基于永磁同步电机的球磨机QM驱动控制系统及启动方法与流程

本发明涉及球磨机技术领域，特别涉及一种基于永磁同步电机的球磨机qm驱动控制系统及启动方法。

背景技术：

球磨机是物料被破碎之后，再进行粉碎的关键设备。它广泛应用于水泥、硅酸盐制品、新型建筑材料、耐火材料、化肥、黑与有色金属选矿以及玻璃陶瓷等生产行业，对各种矿石和其它可磨性物料进行干式或湿式粉磨。球磨机适用于粉磨各种矿石及其它物料，被广泛用于选矿，建材及化工等行业。

球磨机是由水平的筒体、进出料空心轴及磨头等部分组成，筒体为长的圆筒，筒内装有研磨体，筒体为钢板制造，用钢制衬板与筒体固定，研磨体一般为钢制圆球，并按不同直径和一定比例装入筒中，研磨体也可用钢段。根据研磨物料的粒度加以选择，物料由球磨机进料端空心轴装入筒体内，当球磨机筒体转动时候，研磨体由于惯性和离心力作用，摩擦力的作用，使它附在筒体衬板上被筒体带走，当被带到一定的高度时候，由于其本身的重力作用而被抛落，下落的研磨体像抛射体一样将筒体内的物料给击碎。

球磨机一般以固定转速运行，筒体的转速是由皮带轮或齿轮减速机构(也有用液力耦合器)决定的。球磨机的转速直接影响到钢球和物料的运动状况及物料的研磨过程，在不同的转速下，筒体内的钢球和物料的运动状况如图1所示：

a、转速较低时，钢球和物料随筒体内壁上升，当钢球和物料的倾角等于或大于自然倾角时，沿斜面滑下，形成斜坡，当斜坡的倾斜角到达自然休止角，研磨体在重力等作用下沿斜坡滚下，形成一种称为泻落式的状态。在这种状态中，物料主要在研磨体相对运动时产生的碰击和研磨作用下被粉碎；

b、当球磨机转速较高时，研磨体随筒体上升到一定高度后，被抛落。这种状态称为抛落式。在这种状态中，物料主要在研磨体抛落时的碰击以及部分研磨作用下被粉碎。是一种比较好的动作转速；

c、如果筒体的转速很高，由于离心力的作用，以致使物料和钢球不再脱离筒壁，而随其一同旋转，这时钢球对物料已无撞击作用，研磨效率则更低。这种状态的最低转速称为临界转速。

球磨机的临界转速nl为：ni＝42.3/√d(r/min)(d为筒体内径)，球磨机的最佳工作转速nz为：nz＝0.765nl(r/min)，实际运行表明，最佳工作转速与钢球的直径及其装载量、护甲形状，钢球与护甲之间的磨擦系数等因数有关。一般的最佳工作转速通常为临界转速的0.7～0.8，可见转速还是有一定的可调范围，但调节范围不大。

从球磨机的工作状态可以看出，球磨机具有一定的调速空间，若控制电机的速度使球磨机大部分的时间工作在(b)状态，小部分的时间工作在(a)状态，不仅提高碾磨的质量和效率，而且可以实现节能。

球磨机调速的原理基于永磁同步电机调速的原理：n＝60*f/p(其中f为电源的频率，p为电机的极对数)，从上式可以看出，改变供电电源的频率，就可以改变电机的转速，从而控制球磨机的运行状态。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于永磁同步电机的球磨机qm驱动控制系统及启动方法。

本发明的技术方案如下：一种基于永磁同步电机的球磨机qm驱动控制系统，由整流单元、缓冲单元、滤波储能单元、逆变单元和控制单元组成，所述整流单元的输入端连接电网，所述整流单元的输出端与所述缓冲单元的输入端连接，所述缓冲单元的输出端与所述滤波储能单元的输入端连接，所述滤波储能单元包括电解电容，所述电网通过所述整流单元、缓冲单元给所述电解电容充电，所述滤波储能单元的输出端与所述逆变单元的输入端连接，所述逆变单元的输出端与球磨机驱动电机连接，所述控制单元的信号输入端与所述逆变单元的信号输出端连接，所述控制单元的信号输出端与所述逆变单元的信号输入端连接，所述逆变单元根据所述控制单元发出的指令控制输出电压的频率，从而控制球磨机驱动电机的转速和工作状态。

