專利名稱：大功率礦井提升機變頻驅動的控制方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種專用電機交流變頻調速控制技術，特別是指一種大功率礦井提升 機變頻驅動的控制方法及裝置。
背景技術：
目前，在礦井提升機電機驅動調速領域，由于其生產要求所需要的大電流、高功 率，所以傳統(tǒng)的礦井提升機電機驅動方式主要以硅整流和晶間管整流式為主，整流式電源 比較可靠，技術上比較成熟，但設備體積龐大，笨重、能耗高、效率低，且由于其結構原因，動 特性方面也不夠理想。較先進的變頻調速裝置具有體積小、效率高，技術含量較高、附加值 高，但礦井提升機變頻器器件工作環(huán)境比較惡劣，開關損耗大，高次諧波會造成電網污染， 需吸收緩沖電路，變頻器功率的提高也受到限制。具體來說，大功率礦井提升機變頻驅動主 要存在以下幾個方面的問題
⑴可靠性問題由于礦井提升機的使用環(huán)境惡劣，對其可靠性的要求很高。目前， 普通礦井提升機變頻器由于高頻寄生振蕩、負載頻繁復雜變化、電磁干擾、偏磁等原因，特 別是在大功率情況下，變頻器存在可靠性不夠的問題。⑵諧波干擾目前，市場上的礦井提升機變頻器基本為硬開關工作方式，在 開關過程中產生的諧波會回饋電網，對電網造成污染；同時還會造成嚴重的電磁干擾。⑶礦井提升機變頻器的控制性能礦井提升機變頻器的控制周期短，整機的 動態(tài)響應快。但該優(yōu)點并沒有在現(xiàn)有產品中得到足夠的重視和體現(xiàn)，在礦井提升機變頻器 方面仍局限于傳統(tǒng)的控制模式和設計思路，變頻器的性能優(yōu)勢沒有得到充分的發(fā)揮。⑷功率因數(shù)問題功率管的開關動作下的礦井提升機變頻器，其工作波形都 存在畸變，還存在高次揩波，降低了功率因率。

發(fā)明內容
為了解決現(xiàn)有技術中存在的上述技術問題，本發(fā)明提供一種可靠性高、穩(wěn)定性、控 制效果好的大功率礦井提升機變頻驅動的控制方法及裝置。本發(fā)明解決上述技術問題的技術方案包括以下步驟
1)電流檢測電路測量逆變器輸出的定子電流 iA、i2，并利用式k計算出定子電流k ,經過Clarke變換和Park變換將定子電
流b “￡、c變換成旋轉坐標系中的直流分量‘、ιτ3Μ、、τ作為電流環(huán)的負反饋量；
2)利用轉速檢測電路測量電動機的轉速將轉速《及轉速《與給定轉速的偏差 作為速度PI調節(jié)器的輸入，速度PI調節(jié)器輸出用于轉矩控制的電流T軸參考分量；
3)將直流分量^、 和轉速《，輸入轉子磁鏈位置計算模塊求出轉子磁鏈位置；
4)將電流T軸參考分量與電流反饋量^的偏差和^分別送到電流PI調節(jié)器的輸入端，電流PI調節(jié)器分別輸出Μ、T旋轉坐標系的相電壓分量；
5)將相電壓分量、Vm和磁鏈位置通過Park逆變換轉換成a、,δ直角坐標系的定 子相電壓矢量的分量和；
6)根據相電壓矢量的分量和巧~，由電壓空間矢量模塊產生PWM控制信號來控 制逆變器。一種大功率礦井提升機變頻驅動的控制裝置，包括電磁兼容電路、整流電路、三相 橋式PWM型逆變電路、電壓檢測電路、電流檢測電路、溫度檢測電路、轉速檢測電路、驅動電 源模塊、PWM隔離及驅動電路、輔助電源、通訊模塊、人機對話模塊、ARM微控制器；所述三相 交流電經電磁兼容電路后分別送到整流電路、驅動電源模塊、輔助電源的輸入端，整流電路 的輸出分別接三相橋式PWM型逆變電路、電壓檢測電路的輸入端，三相橋式PWM型逆變電路 的輸出端接電機，驅動電源模塊的輸出接PWM隔離及驅動電路，電流檢測電路的輸入端接 三相橋式PWM型逆變電路的輸出，溫度檢測電路的輸入端與三相橋式PWM型逆變電路相接， 轉速檢測電路的輸入端接電機，電壓檢測電路、電流檢測電路、溫度檢測電路、轉速檢測電 路、輔助電源的輸出端分別接ARM微控制器，通訊模塊、人機對話模塊與ARM微控制器相連。本發(fā)明的技術效果在于
