矿用电机车永磁同步电机控制系统研究_王超.pdf

江西煤炭科技2023年第1期摘要：为了提高矿用电机车的调速性能和安全性，将永磁同步电机用于电机车驱动，替代原有的直流电机和异步电机。永磁同步电机调速性能更好，配合矢量控制和视频监控、无人驾驶等技术，可大大提高电机车的运输效率。关键词：永磁电机；电机车；调速系统；遥控控制中图分类号：TD6 4+9文献标识码：A文章编号：1 0 0 6-2 5 7 2（2 0 2 3）0 1-0 1 9 6-0 3Study on Control System with Permanent Magnet Synchronous Motor in Mining Electric LocomotiveWang Chao(Ximing Colliery,Xishan Coal&Electricity Group Co.,Ltd.,Shanxi Coking Coal Group.,Taiyuan,Shanxi 030052）Abstract:In order to improve the speed regulation performance and safety of mining electric locomotive,permanent magnetsynchronous motor is used to drive the electric locomotive instead of the original DC motor and asynchronous motor,which cangreatly improve the transportation efficiency of electric locomotive with better speed regulation performance,coordinated with thetechnology of vector control,video monitoring,unmanned driving.Key words:permanent magnet motor;electric locomotive;speed regulation system;remote control矿用电机车永磁同步电机控制系统研究王 超（山西焦煤西山煤电西铭矿，山西太原0 3 0 0 5 2）煤矿井下电机车采用蓄电池或架线式作为电力来源，使用串联电阻或可控硅整流作为直流电机的调速器，这种传统的调速方式存在电能损耗、调速效果、动态响应差等弊端，已经逐渐被交流调速技术和逆变器技术所取代，现在又有许多企业对直流电机车进行了交流变频调速改造，实现了节能减排和调速性能提高的目的。为了进一步提高电机车的运行效率，采用永磁同步电机替代异步电机，使用矢量控制和视频监控等技术，逐步实现遥控控制和无人驾驶是未来煤矿电机车的发展方向1-6。1永磁电机的特点永磁同步电机也是交流电机的一种。采用异步电机的变频系统均可用永磁同步电机进行替代，只需在控制策略上进行改进即可，硬件结构基本保持不变。本次研究的矿用电机车采用永磁同步电机作为动力来源，也是牵引系统的控制对象。为了研究控制系统的原理和结构，首先应对永磁同步电机进行分析。永磁同步电机可根据永磁体在电机内部布置位置不同分为爪极式、表面式和内嵌式等。内嵌式永磁同步电机结构如图1所示，顾名思义其永磁体内嵌于转子铁心内部，从转轴方向看，两对磁极对称分布，且磁极方向交替排列，d轴永磁体磁感线方向指向电机外部，另外一组永磁体磁感线方向指向电机内部。在永磁体外层均匀布置一层绕组，结构类似于鼠笼，称之为鼠笼条。由于内嵌式永磁同步电机磁路气隙小，机械强度高，便于采用弱磁控制，磁路结构的不对称性会在转子上产生一个磁阻转矩，有利于提高电机的性能。综上所述，决定采用内嵌式永磁同步电机作为电机车的牵引电机。