CN102006010A - 大功率矿井提升机变频驱动的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率矿井提升机变频驱动的控制方法及装置。所述装置包括电磁兼容电路、整流电路、三相桥式PWM型逆变电路、电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、转速检测电路、驱动电源模块、PWM隔离及驱动电路、辅助电源、通讯模块、人机对话模块、ARM微控制器。ARM微控制器根据电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、转速检测电路的检测信号输出PWM信号到提升机变频驱动电路，控制变频器工作。本发明采用矢量控制，改善了电机转矩控制性能，实现了宽范围调速，并实现了全范围软开关，大大减少了功率管的开关损耗和电应力，改善了工作条件，降低了电磁干扰，并通过多种有效保护措施，提高了整机运行的可靠性和适应性。

Description

大功率矿井提升机变频驱动的控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种专用电机交流变频调速控制技术，特别是指一种大功率矿井提升机变频驱动的控制方法及装置。

背景技术

目前，在矿井提升机电机驱动调速领域，由于其生产要求所需要的大电流、高功率，所以传统的矿井提升机电机驱动方式主要以硅整流和晶闸管整流式为主，整流式电源比较可靠，技术上比较成熟，但设备体积庞大，笨重、能耗高、效率低，且由于其结构原因，动特性方面也不够理想。较先进的变频调速装置具有体积小、效率高，技术含量较高、附加值高，但矿井提升机变频器器件工作环境比较恶劣，开关损耗大，高次谐波会造成电网污染，需吸收缓冲电路，变频器功率的提高也受到限制。具体来说，大功率矿井提升机变频驱动主要存在以下几个方面的问题：

    ⑴可靠性问题  由于矿井提升机的使用环境恶劣，对其可靠性的要求很高。目前，普通矿井提升机变频器由于高频寄生振荡、负载频繁复杂变化、电磁干扰、偏磁等原因，特别是在大功率情况下，变频器存在可靠性不够的问题。

    ⑵谐波干扰  目前，市场上的矿井提升机变频器基本为硬开关工作方式，在开关过程中产生的谐波会回馈电网，对电网造成污染；同时还会造成严重的电磁干扰。

    ⑶矿井提升机变频器的控制性能  矿井提升机变频器的控制周期短，整机的动态响应快。但该优点并没有在现有产品中得到足够的重视和体现，在矿井提升机变频器方面仍局限于传统的控制模式和设计思路，变频器的性能优势没有得到充分的发挥。

    ⑷功率因数问题  功率管的开关动作下的矿井提升机变频器，其工作波形都存在畸变，还存在高次揩波，降低了功率因率。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种可靠性高、稳定性、控制效果好的大功率矿井提升机变频驱动的控制方法及装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：

1）电流检测电路测量逆变器输出的定子电流                                                

、

，并利用式

计算出定子电流，经过Clarke变换和Park变换将定子电流

、

、

变换成旋转坐标系中的直流分量

、

，

、

作为电流环的负反馈量；

2）利用转速检测电路测量电动机的转速

，将转速

及转速

与给定转速

的偏差作为速度PI调节器的输入，速度PI调节器输出用于转矩控制的电流T轴参考分量

；

3）将直流分量

、

和转速

，输入转子磁链位置计算模块求出转子磁链位置；

4）将电流T轴参考分量

与电流反馈量

的偏差和

分别送到电流PI调节器的输入端，电流PI调节器分别输出M、T旋转坐标系的相电压分量和；

5）将相电压分量

、和磁链位置通过Park逆变换转换成

、直角坐标系的定子相电压矢量的分量

和

；

6）根据相电压矢量的分量

和

，由电压空间矢量模块产生PWM控制信号来控制逆变器。

一种大功率矿井提升机变频驱动的控制装置，包括电磁兼容电路、整流电路、三相桥式PWM型逆变电路、电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、转速检测电路、驱动电源模块、PWM隔离及驱动电路、辅助电源、通讯模块、人机对话模块、ARM微控制器；所述三相交流电经电磁兼容电路后分别送到整流电路、驱动电源模块、辅助电源的输入端，整流电路的输出分别接三相桥式PWM型逆变电路、电压检测电路的输入端，三相桥式PWM型逆变电路的输出端接电机，驱动电源模块的输出接PWM隔离及驱动电路，电流检测电路的输入端接三相桥式PWM型逆变电路的输出，温度检测电路的输入端与三相桥式PWM型逆变电路相接，转速检测电路的输入端接电机，电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、转速检测电路、辅助电源的输出端分别接ARM微控制器，通讯模块、人机对话模块与ARM微控制器相连。

