矿用无刷直流电机控制技术的创新机制

　直流电机以其结构简单、体积小、转矩特性好等优异的特性获得广泛应用。但传统直流电机需要电刷换相，换相容易对其他设备或电路产生电磁干扰、可靠性低，并且需要经常维护，严重影响了直流电机的进一步应用。
　　随着永磁材料、自动控制技术和电力电子技术的发展，直流电机获得空前发展，一种电子换相的无刷直流电机应运而生。无刷直流电机不仅具有传统直流电机良好的动、静态调速特性，且易于控制、运行可靠，在航空航天、医疗和家电等领域迅速发展。
　　电子换相器取代机械换相器，避免了换相过程机械摩擦所产生的花火，提高了安全性能，为其在煤矿领域的应用奠定基础。
　　一、控制方式选择
　　按照矿用无刷直流电机主回路控制方式的不同分为三相半控和三相全控两种，三相半控方式驱动电路由三个功率开关管并联组成，电路结构简单，但每个周期电机绕组只有1/3的时间通电，另外2/3时间则不通电，绕组的利用率低；三相全控方式的驱动电路由功率开关管两两串组成三个桥臂，然后三桥臂相互并联组成桥式驱动电路，电机在工作的过程中至少有两相绕组同时通电，绕组利用效率高，所以控制系统采用三相全控方式进行控制。
　　二、控制系统整体设计
　　矿用无刷直流电机控制系统由DSP、整流电路、隔离驱动电路、IPM、电压检测电路、电流检测电路、位置和速度检测电路及控制面板组成，控制系统结构框图如图1所示。控制面板用于控制命令的输入，包括启动、停止和参数设置。DSP根据位置检测电路反馈的电机转子信息，控制PWM信号输出引脚发送驱动信号经过隔离驱动电路到IPM模块的控制端，IPM模块不同桥臂的功率器件导通控制无刷直流电机转子线圈的通电顺序，驱动无刷直流电机持续旋转。
　　三、 硬件电路设计
　　3.1 功率驱动电路设计
　　为了简化外围电路，选用DIP-IPM智能功率模块PS21865为核心设计外围电路。PS21865内置三相交流输出的IGBT逆变器，采用+15V电源供电，不需要光耦隔离可以直接与单片机或DSP的PWM信号输出端口进行耦合，从而省去6套隔离电路。
　　PS21865智能功率模块最大电流20A，最高阻断电压600V，最大载波平率20kHz。PS21865模块自身带有过压、过载和过流等故障的保护功能，能够实时检测母线电压、电流等信息，当发生故障时可以封锁控制信号的输出，IPM典型接线电路如图2所示。
　　同时将故障信息反馈给处理器为了防止操作过电压对功率模块的损坏，采用吸收电容连接在功率模块的直流母线正、负极。
　　3.2位置和速度检测
　　矿用无刷直流电机控制系统根据电机转子位置进行换相，采用三个互成120°的霍尔传感器检测电机转子磁场变化来判断电机转子位置，在电机旋转时霍尔传感器输出高低电平，不同的高低电平对应相应的换向时刻。DSP通过检测霍尔传感器输出信号，判断电枢绕组的通电方式，发送驱动信号控制IPM的通断，进而实现矿用无刷直流电机的正确换相。在每个机械周期内有六次换相，测量每次换相的时间间隔，就可以计算出电机运行速度。
　　3.3 电流检测
　　电流检测由霍尔电流传感器、运算放大器和DSP内部的A/D转换器组成，运算放大器用于放大电流信号。由于矿用直流电机三相绕组的电流代数和为零，即IU+IV+IW=0，所以只要测量任意两相电流值就可以计算出另外一相电流。根据控制对象电流值，选用的是SCK15型非接触式霍尔电流传感器对电流量进行测量，传感器采用DC±12-15V供电，输出信号为±4V的电压信号。
　　3.4 声光报警电路
　　声光报警电路是将发光二极管和蜂鸣器相结合，在系统故障时能够发出光和声音两种警示的电路，如图3所示。图3中P1.0和P1.1是DSP的数字信号输出端口，当P1.0端口输出低电平时，发光二极管D1导通，同时发出红色的警示；当P1.0端口输出高电平时，驱动三极管Q导通，蜂鸣器中有电流流过，发出声音警示。
　　四、结论
　　结合煤矿无刷直流电机绕组的控制方式，利用先进的数字信号处理器（DSP）和智能IPM模块设计煤矿无刷直流电机控制系统。控制系统能够根据设备运行要求驱动电机动作，具有控制精度高、稳定性好及安全性强等优点。
　　参 考 文 献
　　[1] 王成元，夏加宽，孙宜标.现代电机控制技术[M].北京：机械工业出版社，2010.56～59.
　　[2] 张相军，陈伯时，朱平平.直流无刷电机无位置传感器控制中反电动势过零检测算法及其相位修正[J].电气传动，2001（2） 14～16.
　　.电气技术，2010（6）：35～38.