1緒論

1.1課題研究背景與意義
隨著我國經(jīng)濟的快速發(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。而提高礦用電機車的運輸能力成為解決該問題的有效手段。礦用電機車用于牽引運輸車輛完成對煤炭、奸石、材料、設備、人員的運送,相當于鐵路運輸中的電氣機車頭,有助于井下長距離運輸。礦用電機車分為兩大類: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。在如此復雜、惡劣的工作條件下,蓄電池式電機車相比于架線式電機車有更加明顯的優(yōu)勢。目前,蓄電池式電機車多用直流電動機或異步電動機作為驅(qū)動裝置,但兩者都有各自的缺點和局限。由于直流電動機需要使用換向器進行換向,因此結構相對復雜,壽命有限,不易維護;而異步電動機有功功率因數(shù)較低,轉動慣性大,控制精度低等缺點。隨著永磁同步電機控制技術的不斷成熟,為礦用電機車的發(fā)展提供了新方向。性能優(yōu)良的電機控制系統(tǒng)是礦用電機車穩(wěn)定安全運行的前提。永磁同步電機有體積小、結構簡單、功率密度高、輸出轉矩大、動態(tài)性能好等優(yōu)點。但由于永磁同步電機擁有一套極其復雜的數(shù)學模型。永磁同步電機的非線性和解稱困難的特征在數(shù)學模型中得到充分體現(xiàn)。因此永磁同步電機是一套非常復雜的系統(tǒng),致使高性能控制不易實現(xiàn)。隨著電力電子技術的不斷發(fā)展,以及電機控制理論的不斷進步,使得永磁同步電機控制系統(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,增強了礦用電機車的續(xù)航能力,獲得了更好的運行效果。
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1.2礦用電機車驅(qū)動控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
上個世紀的八十年代以來,關于電機控制系統(tǒng)的研究不斷白熱化,為高精度的傳動系統(tǒng)奠定了基礎。根據(jù)永磁同步電機不同的控制技術,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用場合[6]。隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展,永磁同步電機的控制系統(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、微機及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合,為永磁同步電機在精度要求高的控制系統(tǒng)中奠定了基礎。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控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,同時動態(tài)響應能力也得到加強。
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2永磁同步電機控制系統(tǒng)

2.1同步電機數(shù)學模型
由永磁同步電機的結構特點可知,永磁同步電機相當于畫定激磁的同步電機,因此,本文從直流激磁的同步電機入手,對電機調(diào)速系統(tǒng)進行分析。電機電樞磁通勢由通入定子繞組的三相對稱電流產(chǎn)生的,是三相合成旋轉磁通勢;轉子側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,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。因此,對永磁同步電動機的研究,要從分析同步電機的數(shù)學模型開始,其基本數(shù)學模型是在電機定子三相對稱繞組所在的自然坐標系下推導而來,永磁同步電機可視為其特殊情況。本文在建立同步電機數(shù)學模型時,有如下假設條件:(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)忽略溫度對電機參數(shù)的影響;(d)釆用電動機慣例設定的正方向。
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2.2永磁同步電機數(shù)學模型及特性
電磁轉矩與功角和內(nèi)功率因數(shù)角均存在非線性的函數(shù)關系。保持電壓不變,改變功角,電磁轉矩大小隨之變化;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矩,適用于電流型逆變器。永磁同步電機由永磁體產(chǎn)生激磁,與恒流勵磁的同步電機。當運用磁場定向控制原理,對永磁同步電機進行控制時,要注意永磁同步電機的轉子永磁體磁場恒定不變,只能從定子側進行控制,歸結為縱軸恒流激磁條件下的定子側電壓電流控制。根據(jù)不同的定向方式,永磁同步電機磁場定向控制有多種方案,比較常用的有:轉子磁鏈定向控制,定子磁鏈定向控制,最優(yōu)轉矩控制,弱磁控制等。
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3永磁同步電機無位置傳感器控制系統(tǒng)......31
3.1永磁同步電機動態(tài)模型......31
3.2干擾觀測器設計......32
3.3轉子位置和轉速的估算......37
3.4本章小結......39
4永磁同步電機控制系統(tǒng)仿真......41
4.1永磁同步電機矢量控制仿真模型建立......41
4.1.1永磁同步電機模型選擇......42
4.1.2PI 調(diào)節(jié)器......42
4.1.3SVPWM 生成模塊......43
4.2仿真結果..................43
4.2.1永磁同步電機磁場定向控制策略仿真......43
4.2.2轉子位置及轉速估算仿真......47
4.3本章小結......48
5系統(tǒng)的硬件電路設計......49
5.1系統(tǒng)硬件結構總體設計......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......63

6系統(tǒng)的軟件設計

6.1系統(tǒng)軟件總體設計

本文研究對象為礦用電機車,使用永磁同步電機作為系統(tǒng)的驅(qū)動核心。因此,本系統(tǒng)為永磁同步電機控制系統(tǒng)。針對本系統(tǒng)進行軟件設計時,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,對代碼進行調(diào)試,修補漏洞,實現(xiàn)需求所規(guī)定的功能。本系統(tǒng)的軟件設需遵循以下原則:(1)系統(tǒng)軟件功能模塊化,盡量減小各模塊之間相關性,功能模塊變量封裝成結構體形式;(2)底層驅(qū)動模塊化,增強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,進行清晰地劃分,合理分配任務的優(yōu)先級,確保輕重緩急的合理布置與關鍵功能的實時性要求;(5)嚴格保證程序執(zhí)行時間的可預見性,避免不可預見的等待與循環(huán);(6)源代碼書寫規(guī)范化,增強代碼可讀性,合理搭建軟件框架。本系統(tǒng)為礦用電機車驅(qū)動系統(tǒng),需要實現(xiàn)其啟動、停車,穩(wěn)定運行,實時監(jiān)控電機參數(shù)等功能。軟件釆用模塊化設計,主要由主程序和五個中斷服務子程序組成。主程序適于處理實時性要求不高的事件,因此主要負責單片機和各個變量的初始化。中斷服務子程序?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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結論

本文研究對象為礦用電機車驅(qū)動系統(tǒng)。在國內(nèi)外礦用電機車驅(qū)動系統(tǒng)研究的基礎之上,對國內(nèi)礦用電機車驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)缺點進行分析,并借鑒國內(nèi)外永磁同步電機的最新研究成果,選用永磁同步電機作為驅(qū)動系統(tǒng)的核心部件。根據(jù)礦用電機車的工作環(huán)境和性能要求,釆用按轉子磁鏈定向的矢量控制技術,實現(xiàn)對電機輸出轉速的精確控制。同時,使用無位置傳感器控制技術,實現(xiàn)對轉子位置和轉速的估算,避免了位置傳感器的安裝和維護難題,簡化了系統(tǒng)硬件設計。本文針對永磁同步電機現(xiàn)有問題進行了討論研究,對磁場定向控制策略和轉子位置和轉速估算方法進行了分析,取得了以下成果:
1.分析礦用電機車驅(qū)動系統(tǒng)的實際功能需求,使用永磁同步電機做為系統(tǒng)的驅(qū)動電機,分析電機數(shù)學模型,應用磁場定向控制技術,實現(xiàn)速度、電流雙閉環(huán)控制,提聞系統(tǒng)動態(tài)性能。
2.研究永磁同步電機無位置傳感器控制原理,釆用干擾觀測器實現(xiàn)對轉子轉速和位置的估算,簡化了控制系統(tǒng)的硬件結構,使得永磁同步電機更好地適應了井下復雜、惡劣的工作環(huán)境。
3.基于電機控制理論的研究,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(略)

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本文編號：37947