2调速策略对比分析1）变压变频控制又称V V V F控制，这种方法保持电机的磁通量恒定，同时改变电压和频率，其比值固定不变，这种调速方法只能通过变频调速，且只能运行于基频以上，若频率低于基频则不能维持磁通恒定，因此只能适用于电机转速在基频以上的场合，对于电机车而言不适用。2）直接转矩控制又称D T C控制，是一种目前比较先进的控制策略，最初这种控制策略应用于异步电机调速中，后来人们推广至同步电机中，通图1内嵌式永磁电机转子结构1 9 6江西煤炭科技2023年第1期图3矢量控制程序流程过转矩角的概念使直接转矩控制能够用于同步电机中，由于这种方法不需要检测电机电流，可以省略一部分采样电路，还能加快动态响应速度，得到了研究人员的青睐。但是直接转矩控制存在转矩和磁链脉动，是应用中的一种障碍。3）矢量控制是一种研究历史很长的控制方法，这种方法通过坐标变换将电机的状态分解为直轴和交轴两个分量，实现电机的解耦，矢量控制的优点是动态响应快，调速平稳，缺点是对于电机的参数依赖较大，在调速过程中电机的参数发生变化后其调速性能会大受影响。3控制系统总体硬件结构基于永磁同步电机的矿用电机车控制系统硬件电路如图2所示，该电路从功能上可分为主电路部分和控制电路部分，主电路部分包括蓄电池、逆变器、永磁同步电机I P M S M，蓄电池与逆变器之间串联一限流电阻，目的是保护蓄电池，防止逆变器发生短路时直接将蓄电池短接。控制电路由控制板、电压检测电路、电流检测电路、转子位置和速度检测电路、驱动电路、控制板以及供电电路等组成。控制板以控制器T M S 3 2 0 F2 8 1 2为核心，一方面接收蓄电池电压和电机电流采样的模拟信号，通过控制芯片内部集成的A D C模块转换为数字信号，通过控制芯片内部集成的Q E P模块接收电机位置和转速信号；另一方面通过程序内的算法将这些数据进行坐标变化和P I D调节，得到控制信号，通过芯片集成的E V模块将控制信号转换为高频的P WM信号，输出给驱动电路，驱动电路将P WM信号进行功率放大，得到电压和电流放大的P WM波，用于控制逆变桥的I G B T开通和关断，实现逆变器输出电流的控制。控制板上的G P I O接口可用于外接声光报警电路、键盘输入、液晶屏输出等。4调速过程本控制系统矢量控制的程序流程如图3所示。该控制流程在软件中写入中断子程序中，在软件开始运行以后，主程序进行各类设备的初始化，然后等待中断。响应中断以后程序进入矢量控制流程，对直流电压和电机电流进行采样，采样过程也在中断中进行。采样完成后，进行坐标变化，通过派克变换和克拉克变换将电流电压由三相静止坐标系转换至两相静止坐标系中，然后进行转子位置初始化设置。设置完成后通过高频信号注入法获取转子位置，并再次通过坐标变换将物理量变换到两相旋转坐标系中；然后开始速度调节，给定一个速度信号，通过电流P I调节，得到d轴和q轴的控制信号；最后通过坐标变换将控制信号转换至两相静止坐标系中，通过空间矢量脉宽调制输出控制信号。5功能分析基于永磁电机的电机车自动控制系统主要功能是根据司机的控制指令进行启动、车速调节、制动，以及调度连锁、视频监控等功能，未来还可以配合遥控控制实现无人驾驶功能。图2系统总体硬件电路1 9 7江西煤炭科技2023年第1期5结语在落差较大的转载环节处加装螺旋溜槽可以有效防止块煤破损，大阳洗煤厂经过延长溜槽加速段与匀速段的距离并加装缓冲溜槽后，中、小块煤的限下率得到了显著下降，提高块煤产出量，块煤回收率基本保持3 5%4 0%。在加装后的实践中还发现，螺旋溜槽仍存在部分易堵塞区域，对此需加装自动冲水疏通装置后，通过气动控制单元的冲水作用可以实现自动疏通，防止物料堆积。参考文献：1 王俊红.降低块煤限下率初探J.北京：煤质技术，2 0 1 4（5）：5 6-5 8.2 伊钟玉.选煤厂设计中的块煤防碎专项研究J.