基于永磁电机的矿用电机车自动化控制设计研究

基于永磁电机的矿用电机车自动化控制设计研究

高成亮杨云轩李明周天浦

三一重型装备有限公司  辽宁沈阳  110000

摘要：随着矿山开采技术的飞速进步，矿用电机车作为支撑矿山生产的关键设备，其性能的优越性和自动化水平的提升，对于提高矿山开采效率、保障作业安全至关重要。特别是在当前追求高效、节能、环保的大背景下，永磁电机凭借其卓越的性能，如高效率的能量转换、高功率密度带来的强大动力输出、优良的动态响应能力，在矿用电机车领域展现出巨大的应用潜力。因此，深入研究和探索基于永磁电机的矿用电机车自动化控制设计，不仅是对现有矿山运输技术的革新，更是对矿山智能化、自动化发展的有力推动，具有深远的现实意义。

关键词：永磁电机  矿用电机车  自动化发展

一、永磁电机的工作特点

（一）高效节能

在矿山运输领域，高效节能是永恒的追求。永磁电机凭借其独特的优势，成为了矿山电机车节能改造的首选。传统电机在运行过程中，由于电枢电阻和铁芯磁化等原因，会产生较大的能量损耗，导致整体效率不高。而永磁电机则采用了高性能的永磁体作为励磁源，无需额外的励磁电流，从而显著减少了电枢电阻损耗和铁损耗。这种设计使得永磁电机在相同输出功率下，具有更高的效率和高功率密度。在实际应用中，永磁电机能够更有效地将电能转化为机械能，减少能源浪费，提高矿山运输的整体能源利用率，为矿山企业带来可观的经济效益和环保效益，与可持续发展理念相契合。

（二）稳定可靠

在矿山等恶劣环境中，设备的稳定性和可靠性，无疑是保障生产安全和提升效率的核心基石。面对粉尘、潮湿、高温等复杂工况，永磁电机凭借其独特优势，成为了理想的选择。其高性能永磁体励磁源设计，不仅免除了传统电机刷子磨损和电火花问题，还显著提升了设备的整体可靠性。即使在高速运转和高负载状态下，永磁电机也能稳定输出强大动力，保持转速的精准控制。这种卓越的稳定性，使得永磁电机在面对矿山等恶劣环境时，能够长时间稳定运行，极大地降低了维护成本，提高生产效率，同时也为矿山安全生产提供了坚实的保障。

二、永磁电机在矿用电机车中的应用优势

（一）高效率

永磁电机通过采用高性能的永磁材料，实现了能量的高效转换。这种材料具有优异的磁性能和稳定性，能够在电机运行过程中持续提供强大的磁场，从而确保电机的高效运行。相比传统电机，永磁电机在能量转换过程中减少了能量损失，如铁损、铜损等，使得其整体效率得到了显著提升[1]。据研究表明，永磁电机的效率相比传统电机可提高10%以上，这意味着在相同功率需求下，永磁电机能够更有效地利用能源，减少能源消耗，从而有助于实现矿山的绿色、高效生产。这一优势不仅降低了矿山的运营成本，也为环境保护做出了积极贡献。

（二）功率密度高

永磁电机电机采用了高性能的永磁材料和先进的结构设计，使得在保持较小体积和较轻重量的同时，能够输出较高的功率。传统的电机在追求大功率输出的过程中，往往需要增加体积和重量，而永磁电机则打破了这一限制，实现了功率与体积、重量的完美平衡。在矿山运输中，矿用电机车需要满足对功率和体积的双重需求，既要保证足够的动力以应对复杂的地形和重载的运输任务，又要考虑到在狭窄的巷道中灵活穿梭的便捷性。永磁电机的高功率密度特性，恰好满足了这些需求，为矿山运输带来了更高的灵活性和效率。

