基于转矩控制的矿用电机车调速装置设计

引言
煤炭企业对矿用电机车辆的需求不断增加，受
技术条件的限制，目前绝大多数矿用的电机车辆均为直流调速装置，在实际运行中虽然其调速范围较广、动态性能较好，但是由于其运行高度依赖于换向环节，其不但给日常的维护、维修带来了极大的困难，同时也使得矿用电机车的调速装置故障率居高不下，且由于煤矿井下粉尘浓度高、路况条件复杂等因素更使得传统矿用电机车辆的应用受到了极大的限制，严重影响了煤炭企业的正常生产[1]。

1磁阻电机的结构
根据相数可以将磁阻电机分为单相、
两相、三相及四相等，
图1所示为单相磁阻电机，它的转子和定子结构均为两级结构，因此其不仅具有结构简单、制造成本低廉的优点，也具有无法自启动、转动惯量小，
在工作中存在死区的缺点，
极大地限制了其应用[2]。

图2所示为两相磁阻电机，从结构上可以看出其具有一对转子和两对定子，此结构同样是缺乏自
启动的能力，且在工作中依旧存在转矩的死区，
无法大规模应用。

图3所示结构为三相磁阻电机，其具有三对定子和两对转子，该结构最大的优点在于可以方便实现正方向和反方向的自启动。

图4所示的结构为四相磁阻电机，其具有四对
定子和三对转子，和其他结构的磁阻电机相比，
它的转矩显著降低，具有很好的启动性能，
但是其结构相对复杂，制造成本也相对较高，但是为了实现对矿用电机车的精确控制，确保其工作的可靠性和使用寿命，采用四相磁阻电机。

2
转矩控制原理
转矩控制的目的是保持定子磁链幅值的稳定
性，实现抑制磁阻电机在工作过程中的转矩脉动，
其控制逻辑如下页图5所示，其中坐标变换模块的作用是确保磁阻电机四相绕组的坐标变换，在实现坐标变换后，可以利用扇区判断模块实现反正切函数的运算，继而求出磁链角度，磁链幅值模块利用求磁
链的矢量幅值，作为磁链相对比的输入[3]，
最后，开关状态就可以根据不同的输入量，计算出在某个时刻所最终输出的电压的矢量值，然后功率转换器将获得的电压矢量转换为开关状态，从而实现对磁阻电机的精确控制。

3磁阻电机转矩控制装置仿真建模
为了对磁阻电机转矩控制装置的性能进行更直
观、更科学的分析研究，
利用Matlab 仿真分析软件对其进行了建模分析，其主要包括磁阻电机模块、扇区选择模块、滞环对比模块及功率转换模块[4]，其仿真分析建模如下页图6所示。

功率转换模块是将电能转化为机械能的核心，
DOI:10.16525/14-1134/th.2018.10.002
总第186期2018年第10期机械管理开发
MECHANICAL MANAGEMENT AND
DEVELOPMENT
Total 186No.10，2018
收稿日期：2018-03-19
作者简介：齐麟（1990—），男，本科，毕业于中国矿业大学，机电助理工程师，主要从事机电设计工作。

基于转矩控制的矿用电机车调速装置设计
齐
麟
（山西宏厦一建，山西
阳泉
045000）
摘
要：在深入研究矿用电机车使用要求的前提下，提出了一种基于转矩控制的磁阻电机调速装置，并利用
Matlab 仿真分析软件对其进行了仿真分析。

分析结果表明，基于转矩控制的磁阻电机调速装置具有转矩脉动小、响应速度快、调速灵活的特点，很好地克服了现有矿用机车调速系统的缺陷，在提供矿用机车的运行效率、使用寿命，确保煤矿生产安全方面具有十分重要的意义。

关键词：转矩控制矿用机车
Matlab
仿真分析中图分类号：TD355
文献标识码：A
文章编号：1003-773X （2018）
10-0004-02
图1单相磁阻电机图2两相磁阻
电机
图3三相磁阻
电机图4四相磁阻电机
设计理论与方法
其工作稳定性直接影响到磁阻电机的调速性能，
因此功率转换模块应具有电流能快速增加、主绕组的电压和系统电源的电压相一致的特点。

在磁阻电机
工作的过程中，直接转矩利用对定子磁链的控制，
使磁阻电机输出的定子的磁链的波动限定在一个设定的范围内，四相磁阻电机的四相磁链呈垂直交叉分布，A 相与C 相的连线与B 相和D 相的连线垂直，且
A 相与C 相方向相反，
B 相和D 相方向相反，
当转子转动15°后切换导通相，
经过60°后完成一个完整的导通相，由此完成一个四相磁链的坐标变换。

4磁阻电机转矩控制装置仿真分析
为了对磁阻电机转矩控制装置的实际性能进行
验证，建立一个25kW 的磁阻电机，
其阻抗为1.5Ω，电感为1.2mH ，转动惯量为0.0014kg ·m 2，电机的额定转速为2000rad/s ，额定电压为360VDC 。

其仿真结果如图7—图10所示。

由图7的磁阻电机转矩控制波形图和图8的传统PI 控制的波形图可以看出，直接转矩控制的磁阻电机的响应速度快并且磁阻电机转矩控制输出的脉动较小，运转过程平稳。

由图9的磁阻电机转矩控制的转速波形和图
10的传统PI 控制的转速波形可知，
当对电机的转速设置为2000rad/s ，示波器的每格设置为500rad/s ，可以看出磁阻电机转矩控制的转速波形的响应速度要远快于传统的PI 控制。

