基于DSP的矿用电机车直接转矩控制的研究

摘要

电机车是矿山主要的运输工具，对地面或是井下的运输，都起到至关重要的作用。现在，在高速度发展的中国，能源问题严重影响了经济的发展。我国对矿山资源、煤炭资源的需求越来越大，然而我国的煤碳开采主要以井下开采为主，露天煤矿开采所占比率不到10％，在煤矿井下开采中，运输能力往往决定着开采能力，目前地面和井下的物质运送基本上都使用电机车运输。随着煤矿的开采，工作面离井口越来越远，井下人员也需要乘坐载人电机车到工作面。可知，电机车已经成为矿井的重要交通运输工具。
　　我国的矿用电机车大多数采用比较原始的直流电动机串电阻方式调速，采用这种调速方式存在的问题较多，比如效率不高、维护困难、配件更换频繁、操作不方便、安全性能不高等一系列问题。这些问题不但容易造成安全隐患，而且还影响着煤矿的生产。而直接转矩控制系统的模型简单，应用在电机车调速上，可以使系统具有较强的自动调节能力，调速范围广、加减速性能好，完善的保护功能，能耗降低，维护费用减少，稳定的工作性能，所以本文选用高性能的直接转矩控制策略，采用DSP作为电机车的控制器，对电机车进行改进。
　　本文首先介绍了课题的研究背景、国内外的发展动态和直接转矩控制的现状及发展，并对几种控制方案进行分析比较。然后介绍了交流调速的理论基础和直接转矩控制的基本原理，对异步电动机和直接转矩控制进行了仿真验证。其次，对本课题给了系统的总体设计方案，设计了系统硬件部分和软件部分，在硬件方面，介绍了TMS320F2812的情况以及工作电路和智能功率模块，对直接转矩控制系统的驱动电路、电流电压检测电路、速度检测电路和PWM波输出电路进行了介绍;在软件方面，给出了速度采集原理与程序、电流采样原理与程序、磁链角获得及编程实现方法，以及SVPWM波产生的原理、程序实现方法。最后，用仿真软件对控制策略进行仿真测试、验证，检测方案的可行性。
　　仿真结果表明，基于DSP的矿用电机车直接转矩控制是可行的。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究动态

1．3 几种控制方式的比较

1．4 直接转矩控制(DTC)的现状及其发展方向

1．5 课题主要研究的内容

1．6 小结

2 交流调速系统的理论基础

2．1 异步电动机在三相坐标系下的动态方程

2．1．1 电动机在三相动态模型的数学模型

2．1．2 磁链方程

2．1．3 电压方程

2．1．4 转矩方程

2．1．5 运动方程

2．2 异步电动机在两相坐标系下的运动方程

2．3 坐标变换

2．4 Clark变换(3s／2s变换)与反Clark变换(2s／3s变换)

2．5 异步电动机的仿真分析

2．6 小结

3 直接转矩控制的基本原理

3．1 直接转矩控制原理

3．2 定子磁链和转矩计算模型

3．2．1 定子磁链计算模型

3．2．2 转矩计算模型

3．3 电压空间矢量

3．4 PWM控制

3．5 直接转矩控制的仿真验证

3．6 小结

4 系统硬件设计

4．1 电机车介绍

4．2 车体改造示意图

4．3 控制器主芯片的介绍与选择

4．3．1 控制器芯片选择

4．3．2 控制器芯片介绍

4．4 控制器硬件电路设计

4．4．1 DSP2812工作电路设计

4．4．2 驱动及逆变电路

4．4．3 电流检测部分

4．4．4 电压检测部分

4．4．5 光耦隔离电路部分

4．4．6 光电编码器

4．4．7 PWM波输出电路设计

4．5 小结

5 软件部分设计

5．1 模糊PID控制

5．1．1 模糊控制介绍

5．1．2 模糊PID控制器

5．1．3 模糊规则的建立

5．2 编程标准及其编程环境

5．2．1 C语言

5．2．2 C语言编程环境和CCS编程环境介绍

5．3 主程序设计

5．3．1 电流程序设计

5．3．2 Park变换程序设计

5．3．3 磁链角获得和程序

5．3．4 SVPWM波形生成程序

5．3．5 速度测量程序

5．4 小结

6 MATLAB仿真分析

6．1 MATLAB介绍

6．2 系统仿真建模

6．3 仿真波形分析

6．4 测试条件

6．5 测试结果

6．6 小结

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