本发明的技术效果在于： 

1. 本发明采用ARM微控制器，并结合矢量控制控制变频器工作，改善了电机转矩控制性能，实现了宽范围调速。

   2. 本发明实现了全范围软开关，大大减少了功率管的开关损耗和电应力，改善了工作条件，降低了电磁干扰，并通过多种有效保护措施，提高了整机运行的可靠性和适应性。

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

    图1是本发明的系统整体框图。

图2是本发明的主电路原理图。

    图3是本发明的高频驱动电路原理图。

    图4是本发明的控制系统电路原理图。

    图5是本发明的系统整体流程框图。

如图1所示，本发明所述的一种大功率矿井提升机变频驱动的控制装置包括主电路、控制电路、检测电路以及电源模块相互连接组成。主电路包括电磁兼容电路、整流滤波模块、三相桥式PWM型逆变电路和三相鼠笼电机相互连接。控制电路包括PWM隔离及驱动电路、ARM(LPC2119或LPC2134)最小系统、电流检测电路、电压检测电路和变频器温度检测电路相互连接组成，ARM(LPC2119或LPC2134)最小系统分别与PWM隔离及驱动电路、电流检测电路、电压检测电路和变频器温度检测相互连接，电流检测电路的另一端与逆变电路输出端相连接，电压检测电路与逆变电路输入端相连接，温度检测电路的另一端与逆变电路连接的温度传感器相连接，PWM隔离及驱动电路与三相桥式PWM型逆变电路相连接。驱动电源模块与三相交流输入端相连接，另一端连接PWM隔离及驱动电路。辅助电源模块与三相交流输入端相连接，另一端连接ARM(LPC2119或LPC2134)最小系统。人机对话模块包括对给定信号、输出信号的处理以及显示电路；通讯模块主要包括串口或CAN总线等扩展应用电路。

如图2所示，在主电路中，三相交流输入电源经电磁兼容处理连接整流滤波模块的整流桥，然后连接滤波环节L ₁、C _5-8，再连接高效三相电压型高频逆变模块的逆变桥VT _1-6、C _11-16、R _5-10，其中R _5-10在实际电路当中用零电阻线代替，C _11-16为外接的谐振电容。高效三相电压型高频逆变模块的输出连接相鼠笼电机。高效三相电压型高频逆变模块包括V ₁、V ₂和V ₃三个逆变桥臂，每个桥臂包含了两个单元的IGBT。

如图3所示，高频驱动模块主要起到数模隔离以及功率放大作用，包括六个由光电隔离TIP250构成的高频驱动电路。由ARM微控制器输出的六路SVPWM信号，通过高频驱动电路之后变成能够驱动IGBT功率器件的六路驱动信号，分别驱动V ₁、V ₂和V ₃三个逆变桥臂的六个IGBT模块。由ARM微控制器输出的六路SVPWM信号经过高频驱动模块隔离放大之后，转变为正半波最高幅值+17V，负半波最低幅值-7V的交流脉冲信号，可以满足大功率IGBT可靠开启和关断的需要。

图4所示，ARM微控制器采用32位高速ARM嵌入式微处理器，以及固化于ARM芯片内的UC/OS-II嵌入式实时操作系统为提升机变频器的操作系统平台，由ARM芯片及辅助电路相互连接组成。根据检测的三相电流、直流母线电压、变频器温度和转速参数，在UC/OS-II嵌入式实时操作系统上完成数据运算和处理，在经过ARM微控制器的六路PWM引脚输出六路SVPWM信号，并通过高频驱动模块隔离和放大后去控制V ₁、V ₂和V ₃三个逆变桥臂的六个IGBT模块开通和关断。ARM芯片主要实现三相变频器输出特性的控制、提升机运行状态监控与人机对话功能。外部监控信号如变频器输出参数指示、故障指示、欠压、过流指示等都是通过ARM芯片来控制的。利用ARM芯片控制外部监控与人机对话使得本变频器的多参数调节与控制更为方便，使用更简易，易于推广。

如图5所示，本发明的基本控制流程包括初始化模块(a)、保护模块(b)和矢量控制模块(c)。初始化模块主要实现变频器参数的设置、显示和系统中断的设置和开发等功能；保护模块主要根据变频器电压输入、电流输出状态和温度实现对其自身保护；

矢量控制模块主要是根据变频器输出电流和电机转速，通过相应控制算法得出变频器不同开关模式和PWM控制信号来控制变频器，其具体步骤为：1）电流检测电路测量逆变器输出的定子电流