5结论
利用仿真分析软件对基于转矩控制的调速装置进行了仿真分析，结果表明该调速装置在突变负载
作用下的输出的脉动小，运转过程稳定性高，
且对外界负载的响应速度要高于传统的PI 控制。

参考文献
[1]刘松岩.开关磁阻电机神经网络无位置传感器控制[J].电机与控制学报，2011，15（8）：18-22．
[2]雷涛，林辉.开关磁阻电机调速中转矩脉动最小化的研究[J].电气传动，2006，36（4）：3-7.
[3]刘金琨.先进PID 控制和Matlab 仿真[M].北京：电子工业出版社，2011.
[4]
杨波.一种降低开关磁阻电机转矩脉动的新方法[J].中小型电机，2001，28（4）：12-16.
（编辑：赵婧）
图5磁阻电机转矩控制装置结构示意图
图6磁阻电机转矩控制装置仿真模型
图7磁阻电机转矩控制波形图
图8传统PI 控制波形图
图9磁阻电机转矩控制的转速波形
图10传统PI 控制的转速波形
供电单元
开关状态表
功率变换器
扇区判断
磁链幅值
坐标变换
SRM
PI 调节器ω*
ω
T e *
T
e
ψ*
ψ
时间/s
时间/s
1122时间/s
1122时间/s
（下转第8页）
齐麟：基于转矩控制的矿用电机车调速装置设计
2018年第10期参考转速
转速控制单元
转速分配单元
信号发生单元
负载转矩
SR 电机
信号显示
W*error
F-PID
角度优化
e T
T TK
Theta TSF
TK TK
S1S2
C G
V +
V -
C2
C2
C1C1
B2B2B1B1A2A1A2A1TL m
C2
C1B2B1A2
A1功
率变换
5··
图8应力与优化数据有些许差别是因为两者网格划
分方法差异所导致。

经过优化设计，工装拉杆的应力满足设计范围，后续使用中未发现断裂现象。

说明该优化设计对组装联轴节工装的改进设计提供了可靠依据，该工装满足现场使用要求。

3结语
1）由于原有组装联轴节工装在使用过程中出现断裂现象，影响产品生产，必须对该工装进行重新设
计，利用CREO 软件对组装联轴节工装进行了参数
化建模，并利用Ansys Workbench 软件对工装拉杆断裂原因进行了有限元分析，分析结果表明拉杆最大
应力超过材料的屈服强度，不满足使用要求。

说明初
始设计方案有缺陷，需要对其进行优化设计满足设计要求。

2）在有限元分析的基础上，
对工装拉杆进行了优化设计，优化结果表明工装拉杆的应力下降30%以上，且满足使用条件要求。

3）在产品设计生产过程中，应用有限元分析软件进行仿真，可以提前发现设计缺陷和不足，进而进行修改和优化设计，不仅可有效缩短产品生产周期，降低废品率和制造成本，同时使结构轻便耐用。

参考文献
[1]孙玉锡，钱宝娟，于大旭.浅谈有限元分析在工装设计中的应用[J].工业技术，2016（19）：127.
[2]江克斌，
屠义强.结构分析有限元原理及ANSYS 实现[M].北京：国防工业出版社，2005.
[3]
吴应东.基于Solid Works Simulation 的新型鱼雷支架优化设计[J].鱼雷技术，2014，22（4）：249-253.
（编辑：
赵婧）图8优化后的应力云图
Finite Element Analysis and Optimal Design of Tooling Based on
Ansys Workbench
Luo Dong,Lyu Jie
（Zhongche Yongji Motor Co.,Ltd.,Yongji Shanxi 044500）
Abstract:In the process of using the assembly couplings,there is fracture at the variable cross section.Because of the consideration of installation,the design can not chamfer at the variable section,and the stress concentration is large,which exceeds the tensile strength of the material and leads to the structure fracture.Through the optimization design,the tension rod adopts the scheme of invaging-round corner,optimizes the stress distribution,effectively reduces the stress concentration,and does not appear the fracture phenomenon in the subsequent use.Key words:finite element analysis;tooling design;optimal design
64.949
129.87194.8259.72324.64389.57454.49519.41584.54Max 0.025318Min
20.00
0.00
40.00（mm ）
Design of Speed Regulation Device for Mine Electric Locomotive
Based on Torque Control
Qi Lin
（Shanxi Hongsha Construction Company,Yangquan Shanxi 045000）
Abstract:On the premise of deeply studying the requirements of mine electric locomotive,this paper presents a speed regulating device of reluctance motor based on torque control,and simulates and analyzes it by using Matlab software.The analysis results show that the reluctance motor speed regulating device based on torque control has the characteristics of small torque ripple,fast response speed and flexible speed regulation,which overcomes the defects of the existing speed regulation system of mine locomotive.It is of great significance in providing the running efficiency and service life of mine locomotives and ensuring the safety of coal mine production.Key words:torque control;mining locomotive;simulation analysis
（上接第5页）
第33卷
机械管理开发
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8··。