间/s转矩/Nm20015010050-50电磁转矩波形期望波