基于无刷直流电机的矿用蓄电池机车调速系统研究

摘要

矿用蓄电池机车作为当前煤矿生产中重要的运输工具，在煤矿开采行业中起着举足轻重的作用。当前，煤矿使用的蓄电池机车大多采用传统的串激直流电动机作为系统的牵引电机，采用有级调速的方式实现速度调节，调速时需消耗大量能量在串联电阻上，降低蓄电池的续航能力。随着国家节能减排政策的不断推广和普及，以及企业对安全和性能提高迫切要求的动力下，矿用蓄电池机车必然向低能耗、高性能和高寿命的方向发展。所以，采用交流电机取代传统直流电机，将传统的串电阻调速方式改变为变频调速方式将是矿用蓄电池机车调速系统发展的必然趋势。
　　本文针对矿用蓄电池机车工作环境恶劣、使用频繁和稳定性要求高等特点，以无位置传感器无刷直流电机的牵引调速系统作为研究对象，围绕矿用蓄电池电机车在实际应用中存在的关键问题，将矢量控制算法应用于无位置传感器无刷直流电机的调速系统。本文将理论与实践相结合，并注重解决矿用蓄电池机车控制的实际问题，研究工作主要分为以下几个部分:(1)研究和分析学习了无刷直流电机的组成结构和工作原理，提出了无位置传感器无刷直流电机的转子位置二次检测方法;(2)完成矢量控制系统设计，建立无刷直流电机矢量控制系统的Matlab仿真模型，并进行相关工作方式的仿真;(3)将无刷直流电机应用于矿用蓄电池机车调速系统，采用ST公司的STM32F407ZET6作为核心控制器，完成了矿用电机车无刷直流电机调速系统方案设计;(4)结合硬件电路，在Keil MDK平台上设计了本控制系统所需的软件部分，分别对相关的模块进行了调试，从而实现了整体软件的设计。实验表明:基于矢量控制的矿用蓄电池机车调速系统，能够大大降低调速系统发生故障的概率，减小无刷直流电机的转矩脉动，使得系统具有高稳定性和节能性的特点，能够更好的应用于复杂的煤矿环境。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 无刷直流电机的发展和未来趋势

1．2．1 发展现状

1．2．2 发展趋势

1．3 矿用蓄电池机车调速系统的发展现状

1．4 无刷直流电机的常用控制策略

1．5 本文的主要研究工作

2 无刷直流电机的工作原理

2．1 无刷直流电机的组成结构

2．2 无刷直流电机的运行特性

2．3 无刷直流电机的数学模型

2．4 无刷直流电机位置信号检测方法

2．4．1 有位置传感器的位置信号检测方法

2．4．2 无位置传感器的位置信号检测方法

2．4．3 无位置传感器转子位置二次定位法

2．5 本章小结

3 无刷直流电机的矢量控制及仿真研究

3．1 矢量控制原理及常用策略

3．1．1 矢量控制原理

3．1．2 矢量控制常用策略

3．2 电压空间矢量控制技术

3．3 矢量控制下坐标变换

3．3．1 Park变换和Park逆变换

3．3．2 Clark变换和Clark逆变换

3．4 无刷直流电机矢量控制系统设计及仿真研究

3．4．1 无刷直流电机矢量控制系统设计

3．4．2 仿真结果及实验分析

3．5 本章小结

4 矿用蓄电池机车调速系统硬件设计

4．1 系统的总体结构

4．2 控制电路设计

4．2．1 STM32F407ZET6最小系统及引脚分布

4．2．2 数字和模拟部分电源设计

4．2．3 通信接口设计

4．3 驱动电路设计

4．3．1 IGBT模块选择

4．3．2 IGBT驱动电源

4．3．3 IGBT驱动电路

4．4 反电动势过零检测电路设计

4．5 信号检测电路设计

4．5．1 电流检测电路设计

4．5．2 电压检测电路设计

4．5．3 过温保护电路设计

4．5．4 蓄电池保护电路设计

4．6 实验波形

4．7 本章小结

5 矿用蓄电池机车调速系统软件设计

5．1 系统运行主程序

5．2 功能函数程序

5．2．1 转子预定位程序

5．2．2 增量式PI调节程序

5．2．3 SVPWM调制程序

5．3 中断服务程序

5．3．1 换相程序

5．3．2 AD采样程序

5．3．3 转速计算子程序

5．3．4 CAN通信程序

5．4 本章小结

6 总结与展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果