（三）性能优良

优良的动态性能，是永磁电机在矿用电机车中脱颖而出的关键技术特点。这种电机具备极快的响应速度，能在短时间内快速调整转矩输出，从而实现对电机车的精确控制。在矿山运输中，矿用电机车需要频繁进行启停和加速减速，对电机的动态性能有着极高的要求。永磁电机通过先进的控制算法和优化的磁路设计，确保了电机在瞬态过程中的稳定性和准确性[2]。随着时间的推移，能够显著提升了矿用电机车的操作便捷性，有效减少因操作不当导致的设备损坏和安全隐患，为矿山的安全高效生产提供了强有力的技术支撑。

三、自动化控制设计研究

（一）控制策略设计

在矿用电机车的自动化控制设计中，考虑到矿山环境的复杂性和多变性，控制策略的设计显得尤为重要。针对矿用电机车对高精度、高稳定性控制的需求，我们提出了一种基于模糊PID控制的永磁电机控制策略。这种策略基于矿山实际工况，深入分析了电机车行驶过程中可能遇到的驱动力和阻力变化，建立了精确的动力学模型。模糊PID控制器的引入，使得系统能够根据不同工况动态调整控制参数，实现精确的制动力矩控制。同时，结合坐标变换原理和SVPWM技术，对永磁同步电机的数学模型进行了简化，进一步提高了控制精度和系统的稳定性。这种控制策略既能够满足矿用电机车对快速启停和精确控制的要求，也提升了矿山运输的智能化水平。

（二）控制系统设计

在矿用电机车的自动化控制系统中，必须要保证控制系统设计的高效性与稳定性。考虑到矿山运输环境的复杂性和对电机车性能的高要求，我们设计了一个以DSPIC30F6010A型十六位单片机为核心的控制系统。该系统采用主从控制方式，构建了一种无感矢量主从双驱动控制机制，这种机制可以确保两台永磁电机在复杂工况下仍能实现同步运行和负载均衡

[3]。主机通过CAN通讯实时采集从机的电流、电压、频率等关键信号，并根据这些信息智能调整转矩信号，从而实现对电机车的精确控制。此外，控制系统还集成了蓄电池、充电及电容模块、三相逆变电桥、电流传感组件等关键硬件，这些硬件的加入增强了系统的稳定性和可靠性，有效提高了能源利用效率，确保了矿用电机车的高效运行。

（三）仿真与实验验证

在矿用电机车自动化控制系统的研发过程中，仿真与实验验证是不可或缺的环节。为了全面评估所设计的控制策略和控制系统的实际效果，可采用Simulink这一仿真工具，来构建电机车停车的仿真系统。这一仿真系统能够模拟不同工况下电机车的停车过程，包括斜坡、弯道、重载等多种复杂场景，以验证控制系统的动态响应和精确控制能力。与此同时，还搭建了电机车停车实验台，这一实验台包含了完整的硬件系统和软件系统，能够真实地模拟电机车的运行状态。在实验过程中，详细介绍了实验台的原理、硬件选型依据、控制器的电路设计以及软件开发流程，确保实验结果的准确性和可靠性。通过仿真和实验验证，成功地证明了所设计的自动化控制系统，能够有效地实现煤矿井下电机车的精准停车，并且在各种复杂工况下均能保持稳定的性能。

四、结语

综上所述，基于永磁电机的矿用电机车自动化控制设计研究，通过精心设计的控制策略和控制系统，显著提升了电机车的控制精度和运行效率。这一创新标志着矿山运输领域向智能化迈出了坚实的一步，进而保证了矿山作业的安全性与高效行。未来随着人工智能、物联网等前沿技术的迅猛发展，矿用电机车的自动化控制将会进一步升级。智能感知、自主决策、精确执行将成为未来矿用电机车的标配，实现矿山运输的智能化、精准化，进一步提升矿山的生产效率与安全水平，为矿山产业的持续发展注入强大动力。

五、结语

[1]黄保胜.基于永磁同步电机的矿用电机车停车控制方法研究[D].中国矿业大学, 2022. 

[2]王超.矿用电机车永磁同步电机控制系统研究[J].江西煤炭科技, 2023, (01): 196-198.

[3]郭军凯.永磁同步电机在蓄电池电机车调速系统中的应用[J].机械管理开发, 2023, 38 (04): 220-222.