在上述技术方案中，所述控制单元包括三相电流检测模块、坐标变换模块、转子位置及速度估算模块、速度环pi调节器、电流控制模块、第一电流环pi调节器、第二电流环pi调节器和pwm控制模块，所述三相电流检测模块的输入端与所述逆变单元的输出端连接，所述三相电流检测模块的输出端与所述坐标变换模块的输入端连接，所述坐标变换模块的输出端与所述转子位置及速度估算模块的输入端连接，所述坐标变换模块根据所述三相电流检测模块检测到的三相输出电流进行坐标变换，所述转子位置及速度估算模块估算出转子位置和速度并通过所述坐标变换模块分解出d轴电流和q轴电流，所述转子位置及速度估算模块的输出端与所述速度环pi调节器的输入端连接，所述速度环pi调节器的输出端与所述电流控制模块的输入端连接，所述电流控制模块的输出端分别通过所述第一电流环pi调节器、第二电流环pi调节器与所述坐标变换模块的信号输入端连接，所述d轴电流、q轴电流分别通过所述第一电流环pi调节器和第二电流环pi调节器，所述坐标变换模块的信号输出端通过所述pwm控制模块输出pwm控制信号至所述逆变单元的信号输入端。

在上述技术方案中，所述整流单元包括二极管三相全桥整流电路，所述电网通过所述二极管三相全桥整流电路将三相380v交流电转变成530v直流电。

在上述技术方案中，所述缓冲单元包括预充电电阻，所述预充电电阻在上电初期给所述电解电容充电。

在上述技术方案中，所述逆变单元采用绝缘栅双极型晶体管igbt作为主开关器件。

在上述技术方案中，所述逆变单元的信号输出端连接有差分运放电路，所述输出电压具有三路输出，所述三路输出电压分别通过串联电阻分压后进入所述差分运放电路输出第一电压信号和第二电压信号。

在上述技术方案中，所述差分运放电路采用差分运放tl082。

在上述技术方案中，所述第一电压信号和第二电压信号分别通过第一运算放大器和第二运算放大器整形处理成方波信号，所述方波信号再通过缓冲器衰减成第一正交方波信号和第二正交方波信号并发送到所述控制单元。

在上述技术方案中，所述第一运算放大器和第二运算放大器分别采用运放tl082和lm393，所述缓冲器采用型号mc74vhc。

一种基于永磁同步电机的球磨机qm驱动控制系统的启动方法，包括以下步骤：

a、发送启动信号到球磨机qm驱动控制系统；

b、球磨机qm驱动控制系统以5hz运行；

c、若球磨机qm驱动控制系统的运行电流大于1.1倍额定电流，球磨机qm驱动控制系统封锁输出脉冲，若球磨机qm驱动控制系统的运行电流小于额定电流，直接进入步骤f；

d、球磨机驱动电机自由停机；

e、控制板进行球磨机驱动电机转速追踪到当前运行频率；

f、在当前运行频率的基础上提升5hz；

g、直至运行频率等于设定频率；

h、球磨机qm驱动控制系统以设定频率运行。

采用上述方案，本发明的有益效果在于：本发明的一种基于永磁同步电机的球磨机qm驱动控制系统，由整流单元、缓冲单元、滤波储能单元、逆变单元和控制单元组成，该系统自带缺相、过流、过载、过压、欠压、过温、短路等各种保护功能，确保系统更加安全可靠，所述逆变单元采用“绝缘栅双极型晶体管igbt”作为主开关器件，根据控制单元发出的指令，控制输出电压的频率，从而控制球磨机驱动电机的转速和工作状态；所述控制单元作为该系统的大脑，根据检测到的三相输出电流进行坐标变换，估算出转子位置和速度，分解出d轴和q轴电流，通过电流环和速度环pi调节器，输出pwm控制信号，直接控制输出电压的频率、相位和幅值，以控制球磨机驱动电机的转速和工作状态。相对于传统的感应电机系统，本发明可节省8％-15％的能量，负载轻时，节能效果更加明显，主要是由于同步电机没有励磁损耗，转子铜耗跟铁耗，因此运行效率更高，更节能。

附图说明

图1为球磨机的工作状态图；

图2为本发明一种基于永磁同步电机的球磨机qm驱动控制系统的结构框图；

图3为永磁同步电机与异步电机的运行效率对比图；

图4为本发明一种基于永磁同步电机的球磨机qm驱动控制系统的启动方法的流程图；

图5为本发明驱动板转速追踪信号转换的电路示意图；

图6为本发明控制板转速追踪整形电路示意图之一；

图7为本发明控制板转速追踪整形电路示意图之二。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

如图2所示，本发明的一种基于永磁同步电机的球磨机qm驱动控制系统，由整流单元、缓冲单元、滤波储能单元、逆变单元和控制单元组成，整流单元的输入端连接电网，整流单元的输出端与缓冲单元的输入端连接，缓冲单元的输出端与滤波储能单元的输入端连接，滤波储能单元包括电解电容，电网通过整流单元、缓冲单元给电解电容充电，滤波储能单元的输出端与逆变单元的输入端连接，逆变单元的输出端与球磨机驱动电机连接，控制单元的信号输入端与逆变单元的信号输出端连接，控制单元的信号输出端与逆变单元的信号输入端连接。