1.本發(fā)明采用ARM微控制器，并結合矢量控制控制變頻器工作，改善了電機轉矩控制 性能，實現(xiàn)了寬范圍調速。2.本發(fā)明實現(xiàn)了全范圍軟開關，大大減少了功率管的開關損耗和電應力，改 善了工作條件，降低了電磁干擾，并通過多種有效保護措施，提高了整機運行的可靠性和適 應性。下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)整體框圖。圖2是本發(fā)明的主電路原理圖。圖3是本發(fā)明的高頻驅動電路原理圖。圖4是本發(fā)明的控制系統(tǒng)電路原理圖。圖5是本發(fā)明的系統(tǒng)整體流程框圖。如圖1所示，本發(fā)明所述的一種大功率礦井提升機變頻驅動的控制裝置包括主電 路、控制電路、檢測電路以及電源模塊相互連接組成。主電路包括電磁兼容電路、整流濾波 模塊、三相橋式PWM型逆變電路和三相鼠籠電機相互連接?？刂齐娐钒≒WM隔離及驅動 電路、ARM(LPC2119或LPC2134)最小系統(tǒng)、電流檢測電路、電壓檢測電路和變頻器溫度檢測 電路相互連接組成，ARM(LPC2119或LPC2134)最小系統(tǒng)分別與PWM隔離及驅動電路、電流 檢測電路、電壓檢測電路和變頻器溫度檢測相互連接，電流檢測電路的另一端與逆變電路 輸出端相連接，電壓檢測電路與逆變電路輸入端相連接，溫度檢測電路的另一端與逆變電 路連接的溫度傳感器相連接，PWM隔離及驅動電路與三相橋式PWM型逆變電路相連接。驅 動電源模塊與三相交流輸入端相連接，另一端連接PWM隔離及驅動電路。輔助電源模塊與三相交流輸入端相連接，另一端連接ARM(LPC2119或LPC2134)最小系統(tǒng)。人機對話模塊包 括對給定信號、輸出信號的處理以及顯示電路；通訊模塊主要包括串口或CAN總線等擴展 應用電路。如圖2所示，在主電路中，三相交流輸入電源經電磁兼容處理連接整流濾波模塊 的整流橋，然后連接濾波環(huán)節(jié)“、C5^,再連接高效三相電壓型高頻逆變模塊的逆變橋 、 GnA,，其中Α,在實際電路當中用零電阻線代替，為外接的諧振電容。高效三相 電壓型高頻逆變模塊的輸出連接相鼠籠電機。高效三相電壓型高頻逆變模塊包括F” V2和 廠3三個逆變橋臂，每個橋臂包含了兩個單元的IGBT。如圖3所示，高頻驅動模塊主要起到數(shù)模隔離以及功率放大作用，包括六個由光 電隔離TIP250構成的高頻驅動電路。由ARM微控制器輸出的六路SVPWM信號，通過高頻驅 動電路之后變成能夠驅動IGBT功率器件的六路驅動信號，分別驅動^、「2和K3三個逆變橋 臂的六個IGBT模塊。由ARM微控制器輸出的六路SVPWM信號經過高頻驅動模塊隔離放大 之后，轉變?yōu)檎氩ㄗ罡叻?17V，負半波最低幅值-7V的交流脈沖信號，可以滿足大功率 IGBT可靠開啟和關斷的需要。圖4所示，ARM微控制器采用32位高速ARM嵌入式微處理器，以及固化于ARM芯 片內的UC/0S-II嵌入式實時操作系統(tǒng)為提升機變頻器的操作系統(tǒng)平臺，由ARM芯片及輔助 電路相互連接組成。根據檢測的三相電流、直流母線電壓、變頻器溫度和轉速參數(shù)，在UC/ OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)上完成數(shù)據運算和處理，在經過ARM微控制器的六路PWM引腳輸 出六路SVPWM信號，并通過高頻驅動模塊隔離和放大后去控制F” V2和V3三個逆變橋臂的 六個IGBT模塊開通和關斷。