基于DSP的交流异步调速技术在矿井主提升中的研究与应用

摘要：矿井主提升是矿井开采生产的重要环节，主提升机多采用大功率电机。随着空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的发展，交流异步电机的调速性能有了大幅改善。本文介绍了SVPWM的基本原理，并采用德州仪器公司的TMS320F2808作为控制核心，设计出一套交流调速系统，控制性能优秀，可较好的满足矿井主提升的调速要求。

关键词：矿井主提升;交流调速;空间矢量控制

引言

矿井生产过程中，主提升是非常重要的一个环节，所有井下产出的原煤都需经主提升机提升至地面。为了生产和检修的需要，提升机必须具有优秀的调速性能。过去为了满足提升机调速性能，常使用直流电机作为驱动，然而直流电机本身结构复杂，造价高昂，维护费用高。三相交流异步电机结构简单，成本低廉，早已在生产生活中大量应用，受限于调速装置无法满足矿井提升机的要求。随着交流调速技术的发展，脉宽调制(PWM)、空间矢量脉宽调制(SVPWM)等技术日趋成熟。同时，电力电子技术、控制理论等学科不断发展，异步电机的交流调速越来越多的应用于实际工程中。

一、异步电机的SVPWM控制理论

1.1 电压空间矢量和磁链空间矢量

近年来，异步电机的调速控制方式已经发展到了全数字化的控制方式。由于SVPWM模型简单，转矩脉动小且具有较好的谐波抑制能力，在现代交流电机控制中应用广泛。

电压空间矢量按照电压所在绕组的空间位置确定，电机定子绕组定义了一个三相静止的平面坐标系。

定子电压UA，UB，UC分别施加在三个轴线上，形成三个电压空间矢量UA，UB，UC。三者按正弦规律变化，合成的空间矢量U是一个以电源角频率ω旋转的空间矢量。

U=UA+UB+UC (1-1)

对于电流空间矢量I和磁链空间矢量ψ，有

U=RI+ (1-2)

忽略定子运行的电阻，式(1-2)可变换为

ψ=ψ0+UtΔt(1-3)

上式中，ψ0为磁链矢量的初始值，Δt为电压矢量Ui作用的时间。

1.2 电压空间矢量分析

图1所示为一个典型的PWM变流器的逆变部分，图中上桥臂V1，V2，V3三个功率管在导通状态下表示为1，关断状态下表示为0。下桥臂V2，V4，V6与其状态正好相反。显然，电路有8种开关状态(000，001，011，010，100，110，111，101)，因此，三相逆变电路输出

二、电压空间矢量SVPWM的.实现

2.1 系统硬件设计

对于矿井主提升机而言，功率动辄上百千瓦甚至上千千瓦，考虑到系统的安全稳定、抗干扰以及检修的方便性等因素，本系统采用控制部分与功率部分两部分在空间上隔离运行，强弱电独立供电。控制部分主要有CPU、电源等模块。功率部分是系统的强电部分，由主开关电路、电流检测电路等组成。图3为系统硬件总框图。

TMS320F2808是IT公司的16位DSP，片内有128KB的FLASH、36KB的RAM。EVA和EVB，每个事件管理器包含两个16位通用定时器、16个脉宽调制通道、4个比较单元、4个捕获单元以及2个正交编码脉冲电路。在系统控制电路中，采用DSP中的脉宽调制单元实现PWM输出可极大节省波形生成电路，简化软硬件设计，提高程序读写效率。

矿井日常生产中，井上井下提升机车房内生产环境较为恶劣，DSP电路板在制作完成之后需进行封装，避免受潮。

2.2 软件设计

DSP主程序将完成系统初始化、模块初始化、中断系统设置等工作。这些模块包括：输入/输出模块、ADC模块、事件管理器EVA和EVB模块。

TPWM值选取越小，则电机旋转磁场越逼近正圆形，图4为主程序流程图。

图4 主程序流程图

由于功率器件开关频率的限制，TPWM取值无法过小，DSP周期寄存器的周期为TPWM/2，为方便编程，将t1、t2 置换为t1/ (TPWM/2)、t2/(TPWM/2)。

三、结语

在矿井实际生产中，功率单元选用英飞凌公司的IGBT，驱动一台1140kW的三相交流异步电机，应用效果良好。

基于TMS320F2808 DSP的全数字控制系统通过软硬件结合实现了空间矢量脉宽调制控制，配合功率模块、过程控制模块、故障诊断模块、总线通讯模块等各个部分，实现了矿井主提升的全自动化、数字化，调速性能优秀。

参考文献：

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[2]苏奎峰320X281X DSP原理及C程序开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[3]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.