整流单元：其主要作用是利用二极管三相全桥整流电路把三相380v交流电转变成530v直流电。

缓冲单元：其功能是初始上电的一段时间内限制电解电容(直流母线)的充电电流，防止电流过大，损坏电解电容。其工作机制是上电一段时间内通过预充电电阻给电解电容充电，当充电到一定程度时，使接触器吸合短路掉电阻，正常工作状态，由接触器给系统供电。

滤波储能单元：主要作用是滤掉直流纹波，稳定电解电容电压，储蓄直流电能。

逆变单元：采用“绝缘栅双极型晶体管igbt”作为主开关器件，根据控制单元发出的指令，控制输出电压的频率，从而控制球磨机驱动电机的转速和工作状态。

控制单元：作为系统的大脑，根据检测到的三相输出电流进行坐标变换，估算出转子位置和速度，分解出d轴和q轴电流，通过电流环和速度环pi调节器，输出pwm控制信号，直接控制输出电压的频率、相位和幅值，以控制球磨机驱动电机的转速和工作状态。

控制单元包括三相电流检测模块、坐标变换模块、转子位置及速度估算模块、速度环pi调节器、电流控制模块、第一电流环pi调节器、第二电流环pi调节器和pwm控制模块，三相电流检测模块的输入端与逆变单元的输出端连接，三相电流检测模块的输出端与坐标变换模块的输入端连接，坐标变换模块的输出端与转子位置及速度估算模块的输入端连接，坐标变换模块根据三相电流检测模块检测到的三相输出电流进行坐标变换，转子位置及速度估算模块估算出转子位置和速度并通过坐标变换模块分解出d轴电流和q轴电流，转子位置及速度估算模块的输出端与速度环pi调节器的输入端连接，速度环pi调节器的输出端与电流控制模块的输入端连接，电流控制模块的输出端分别通过第一电流环pi调节器、第二电流环pi调节器与坐标变换模块的信号输入端连接，d轴电流、q轴电流分别通过第一电流环pi调节器和第二电流环pi调节器，坐标变换模块的信号输出端通过pwm控制模块输出pwm控制信号至逆变单元的信号输入端。

众所周知：球磨机负载重，需要的启动转矩大。球磨机在做系统设计时，往往电机选型都留有一定的余量。球磨机同功率永磁同步电机与异步电机的运行与效率曲线，如图3所示，可以看出，相对于传统的感应电机系统，本发明可节省8％-15％的能量，负载轻时，节能效果更加明显，主要是由于同步电机没有励磁损耗，转子铜耗跟铁耗，因此运行效率更高，更节能。

本发明基于永磁同步电机的球磨机qm驱动控制系统的启动方法，如图4所示，包括以下步骤：a、发送启动信号到球磨机qm驱动控制系统；b、球磨机qm驱动控制系统以5hz运行；c、若球磨机qm驱动控制系统的运行电流大于1.1倍额定电流，球磨机qm驱动控制系统封锁输出脉冲，若球磨机qm驱动控制系统的运行电流小于额定电流，直接进入步骤f；d、球磨机驱动电机自由停机；e、控制板进行球磨机驱动电机转速追踪到当前运行频率；f、在当前运行频率的基础上提升5hz，如此循环；g、直至运行频率等于设定频率；h、球磨机qm驱动控制系统以设定频率运行。至此，启动完成。

本发明基于永磁同步电机的球磨机qm驱动控制系统的接力原理，就是转速追踪技术，通过检测球磨机驱动电机的反电动势频率和方向，测算球磨机驱动电机的当前频率和方向，然后球磨机qm驱动控制系统直接以当前频率运行，无缝衔接当前电机转速，实现完美接力。

球磨机qm驱动控制系统的输出直接跟球磨机驱动电机相连，转速追踪技术需要采集电机反电动势的频率和方向，其原理如图5所示，球磨机qm驱动控制系统的三路输出电压u、v、w，该三路输出电压分别通过串联电阻分压，逆变单元的信号输出端连接有差分运放电路，衰减后的电压进入差分运放tl082，差分运放tl082输出两路电压信号vuv和vvw。u、v、w电压信号与vuv、vvw信号频率完全一样，幅值衰减到原来的1％，即u、v、w1000v电压输入对应vuv、vvw10v电压输出。r41‖r22＝＝40.6kω,故vv1＝≈1％。

球磨机qm驱动控制系统的输出电压为0～380v正弦信号，vuv，vvw幅值对应为同频率的0-4v正弦信号。vuv，vvw下级信号处理电路如图6和图7所示：

vuv，vvw电压信号通过两级运放tl082和lm393整形处理，变成幅值为4.5v左右的方波信号，然后通过缓冲器mc74vhc衰减成3v左右的正交方波信号phuv和phvw，直接送入主控芯片dsp；采集两路正交方波信号phuv和phvw的目的是为了有效识别电机的方向；主控芯片dsp根据phuv和phvw信号的频率和方向，直接控制球磨机驱动电机以“phuv和phvw的频率和方向”运行，无缝衔接当前电机转速，实现完美的速度追踪。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。