ARM芯片主要實現(xiàn)三相變頻器輸出特性的控制、提升機運行狀 態(tài)監(jiān)控與人機對話功能。外部監(jiān)控信號如變頻器輸出參數(shù)指示、故障指示、欠壓、過流指示 等都是通過ARM芯片來控制的。利用ARM芯片控制外部監(jiān)控與人機對話使得本變頻器的多 參數(shù)調節(jié)與控制更為方便，使用更簡易，易于推廣。如圖5所示，本發(fā)明的基本控制流程包括初始化模塊(a)、保護模塊(b)和矢量控 制模塊(C)。初始化模塊主要實現(xiàn)變頻器參數(shù)的設置、顯示和系統(tǒng)中斷的設置和開發(fā)等功 能；保護模塊主要根據變頻器電壓輸入、電流輸出狀態(tài)和溫度實現(xiàn)對其自身保護；
矢量控制模塊主要是根據變頻器輸出電流和電機轉速，通過相應控制算法得出變頻器 不同開關模式和PWM控制信號來控制變頻器，其具體步驟為1)電流檢測電路測量逆變器
輸出的定子電流U、b ,并利用式k = +U)計算出k ,經過Clarke變換和Park變換將 電流U、b、k變換成旋轉坐標系中的直流分量W、—， 、 作為電流環(huán)的負反饋量；2) 利用轉速檢測電路測量電動機的轉速，將轉速《及轉速《與給定轉速《_的偏差作為速 度PI調節(jié)器的輸入，速度PI調節(jié)器輸出用于轉矩控制的電流T軸參考分量；3)將直流 分量、~和轉速《 ,輸入轉子磁鏈位置計算模塊求出轉子磁鏈位置；4)將電流T軸參考分 量％^與電流反饋量‘的偏差和‘分別送到電流PI調節(jié)器的輸入端，電流PI調節(jié)器分別 輸出Μ、T旋轉坐標系的相電壓分量和巧樹；5)將相電壓分量、和磁鏈位置通 過Park逆變換轉換成α、應直角坐標系的定子相電壓矢量的分量巧_和巧；6)根據相電壓矢量的分量^^和^^ ,由電壓空間矢量模塊產生PWM控制信號來控制逆變器。應用本發(fā)明時，三相380V/660V/1100/工頻交流電經過電磁兼容模塊、整流 濾波模塊后成為平滑直流電，進入高頻逆變模塊，ARM微控制器對變頻輸出電流、直流母線 電壓與電機轉速進行檢測，經過ARM微控制器運算、處理后，由的PWM模塊輸出可調的六路 SVPWM信號，這六路SVPWM信號通過高頻驅動模塊進行數(shù)模隔離與功率放大后去控制三相 高頻逆變模塊，通過逆變回路的諧振換流，實現(xiàn)IGBT功率管的開通和關斷，向交流電動機 提供可變頻電源，實現(xiàn)交流電動機的變頻調速。溫度檢測模塊檢測散熱片的溫度，送給ARM 微控制器，從而控制高頻逆變模塊，形成過熱保護控制環(huán)節(jié)，以保證變頻器的安全工作；電 流、電壓和電機轉速檢測模塊檢測直流母線電壓、變頻器三相輸出電流和電機轉速，把檢測 得到的信號送給ARM微控制器，用于變頻器矢量控制及相應保護，如出現(xiàn)過壓、欠壓和過流 等現(xiàn)象，ARM微控制器將關閉PWM模塊輸出，從而保證變頻器的安全。本發(fā)明采用ARM (LPC2134)芯片作為控制核心器件，以UC/0S-II嵌入式實時操作 系統(tǒng)為提升機變頻器的操作系統(tǒng)平臺，充分利用ARM (LPC2134)芯片在嵌入式控制方面的 優(yōu)越性能，采用模塊化、可移植的設計方法，通過軟件編程實現(xiàn)礦井提升機交流電機的矢量 控制。本發(fā)明為了防止礦井提升機由于復雜工況引起變頻器功率開關管的不確定性工作狀 態(tài)及各模塊之間的干擾，分別給每個模塊單獨供電，并且數(shù)字電源和模擬電源分析之間采 用光電隔離電路，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。本發(fā)明具有體積小、重量輕、結構簡單緊湊、效 率高、響應快，調試范圍廣、具有保護功能強等特點。
