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【摘 要】架线电机车合理改造以便更好的服务煤矿生产。
【关键词】煤矿；变频调速；矢量控制；单片机；SPWM
1、概述
矿用电机车是煤矿生产所需的一种主要的运输装置，目前主要采用直流电动机驱动。但是，随着交流调速技术的发展，交流调速系统的性能有了很大了提高，同时由于交流电机和直流电机相比具有功率大、效率高、无电刷和换向器，维护成本小的优点，因此用交流电动机取代直流电动机应用在矿用电机车上，已成为矿用电机车发展的趋势。
本文给出了采用矢量控制的原理和实现方法，并对所采用的控制算法进行了分析，设计了基于单片机80C196MC和智能功率模块(IPM)的矿用电机车矢量控制系统。该方案利用受控于单片机的智能功率模块产生电机的三相电压；
2、系统硬件设计
本文设计的整个调速系统由主电路、单片机控制电路和反馈量检测电路组成。
主电路是由逆变电路构成。其中逆变电路采用IPM智能功率模块完成功率变换；单片机控制电路以80C196MC单片机为控制核心，包括存储器扩展电路和一些外围电路如：键盘显示电路、复位电路、系统保护电路等等。单片机控制电路主要负责数据处理矢量控制算法的计算、PWM波和控制信号的产生以及显示和故障处理等等任务。
反馈量检测电路主要由定子电流检测电路和转速检测电路组成，检测值送单片机处理后主要用
于矢量控制算法的计算。整个变频调速系统的主要组成部分如下图所示。
2.1智能功率模块IPM
本系统的逆变器件采用智能功率模块IPM 。IPM是以绝缘栅双极晶体管IGBT为功率器件的新型模块。传统的IGBT是功率场控晶体管MOSFET和电力晶体管GTR的复合，它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的特点和GTR通态压降小。功率电路，缓冲电路还有门极驱动电路必须设计到足以承受和的极限值。如果功率电路漏感不够小、缓冲电路吸收不充分，瞬态过电压就会发生。同时地环路和杂散电容还会引起严重的噪声问题。
IPM智能功率模块结构
IPM共有6个主回路端(P,N,B,U,V,W)﹑16个控制端，其中VccU﹑VccU﹑VccW分别为U,V,W相上桥臂控制电源输入的+端，GNDu, GNDv, GNDw分别为对应的一端;VinU﹑VinV VinW分别为上桥臂U,V,W相控制信号输入端，Vcc,GND为下桥臂公用控制电源输入；VinX﹑VinY﹑VinZ分别为下桥臂X﹑Y﹑Z相控制信号输入端；VinDB为制动单元控制信号输入端；
2.2逆变电路IPM的选择
正常工作时，电网直流供电电压U为440～660V,则经过电容滤波后的直流电压可由下式计算确定：
式中:为安全系数，一般取=1.1；
1.1为波动系数；
Ed为电容滤波后的直流电压。
关断时的峰值电压按下式计算：
式中：为关断使得峰值电压；为安全系数，一般取 =1.1；1.15为过电压保护系数；为电容滤波后的直流电压；150为由引起的尖峰电压。令IGBT模块的电压额定值满足，并向上靠拢IGBT的电压等级，取。
2.3 IPM的驱动隔离接口电路
驱动隔离电路是IPM主电路和控制电路之间的接口。由于IPM内置了驱动电路，与IGBT驱动电路设计相比，外围驱动电路的设计比较方便，只要能提供15V稳定的驱动电源和开关控制信号，提供低电平控制相应IGBT导通，高电平控制相应IGBT关断。
根据6N137的特点，结合实际控制需要，本文设计的IPM快速驱动隔离控制。
PWM信号先经7407驱动后，再经过电阻R2A接到光耦6N137的2脚(信号输入脚)；3脚接地;右边的6脚是6N137的信号输出脚，6脚经R2C接到Q2A基极，再经Q2B驱动后接到IPM的UP端(UP端为IPM的上桥臂U相脉冲输入端)。6N137的7脚(使能端)和IPM的外部保护电路相连。上图中的7407是为了增大驱动能力而设置的，可以防止电路引线太长所造成的驱动能力的下降。
正常情况下，6N137的7脚为高电平。如果有外接的驱动脉冲信号加到光耦6N137的2脚端，当2脚端的电位为高电平，由6N137的真值表知:6脚输出为低电平，使Q2A关断，Q2B导通，则加到IPM的UP端信号为低电平，经IPM内部驱动电路使IGBT导通。反之，当2脚端的电位为低电平时，光耦输出脚6为高电平，使Q2A截止，于是UP端为高电平，经内部驱动电路使IGBT关断。
3、结论
矿井的工作条件恶劣，对电动机的防爆、防尘和防潮等特殊指标有很严格的要求，显然，直流电动机由于本身固有的结构特点，是不利于这些要求的。相比之下交流调速有着很多优点。
(1)．交流电动机比直流电动机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便惯量小、效率高，如果把电机车改成交流拖动，显然能够带来不少效益。
(2)．由于直流电动机具有电刷和换向器，因此必须经常进行检查维修，换向火花也使它不太适合煤矿的瓦斯环境。交流电动机在运转时没有直流电动机那样的换向火花现象，因此更易实现防爆。
