基于直接转矩的矿用通风机控制系统

张 君

(阳泉煤业(集团)平定东升兴裕煤业有限公司，山西 阳泉 045200)

1 原理分析

本文研究的矿用通风机直接转矩控制系统主要是选取双闭环控制方式，以此来实现对转速、转矩的合理控制，在外环部分应用转速闭环控制，内环选取转矩控制，通过滞环控制对转矩进行快速动态响应。将磁链具体数值以及参考数值进行减法操作，之后将差值输入至磁链比较器中，而将转矩实际值与参考值的差值输入至矩阵比较器中，以此完成对比较器信号的输出，实现对驱动电机变频器的全面优化。为了全面获得系统磁链值大小，对电子电压值、转速、电流、电动机相关参数进行了数据获取。另外，为了全面控制系统预测误差值，本文主要采用了定子与转子电压矢量方程、定子转子电流方程，开展了系统中电压-速度模型进行了改进设计，得出电子磁链估计值。

2 控制系统硬件电路的设计

2.1 总体方案设计

控制系统硬件结构图，如图1所示。此系统处理器主要是选取某公司应用的DSP，处理器在数据处理过程中速度较快，精确性较高。其中，功能开关单元主要选用了设计较为简便、性能较为稳定的IPM封装模块。电流传感器则选用了多种规格的霍尔电流传感器，可对系统中不同大小电流值进行检测。另外，将光电隔离模块应用到了控制脉冲电路中，以此实现对电路的较强保护。控制系统中的转速、负载给定及动态化信息等信息则通过信号控制盘进行有效显示。

图1 直接转矩控制系统硬件结构图

2.2 功率变换电路的设计

从功率变换电路基本组成结构来看主要是通过主电路以及外部辅助电路组成，其中主电路又是通过逆变电路、整流电路、滤波电路组成，基本应用功能就是保障交流、直流、交流电能可以灵活变换。在主电路中，整流电路主要是选用三相全桥拓扑，三相交流信号通过整流桥能转为直流电压信号。系统启动应用过程中，在放电电容影响下会产生浪涌电流，因此，可以选用软启动方式对开启阶段产生的瞬时过电流有效控制，此类启动方式中的电容两侧电压上升变换速度较慢。为了有效控制整流桥输出直流电压脉动分量，可以应用滤波电容进行滤波，获取谐波含量较低的直流电压。为了对瞬时过电流有效控制，可以串联限流电阻。逆变电路能将直流电压转为交流信号，在功率开关中主要是选用IPM模块，选用的模块结构稳定、功耗较低、散热状态良好，其抗电磁干扰作用力较强。为了能保障其安全稳定运行，在集成模块中需要配备过热、过流、过压以及短路保护电路等，发现系统故障问题，要及时进行处理。

在IPM集成电路中具有较多开关电源，为了对不同电源之间的耦合作用以及分布电感电容的影响进行分析，不同电路都需要选用独立供电程序。由于整套系统的主控制电路与功率变化模块进行了有效集成，而大多数控制信号均是弱电信号，故在此功率转换模块中设计了隔离电路，以此来保障控制信号对集成模块有效驱动。

2.3 控制电路的设计

本控制系统在运行过程中，需对整流器上实际输出的直流电压以及三相异步电动机电压进行参数获取，由此来有效获取控制系统运算变量。同时，系统中设计的各类传感器模块，可实现对不同等级的电压值进行信号检测。另外，电路汇总设计了电流传感器，可对电机中定子的三相电流信号进行获取和转换，最终实现对电流信号的实时运算与检测，而检测的电流信号通过一定值的电阻后，电流信号通过电阻能有效转换成电压信号。控制电路中也设置了模数转换电路，可将各类信号转为所需的数字信号，而控制电路中的数模转换电路则可完成主控制器与功率放大器的有效连接，且信号转换精度值相对较高。为了更好地保障控制系统的运行稳定性，提升控制精度值，需要合理发挥硬件抗干扰电路功能，主要有硬件滤波、电气隔离、屏蔽电路等。

3 软件系统电路的设计

3.1 主程序

此控制系统软件应用部分通过某型号的DSP进行有效实现，主要用于获取通风机电路中传递的各类信号，并通过内部的计算程序对获取信号进行计算处理及强化保护，同时，必要时候对程序进行中断操作。通风机直接转矩控制系统主程序流程图具有较多功能，包括：系统变量与常量的初始化定义、系统常量及变量定义、主程序初始化定义等。

3.2 中断程序

中断程序主要应用了直接转矩控制计算的方法，并具有运算功能及保护功能。在运行过程中首先要对过流问题进行有效检测，如果未发现过流现象需要对电子电流以及母线电压进行读取，分析过压问题发生现状。如果没有明显的过电压问题需要开展转矩估算、磁链计算、坐标实时转换、速度测量等，这样能对通风机直接转矩有效控制。

4 成果验证

通过搭建试验平台，开展了基于直接转矩的通风机控制系统各项性能的测试验证研究。将矿用通风机转子基本转速初始数值在0，1.5s、3.5s、5.5s分别设定为900r/min、400r/min、800r/min。矿用通风机转速参考数值以及实际值从图2可知。基于图2可以得出合理应用直接转矩控制系统对电机的转速具有较高的控制效果，且信号响应速度较快，转速脉动程度较小。直流侧母线电压波形图如图3所示，由图可知，当电机转速发生持续变化过程中，系统中产生的电压波动数值相对较小，能有效抵御外部干扰性，能证明其在煤矿生产阶段应用实效性较高。

图2 电机转速波形图 图3 直流母线电压波形图

5 结语

通过对通风机控制策略进行分析，将数字信号处理器作为此控制系统的核心处理器，完成了控制系统硬件的基本组成分析，有效掌握了通风机控制系统的应用功能及软件部分的实现流程。通过完善的实验能得出，此类控制策略具有良好的控制精度，跟随性能较好，从而大大提高了通风机控制系统的综合性能。