權利要求
1. 一種大功率礦井提升機變頻驅動的控制方法，包括以下步驟1)電流檢測電路測量逆變器輸出的定子電流^、b，并利用式計算出定子電流k ,經過Clarke變換和Park變換將定子電 流Q、^、k變換成旋轉坐標系中的直流分量‘ + h^h作為電流環(huán)的負反饋量；2)利用轉速檢測電路測量電動機的轉速將轉速《及轉速《與給定轉速的偏差 作為速度PI調節(jié)器的輸入，速度PI調節(jié)器輸出用于轉矩控制的電流T軸參考分量；3)將直流分量^、W和轉速《，輸入轉子磁鏈位置計算模塊求出轉子磁鏈位置；4)將電流T軸參考分量與電流反饋量y的偏差和&分別送到電流PI調節(jié)器的輸 入端，電流PI調節(jié)器分別輸出Μ、T旋轉坐標系的相電壓分量；5)將相電壓分量、Vm和磁鏈位置通過Park逆變換轉換成α、,δ直角坐標系的定 子相電壓矢量的分量和巧~ ；6)根據相電壓矢量的分量1_和，由電壓空間矢量模塊產生PWM控制信號來控 制逆變器。
2.一種大功率礦井提升機變頻驅動裝置，其特征在于包括電磁兼容電路、整流電路、 三相橋式PWM型逆變電路、電壓檢測電路、電流檢測電路、溫度檢測電路、轉速檢測電路、驅 動電源模塊、PWM隔離及驅動電路、輔助電源、通訊模塊、人機對話模塊、ARM微控制器；所述 三相交流電經電磁兼容電路后分別送到整流電路、驅動電源模塊、輔助電源的輸入端，整流 電路的輸出分別接三相橋式PWM型逆變電路、電壓檢測電路的輸入端，三相橋式PWM型逆變 電路的輸出端接電機，驅動電源模塊的輸出接PWM隔離及驅動電路，電流檢測電路的輸入 端接三相橋式PWM型逆變電路的輸出，溫度檢測電路的輸入端與三相橋式PWM型逆變電路 相接，轉速檢測電路的輸入端接電機，電壓檢測電路、電流檢測電路、溫度檢測電路、轉速檢 測電路、輔助電源的輸出端分別接ARM微控制器，通訊模塊、人機對話模塊與ARM微控制器 相連。
3.根據權利要求2所述的大功率礦井提升機變頻驅動裝置，其特征在于，ARM微控制器 采用Philips公司的LPC2119或LPC2134微控制器。
4.根據權利要求2所述的一種大功率礦井提升機變頻驅動裝置，其特征在于，所述電 流檢測電路采用電流傳感器。
5.根據權利要求2所述的一種大功率礦井提升機變頻驅動裝置，其特征在于，所述電 流檢測電路采用電流傳感器。
6.根據權利要求2所述的一種大功率礦井提升機變頻驅動裝置，其特征在于，所述轉 速檢測電路采用增量式編碼器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大功率礦井提升機變頻驅動的控制方法及裝置。所述裝置包括電磁兼容電路、整流電路、三相橋式PWM型逆變電路、電壓檢測電路、電流檢測電路、溫度檢測電路、轉速檢測電路、驅動電源模塊、PWM隔離及驅動電路、輔助電源、通訊模塊、人機對話模塊、ARM微控制器。ARM微控制器根據電壓檢測電路、電流檢測電路、溫度檢測電路、轉速檢測電路的檢測信號輸出PWM信號到提升機變頻驅動電路，控制變頻器工作。本發(fā)明采用矢量控制，改善了電機轉矩控制性能，實現(xiàn)了寬范圍調速，并實現(xiàn)了全范圍軟開關，大大減少了功率管的開關損耗和電應力，改善了工作條件，降低了電磁干擾，并通過多種有效保護措施，提高了整機運行的可靠性和適應性。
文檔編號H02P27/08GK102006010SQ201010602488
公開日2011年4月6日 申請日期2010年12月23日 優(yōu)先權日2010年12月23日
發(fā)明者伍濟鋼, 何寬芳, 何文彪, 李學軍, 王廣斌, 蔣伶莉 申請人:湖南科技大學