(3）.交流调速系统可以有效节约能源。
【关键词】煤矿；变频调速；矢量控制；单片机；SPWM
1、概述
矿用电机车是煤矿生产所需的一种主要的运输装置，目前主要采用直流电动机驱动。但是，随着交流调速技术的发展，交流调速系统的性能有了很大了提高，同时由于交流电机和直流电机相比具有功率大、效率高、无电刷和换向器，维护成本小的优点，因此用交流电动机取代直流电动机应用在矿用电机车上，已成为矿用电机车发展的趋势。
本文给出了采用矢量控制的原理和实现方法，并对所采用的控制算法进行了分析，设计了基于单片机80C196MC和智能功率模块(IPM)的矿用电机车矢量控制系统。该方案利用受控于单片机的智能功率模块产生电机的三相电压；
2、系统硬件设计
本文设计的整个调速系统由主电路、单片机控制电路和反馈量检测电路组成。
主电路是由逆变电路构成。其中逆变电路采用IPM智能功率模块完成功率变换；单片机控制电路以80C196MC单片机为控制核心，包括存储器扩展电路和一些外围电路如：键盘显示电路、复位电路、系统保护电路等等。单片机控制电路主要负责数据处理矢量控制算法的计算、PWM波和控制信号的产生以及显示和故障处理等等任务。
反馈量检测电路主要由定子电流检测电路和转速检测电路组成，检测值送单片机处理后主要用
于矢量控制算法的计算。整个变频调速系统的主要组成部分如下图所示。
2.1智能功率模块IPM
本系统的逆变器件采用智能功率模块IPM 。IPM是以绝缘栅双极晶体管IGBT为功率器件的新型模块。传统的IGBT是功率场控晶体管MOSFET和电力晶体管GTR的复合，它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的特点和GTR通态压降小。功率电路，缓冲电路还有门极驱动电路必须设计到足以承受和的极限值。如果功率电路漏感不够小、缓冲电路吸收不充分，瞬态过电压就会发生。同时地环路和杂散电容还会引起严重的噪声问题。
IPM智能功率模块结构
IPM共有6个主回路端(P,N,B,U,V,W)﹑16个控制端，其中VccU﹑VccU﹑VccW分别为U,V,W相上桥臂控制电源输入的+端，GNDu, GNDv, GNDw分别为对应的一端;VinU﹑VinV VinW分别为上桥臂U,V,W相控制信号输入端，Vcc,GND为下桥臂公用控制电源输入；VinX﹑VinY﹑VinZ分别为下桥臂X﹑Y﹑Z相控制信号输入端；VinDB为制动单元控制信号输入端；
2.2逆变电路IPM的选择
正常工作时，电网直流供电电压U为440～660V,则经过电容滤波后的直流电压可由下式计算确定：
式中:为安全系数，一般取=1.1；
1.1为波动系数；
Ed为电容滤波后的直流电压。
关断时的峰值电压按下式计算：
式中：为关断使得峰值电压；为安全系数，一般取 =1.1；1.15为过电压保护系数；为电容滤波后的直流电压；150为由引起的尖峰电压。令IGBT模块的电压额定值满足，并向上靠拢IGBT的电压等级，取。
2.3 IPM的驱动隔离接口电路
驱动隔离电路是IPM主电路和控制电路之间的接口。由于IPM内置了驱动电路，与IGBT驱动电路设计相比，外围驱动电路的设计比较方便，只要能提供15V稳定的驱动电源和开关控制信号，提供低电平控制相应IGBT导通，高电平控制相应IGBT关断。
根据6N137的特点，结合实际控制需要，本文设计的IPM快速驱动隔离控制。
PWM信号先经7407驱动后，再经过电阻R2A接到光耦6N137的2脚(信号输入脚)；3脚接地;右边的6脚是6N137的信号输出脚，6脚经R2C接到Q2A基极，再经Q2B驱动后接到IPM的UP端(UP端为IPM的上桥臂U相脉冲输入端)。6N137的7脚(使能端)和IPM的外部保护电路相连。上图中的7407是为了增大驱动能力而设置的，可以防止电路引线太长所造成的驱动能力的下降。
正常情况下，6N137的7脚为高电平。如果有外接的驱动脉冲信号加到光耦6N137的2脚端，当2脚端的电位为高电平，由6N137的真值表知:6脚输出为低电平，使Q2A关断，Q2B导通，则加到IPM的UP端信号为低电平，经IPM内部驱动电路使IGBT导通。反之，当2脚端的电位为低电平时，光耦输出脚6为高电平，使Q2A截止，于是UP端为高电平，经内部驱动电路使IGBT关断。
3、结论
矿井的工作条件恶劣，对电动机的防爆、防尘和防潮等特殊指标有很严格的要求，显然，直流电动机由于本身固有的结构特点，是不利于这些要求的。相比之下交流调速有着很多优点。
(1)．交流电动机比直流电动机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便惯量小、效率高，如果把电机车改成交流拖动，显然能够带来不少效益。
(2)．由于直流电动机具有电刷和换向器，因此必须经常进行检查维修，换向火花也使它不太适合煤矿的瓦斯环境。交流电动机在运转时没有直流电动机那样的换向火花现象，因此更易实现防爆。
(3）.交流调速系统可以有效节约能源。