基于ARM的蓄电池电机车变频调速控制系统的研究

摘要

电机车是煤矿生产中主要的运输装置，在全国大多数煤矿中蓄电池电机车大多还采用直流电机作为牵引动力。随着经济的发展，高新技术的进步，变频调速理论研究不断创新，如今直流电机调速已逐渐退出其辉煌的历史舞台，交流电机凭借电力电子器件和技术的快速发展拥有良好的调速性能而搏得广阔的应用天地，尤其在煤矿这种复杂环境的应用更能显示它的优点。
　　本文是基于矿用电机车在煤矿井下的应用，针对其应用的关键技术及控制对象的不同提出了一种新的改进方案，其控制对象选用三相交流异步电机，控制关键技术采用无速度传感器的矢量控制策略。本文的主要工作是对变频调速系统进行研究和应用，采用先进的32位ARM作为微控制器，移植操作系统μC/OS-Ⅱ管理各功能程序，运用优化的PWM技术即电压空间矢量SVPWM技术与电机的完美结合，具有降低输出转矩脉动，提高电压利用率，减少输出电流谐波及电机的谐波损耗等优点。利用SVPWM无速度传感器转子磁场定向矢量控制系统，采用基于模型参考自适应的转速估算方法，可靠的实现了转速闭环控制和磁场定向，通过电动机数学模型分析了矢量控制原理并提出了电压空间矢量控制技术，同时利用Matlab软件建立仿真模型，对仿真波形进行了分析。
　　本文主要针对煤矿蓄电池电机车变频调速系统的硬件和软件进行研究与设计。文中阐述了硬件设计的核心LPC1768内核结构及功能模块，主功率电路和主要控制电路部分以及驱动电路、检测电路、系统保护电路。软件部分在采用传统的PWM控制算法的基础上移植了操作系统μC/OS-Ⅱ来管理各程序模块的运行，同时介绍了操作系统μC/OS-Ⅱ相关知识。本文首先对系统进行了仿真模型设计与分析，在此基础上在实验室搭建了硬件平台，进一步验证了SVPWM矢量控制算法。
　　最后，对全文的工作进行总结和分析，总结论文的主要工作和创新点，分析论文设计中的不足处和进一步研究方向。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 本课题的研究背景及发展趋势

1．2 电力电子技术的发展

1．3 交流调速系统概述

1．4 矢量控制技术的发展

1．5 无速度传感器异步电机矢量控制系统概况

1．6 本文研究的主要内容与创新点

2 异步电动机的数学模型及矢量控制理论

2．1 异步电动机动态数学模型

2．1．1 三相异步电动机的数学模型

2．1．2 矢量坐标变换理论

2．1．3 异步电动机的两相坐标系数学模型

2．2 矢量控制原理

2．2．1 基于转子磁场定向的矢量控制

2．2．2 基于气隙磁场定向的矢量控制

2．2．3 基于定子磁场定向的矢量控制

2．3 电压空间矢量SVPWM调制技术

2．3．1 电压空间矢量SVPWM调制技术

2．3．2 电压空间矢量SVPWM基本原理

2．3．3 电压空间矢量SVPWM的法则推导

2．3．4 电压空间矢量SVPWM的控制算法

2．4 矿用蓄电池电机车矢量控制系统总体方案

2．5 本章小结

3 矿用电机车无速度传感器矢量控制系统基本原理

3．1 矿用电机车转子磁场定向策略

3．2 矿用电机车转子磁场定向控制系统结构

3．3 矿用电机车转子磁链观测方法

3．4 基于模型参考自适应矿用电机车转速估算

3．4．1 模型参考自适应的基本理论

3．4．2 参考模型和可调模型

3．4．3 自适应律的确定

3．4．4 异步电动机转速估算

3．5 本章小结

4 无速度传感器转子磁场定向矢量控制系统仿真研究

4．1 无速度传感器矢量控制系统仿真模型

4．2 基于MRAS的无速度传感器矢量控制系统仿真

4．3 仿真波形分析

4．4 本章小结

5 系统硬件设计部分

5．1 系统整体设计框架

5．2 ARM控制电路设计

5．2．1 基于Cotex-M3内核的LPC1768芯片概述

5．2．2 LPC1768功能模块及引脚介绍

5．3 控制电路的其他功能部分设计

5．3．1 控制电路电源部分

5．3．2 通信电路设计

5．3．3 驱动和控制连接电路设计

5．4 检测电路及驱动电路

5．4．1 电压、电流检测、驱动电路

5．4．2 温度检测电路

5．4．3 过流保护电路

5．5 系统主功率电路设计

5．5．1 DC升压电路

5．5．2 DC滤波电路

5．5．3 主功率电路

5．6 本章小结

6 系统软件设计

6．1 LPC1768软件开发与设计

6．1．1 LPC1768 ARM的编译环境和程序下载

6．1．2 中断系统

6．1．3 电机控制PWM模块

6．1．4 ADC模块

6．2 μC／OS-Ⅱ操作系统的移植

6．2．1 嵌入式实时操作系统μC／OS-Ⅱ简介

6．2．2 μC／OS-Ⅱ的内核结构及原理

6．2．3 移植要求

6．2．4 移植μC／OS-Ⅱ的内容

6．3 软件整体结构与设计

6．3．1 软件流程图

6．4 本章小结

7 系统实验结果与分析

7．1 实验概述

7．2 实测波形

7．3 本章小结

8 结论与展望

参考文献

附录A 控制电路总图

附录B 逆变电路及驱动电路总图

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果