北京：煤炭工程，2 0 1 8，5 0（7）：2 3-2 5.3 韩龙.选煤厂设备智能故障诊断系统设计J.江西煤炭科技，2 0 2 1（3）：2 0 5-2 0 7.4 孔德刚，吕建军.新型螺旋溜槽在储煤仓中的应用J.唐山：选煤技术，2 0 1 0（5）：3 2-3 3.5 马富平，王和平.浅析寺家庄选煤厂全入洗技术改造实践的体会J.江西煤炭科技，2 0 2 1（2）：2 1 9-2 2 1.6 李炳才，杨世龙.螺旋溜槽在块煤防破碎中的应用J.北京：煤炭工程，2 0 0 5（2）：5 9-6 0.7 李广，肖琴，李春鸥，等.新型高效螺旋溜槽的设计及应用J.洛阳：矿山机械，2 0 1 6，4 4（5）：6 3-6 6.8 于腾飞.螺旋溜槽在块煤防破碎中的设计及应用J.哈尔滨：煤矿机械，2 0 1 4，3 5（1 1）：2 0 7-2 0 9.作者简介：时盆青（1 9 8 8），男，山西晋城人，2 0 0 6年毕业于山西省煤炭职业技术学院，煤炭综合利用专业，中专学历，助理工程师，现从事煤炭洗选加工技术管理工作收稿日期：2 0 2 2-0 5-0 9编辑：许敦昂调度连锁。在同一矿井巷道中的轨道段，可能存在多辆电机车同时运行，这就涉及车辆调度的问题，原先的调度系统可通过电机车定位系统对各电机车进行位置显示，通过调度人员和司机进行联系实现车辆调度，这种方式调度效率不高，可能存在安全隐患，发生局部地区堵车，甚至车速过快而追尾的事件。采用永磁电机对电机车调速系统进行改造以后，可通过电机车速度采样装置反馈电机车的速度和实时位置，调度系统根据各电机车的状态制定合适的调度策略，控制不同车辆的提速、减速等，实现车辆的最优调度。视频监控。传统的地面监控中心可通过传感器回传电机车的速度、电压等信息，用于安全监测，在此基础上可在机机车车头和巷道关键位置增加高清摄像头，用于地面人员对电机车的监控，增加安全系数。功能拓展。在上述功能基础上，该系统未来可以进一步实现遥控控制、无人驾驶和能量回收等功能。由于增加了视频监控，工作人员可通过监控设备查看电机车的装煤状态，通过遥控对电机车的装煤和卸煤等动作进行远程控制。遥控控制是无人驾驶的技术基础，为了彻底解放司机人员的劳动，可通过无人驾驶技术实现全过程无人干预。通过设计实现制动时能量回馈，将电机车动能转化为电能储存在蓄电池中，实现节能减排的作用。6结语基于矢量控制的永磁同步电机控制系统能够提高电机车的调速性能，在实现电机车启动、调速、制动等功能的基础上，还能实现调度连锁、视频监控等功能，未来还可以实现制动能量回馈、遥控控制和无人驾驶等高级功能，有利于企业实现节能减排、减员增效，是未来煤矿电机车的发展方向。参考文献：1 杨晶，赵敏.矿用运输机车驱动用永磁电动机设计关键技术J.上海：煤矿机电，2 0 1 9，4 0（5）：1-4.2 周保生.基于永磁电机的矿用电机车自动化控制设计研究J.重庆：自动化应用，2 0 1 9（7）：1 5-1 6.3 李建.永磁同步电动机在矿用蓄电池电机车上的应用J.安徽科技，2 0 1 7（1 0）：5 5-5 6.4 耿宇翔，徐美华，郑昌陆.矿用蓄电池电机车永磁同步电机调速器的应用研究J.上海：仪表技术，2 0 1 5（3）：4-7，4 0.5 张俊卿，梅奕，黄友锐，等.基于永磁同步电动机的矿用电机车调速系统设计J.常州：工矿自动化，2 0 1 4，4 0（2）：4 5-4 8.6 戚小颖，刘晓鹏，李伟.永磁同步电动机在蓄电池电机车中的应用J.郑州：中州煤炭，2 0 1 2（8）：8 5-8 7.作者简介：王 超（1 9 9 2），男，山西平遥人，2 0 1 6年毕业于太原科技大学矿山机电专业，大专学历，研究方向：煤矿机电，现从事煤矿机电相关工作。收稿日期：2 0 2 2-0 5-0 2编辑：许敦昂（上接1 9 5页）1 9 8