、

，并利用式

计算出

，经过Clarke变换和Park变换将电流

、

、

变换成旋转坐标系中的直流分量

、

，

、作为电流环的负反馈量；2）利用转速检测电路测量电动机的转速

，将转速

及转速

与给定转速

的偏差作为速度PI调节器的输入，速度PI调节器输出用于转矩控制的电流T轴参考分量

；3）将直流分量

、

和转速

，输入转子磁链位置计算模块求出转子磁链位置；4）将电流T轴参考分量

与电流反馈量

的偏差和

分别送到电流PI调节器的输入端，电流PI调节器分别输出M、T旋转坐标系的相电压分量

和

；5）将相电压分量

、

和磁链位置通过Park逆变换转换成

、

直角坐标系的定子相电压矢量的分量

和

；6）根据相电压矢量的分量

和

，由电压空间矢量模块产生PWM控制信号来控制逆变器。

    应用本发明时，三相380V/660V/1100/工频交流电经过电磁兼容模块、整流滤波模块后成为平滑直流电，进入高频逆变模块，ARM微控制器对变频输出电流、直流母线电压与电机转速进行检测，经过ARM微控制器运算、处理后，由的PWM模块输出可调的六路SVPWM信号，这六路SVPWM信号通过高频驱动模块进行数模隔离与功率放大后去控制三相高频逆变模块，通过逆变回路的谐振换流，实现IGBT功率管的开通和关断，向交流电动机提供可变频电源，实现交流电动机的变频调速。温度检测模块检测散热片的温度，送给ARM微控制器，从而控制高频逆变模块，形成过热保护控制环节，以保证变频器的安全工作；电流、电压和电机转速检测模块检测直流母线电压、变频器三相输出电流和电机转速，把检测得到的信号送给ARM微控制器，用于变频器矢量控制及相应保护，如出现过压、欠压和过流等现象，ARM微控制器将关闭PWM模块输出，从而保证变频器的安全。

本发明采用ARM（LPC2134）芯片作为控制核心器件，以UC/OS-II嵌入式实时操作系统为提升机变频器的操作系统平台，充分利用ARM（LPC2134）芯片在嵌入式控制方面的优越性能，采用模块化、可移植的设计方法，通过软件编程实现矿井提升机交流电机的矢量控制。本发明为了防止矿井提升机由于复杂工况引起变频器功率开关管的不确定性工作状态及各模块之间的干扰，分别给每个模块单独供电，并且数字电源和模拟电源分析之间采用光电隔离电路，提高了系统的抗干扰能力。本发明具有体积小、重量轻、结构简单紧凑、效率高、响应快，调试范围广、具有保护功能强等特点。

Claims (6)

1.一种大功率矿井提升机变频驱动的控制方法，包括以下步骤：

1）电流检测电路测量逆变器输出的定子电流                                                

、

，并利用式

计算出定子电流

，经过Clarke变换和Park变换将定子电流

、

、

变换成旋转坐标系中的直流分量、

，

、

作为电流环的负反馈量；

2）利用转速检测电路测量电动机的转速

，将转速

及转速

与给定转速

的偏差作为速度PI调节器的输入，速度PI调节器输出用于转矩控制的电流T轴参考分量

；

3）将直流分量、

和转速

，输入转子磁链位置计算模块求出转子磁链位置；

4）将电流T轴参考分量

与电流反馈量

的偏差和分别送到电流PI调节器的输入端，电流PI调节器分别输出M、T旋转坐标系的相电压分量

和

；

5）将相电压分量

、

和磁链位置通过Park逆变换转换成、

直角坐标系的定子相电压矢量的分量

和

；

6）根据相电压矢量的分量和

，由电压空间矢量模块产生PWM控制信号来控制逆变器。

2.一种大功率矿井提升机变频驱动装置，其特征在于：包括电磁兼容电路、整流电路、三相桥式PWM型逆变电路、电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、转速检测电路、驱动电源模块、PWM隔离及驱动电路、辅助电源、通讯模块、人机对话模块、ARM微控制器；所述三相交流电经电磁兼容电路后分别送到整流电路、驱动电源模块、辅助电源的输入端，整流电路的输出分别接三相桥式PWM型逆变电路、电压检测电路的输入端，三相桥式PWM型逆变电路的输出端接电机，驱动电源模块的输出接PWM隔离及驱动电路，电流检测电路的输入端接三相桥式PWM型逆变电路的输出，温度检测电路的输入端与三相桥式PWM型逆变电路相接，转速检测电路的输入端接电机，电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路、转速检测电路、辅助电源的输出端分别接ARM微控制器，通讯模块、人机对话模块与ARM微控制器相连。

3.根据权利要求2所述的大功率矿井提升机变频驱动装置，其特征在于，ARM微控制器采用Philips 公司的LPC2119或LPC2134微控制器。

4.根据权利要求2 所述的一种大功率矿井提升机变频驱动装置，其特征在于，所述电流检测电路采用电流传感器。

5.根据权利要求2 所述的一种大功率矿井提升机变频驱动装置，其特征在于，所述电流检测电路采用电流传感器。

6.根据权利要求2 所述的一种大功率矿井提升机变频驱动装置，其特征在于，所述转速检测电路采用增量式编码器。

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