矿用电机车充电与驱动一体化控制系统研究

摘要

针对目前矿用蓄电池电机车及充电系统存在着体积大、续航能力低、工作效率低、蓄电池使用寿命短、加酸加液泄露及铅污染等问题,以及电机车驱动系统与蓄电池充电装置相互分离的应用现状。根据以上问题,本课题展开了矿用电机车充电与驱动一体化拓扑与控制系统的研究。
　　课题首先对矿用电机车储能电源和驱动电机作出比较分析,然后根据矿用电机车工作环境情况等综合考量,选出了低速性能更好的驱动电机(永磁同步电机)与充电速度更快、环境友好的储能电源(超级电容器)。根据矿用电机车的实际运行情况,设计了驱动与充电一体化拓扑电路,并计算出了永磁同步电机和超级电容器的参数。其次,根据所设计的一体化电路拓扑,分析了充电与驱动两种模式下的运行机理,即在驱动模式下的永磁同步电机矢量控制与双向DC/DC变换器的电压外环电流内环双闭环控制;在充电模式下的超级电容器的等效模型及多种充电方法,三相电压型PWM整流控制策略等。重点分析了所设计的一体化拓扑电路中超级电容的充电控制策略,提出了采用分阶段恒流转恒压的充电控制策略,大大缩短了充电时间,解决了传统充电方法充电速度慢、中后期大电流充电容易引起超级电容损坏等缺点。最后,根据所设计的一体化电路拓扑,对一体化控制系统的硬件系统和软件思路进行了设计,并在MATLAB/Simulink仿真软件上搭建了一体化控制系统的仿真模型,来验证一体化控制系统的正确性。
　　仿真结果表明,所设计的一体化电路拓扑及充电控制策略,解决了矿用电机车充放电彼此分离、工作效率低下、充电时间长等问题,使得矿用电机车能更加高效的满足工作需求。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．1．1 矿用电机车的储能电源

1．1．2 矿用电机车的驱动电机

1．2 充电与驱动一体化的研究现状

1．3 本文主要研究内容

2 一体化拓扑结构中驱动模式下的工作机理

2．1 充电与驱动一体化拓扑结构

2．1．1 一体化主电路选取

2．1．2 双向DC/DC变换器

2．2 PMSM数学模型与坐标变换

2．2．1 坐标变换

2．2．2 永磁同步电机数学模型

2．2．3 永磁同步电机的参数

2．3 永磁同步电机常用的控制方法

2．3．1 直接转矩控制(Direct torque control，DTC)

2．3．2 磁场定向控制(Field oriented control，FOC)

2．4 一体化驱动模式下的控制系统

2．4．1 永磁同步电机矢量控制系统

2．4．2 双向DC/DC变换器控制系统

2．5 本章小结

3 一体化拓扑结构中充电模式下的工作机理

3．1 超级电容储能器

3．1．1 超级电容基本原理

3．1．2 超级电容等效电路模型

3．1．3 超级电容储能器的参数

3．2 充电模式下三相电压型PWM整流器

3．3 超级电容器充电方法

3．3．1 恒压充电法

3．3．2 恒功率充电法

3．3．3 恒流充电法

3．3．4 分阶段恒流转恒压充电法

3．4 本章小结

4 系统的软硬件设计

4．1 控制系统的硬件设计

4．1．1 DC/DC变换器

4．1．2 IPM模块

4．1．3 PWM信号隔离驱动电路

4．1．4 电压电流检测电路

4．1．5 转速检测电路

4．1．6 过压过流保护电路

4．2 控制系统软件设计

4．2．1 系统主程序

4．2．2 双向DC/DC工作模式的选择

4．2．3 充电模式下分阶段恒流转恒压控制子程序

4．2．4 驱动模式下驱动系统控制子程序

4．3 本章小结

5 矿用电机车驱动与充电一体化控制系统的仿真分析

5．1 充电与驱动一体化系统的仿真模型

5．2 一体化驱动模式下仿真分析

5．3 一体化充电模式下仿真分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果