馮立國(guó)

【摘要】 為了提高煤礦無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，在分析煤礦無(wú)刷直流電機(jī)控制方式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種基于IPM的礦用無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。提出控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，并對(duì)功率驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測(cè)電路、位置和轉(zhuǎn)速檢測(cè)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。同時(shí)，設(shè)計(jì)聲光報(bào)警電路，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

【關(guān)鍵詞】 煤礦 IPM 直流電機(jī) 控制技術(shù)

直流電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、轉(zhuǎn)矩特性好等優(yōu)異的特性獲得廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)直流電機(jī)需要電刷換相，換相容易對(duì)其他設(shè)備或電路產(chǎn)生電磁干擾、可靠性低，并且需要經(jīng)常維護(hù)，嚴(yán)重影響了直流電機(jī)的進(jìn)一步應(yīng)用。

隨著永磁材料、自動(dòng)控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流電機(jī)獲得空前發(fā)展，一種電子換相的無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。無(wú)刷直流電機(jī)不僅具有傳統(tǒng)直流電機(jī)良好的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速特性，且易于控制、運(yùn)行可靠，在航空航天、醫(yī)療和家電等領(lǐng)域迅速發(fā)展。

電子換相器取代機(jī)械換相器，避免了換相過(guò)程機(jī)械摩擦所產(chǎn)生的花火，提高了安全性能，為其在煤礦領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

一、控制方式選擇

按照礦用無(wú)刷直流電機(jī)主回路控制方式的不同分為三相半控和三相全控兩種，三相半控方式驅(qū)動(dòng)電路由三個(gè)功率開(kāi)關(guān)管并聯(lián)組成，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但每個(gè)周期電機(jī)繞組只有1/3的時(shí)間通電，另外2/3時(shí)間則不通電，繞組的利用率低；三相全控方式的驅(qū)動(dòng)電路由功率開(kāi)關(guān)管兩兩串組成三個(gè)橋臂，然后三橋臂相互并聯(lián)組成橋式驅(qū)動(dòng)電路，電機(jī)在工作的過(guò)程中至少有兩相繞組同時(shí)通電，繞組利用效率高，所以控制系統(tǒng)采用三相全控方式進(jìn)行控制。

二、控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

礦用無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)由DSP、整流電路、隔離驅(qū)動(dòng)電路、IPM、電壓檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、位置和速度檢測(cè)電路及控制面板組成，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。控制面板用于控制命令的輸入，包括啟動(dòng)、停止和參數(shù)設(shè)置。DSP根據(jù)位置檢測(cè)電路反饋的電機(jī)轉(zhuǎn)子信息，控制PWM信號(hào)輸出引腳發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離驅(qū)動(dòng)電路到IPM模塊的控制端，IPM模塊不同橋臂的功率器件導(dǎo)通控制無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈的通電順序，驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn)。

三、 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

為了簡(jiǎn)化外圍電路，選用DIP-IPM智能功率模塊PS21865為核心設(shè)計(jì)外圍電路。PS21865內(nèi)置三相交流輸出的IGBT逆變器，采用+15V電源供電，不需要光耦隔離可以直接與單片機(jī)或DSP的PWM信號(hào)輸出端口進(jìn)行耦合，從而省去6套隔離電路。

PS21865智能功率模塊最大電流20A，最高阻斷電壓600V，最大載波平率20kHz。PS21865模塊自身帶有過(guò)壓、過(guò)載和過(guò)流等故障的保護(hù)功能，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)母線電壓、電流等信息，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)可以封鎖控制信號(hào)的輸出，IPM典型接線電路如圖2所示。

同時(shí)將故障信息反饋給處理器為了防止操作過(guò)電壓對(duì)功率模塊的損壞，采用吸收電容連接在功率模塊的直流母線正、負(fù)極。

3.2位置和速度檢測(cè)

礦用無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行換相，采用三個(gè)互成120°的霍爾傳感器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)變化來(lái)判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)霍爾傳感器輸出高低電平，不同的高低電平對(duì)應(yīng)相應(yīng)的換向時(shí)刻。DSP通過(guò)檢測(cè)霍爾傳感器輸出信號(hào)，判斷電樞繞組的通電方式，發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制IPM的通斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)礦用無(wú)刷直流電機(jī)的正確換相。在每個(gè)機(jī)械周期內(nèi)有六次換相，測(cè)量每次換相的時(shí)間間隔，就可以計(jì)算出電機(jī)運(yùn)行速度。

3.3 電流檢測(cè)

電流檢測(cè)由霍爾電流傳感器、運(yùn)算放大器和DSP內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器組成，運(yùn)算放大器用于放大電流信號(hào)。由于礦用直流電機(jī)三相繞組的電流代數(shù)和為零，即IU+IV+IW=0，所以只要測(cè)量任意兩相電流值就可以計(jì)算出另外一相電流。根據(jù)控制對(duì)象電流值，選用的是SCK15型非接觸式霍爾電流傳感器對(duì)電流量進(jìn)行測(cè)量，傳感器采用DC±12-15V供電，輸出信號(hào)為±4V的電壓信號(hào)。

3.4 聲光報(bào)警電路

聲光報(bào)警電路是將發(fā)光二極管和蜂鳴器相結(jié)合，在系統(tǒng)故障時(shí)能夠發(fā)出光和聲音兩種警示的電路，如圖3所示。圖3中P1.0和P1.1是DSP的數(shù)字信號(hào)輸出端口，當(dāng)P1.0端口輸出低電平時(shí)，發(fā)光二極管D1導(dǎo)通，同時(shí)發(fā)出紅色的警示；當(dāng)P1.0端口輸出高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)三極管Q導(dǎo)通，蜂鳴器中有電流流過(guò)，發(fā)出聲音警示。

四、結(jié)論

結(jié)合煤礦無(wú)刷直流電機(jī)繞組的控制方式，利用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和智能IPM模塊設(shè)計(jì)煤礦無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)備運(yùn)行要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作，具有控制精度高、穩(wěn)定性好及安全性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王成元，夏加寬，孫宜標(biāo).現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.56～59.

[2] 張相軍，陳伯時(shí)，朱平平.直流無(wú)刷電機(jī)無(wú)位置傳感器控制中反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零檢測(cè)算法及其相位修正[J].電氣傳動(dòng)，2001（2） 14～16.

[3] 張強(qiáng)，任一峰，林都等.空間矢量脈寬調(diào)制算法（SVPWM）的原理及其仿真研究[J].電氣技術(shù)，2010（6）：35～38.

[4] 張文海. 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電樞等效電阻的虛擬測(cè)試 [ J ]. 微特電機(jī) ， 2006 （ 5 ） ： 45 - 46