劉建軍 李志勇

摘 要：針對(duì)煤礦輔助運(yùn)輸車輛傳感器易損壞、控制系統(tǒng)失調(diào)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款基于無(wú)速度傳感器的輔助運(yùn)輸車輛智能調(diào)速控制系統(tǒng)。根據(jù)MRAS系統(tǒng)基本原理，采用李亞普諾夫穩(wěn)定性方案對(duì)實(shí)際車速進(jìn)行預(yù)測(cè)?；贚PC1788 ARM芯片搭建智能調(diào)速控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案，并完成基于RealView MDK平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下完成小功率三相異步電動(dòng)機(jī)的電壓、空載、負(fù)載試驗(yàn)。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的智能調(diào)速控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)失真、畸變現(xiàn)象，預(yù)測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速輸出穩(wěn)定，跟隨性好。

關(guān)鍵詞：MRAS;智能調(diào)速;輔助運(yùn)輸車輛

中圖分類號(hào)：TD529 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）19-0050-03

Abstract： Aiming at the problems of sensor damage and control system imbalance of coal mine auxiliary transportation vehicle， an intelligent speed regulation control system of auxiliary transportation vehicle based on speed sensor is designed in this paper. According to the basic principles of the MRAS system， the Lyapunov stability scheme is used to predict the actual vehicle speed. Build the hardware design scheme of the intelligent speed control system based on the LPC1788 ARM chip， and complete the software design based on the RealView MDK platform. The voltage， no-load， and load experiments of a low-power three-phase asynchronous motor were completed in a laboratory environment. The results show that the designed and implemented intelligent speed control system operates stably， without distortion and distortion， and predicts that the motor speed output is stable and has good followability.

Keywords： MRAS;intelligent speed regulation;auxiliary transportation vehicle

煤礦輔助運(yùn)輸車輛是煤礦生產(chǎn)中的重要運(yùn)輸裝置，多采用直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過(guò)載能力強(qiáng)、恒功率運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。但是，其在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中也存在諸多問(wèn)題[1-3]：第一，直流電動(dòng)機(jī)的維護(hù)、維修成本較高，換向器、碳刷等易損易耗器件的更換頻率大，故障率高;第二，調(diào)速時(shí)，電阻器上的電能損耗大，電能浪費(fèi)嚴(yán)重，且存在發(fā)熱的安全隱患;第三，換擋時(shí)操控性差，只能逐級(jí)換擋，且換向、調(diào)速間無(wú)閉鎖控制，存在安全隱患;第四，與變頻調(diào)速相比，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性差。綜合考慮上述問(wèn)題，采用交流電動(dòng)機(jī)變頻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)輔助運(yùn)輸車輛智能調(diào)速成為發(fā)展趨勢(shì)。本文基于煤礦輔助運(yùn)輸車輛的惡劣、復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境，采用無(wú)速度傳感器的模型自適應(yīng)方案估算、預(yù)測(cè)三相異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，建立以LPC1788芯片為核心的智能變頻調(diào)速軟硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤礦輔助運(yùn)輸車輛的智能調(diào)速。

1 智能調(diào)速的基本原理

煤礦輔助運(yùn)輸車輛運(yùn)行環(huán)境惡劣，常常出現(xiàn)傳感器進(jìn)水、碰撞以及人為損壞等現(xiàn)象，造成運(yùn)輸車的實(shí)時(shí)速度無(wú)法正確反饋，導(dǎo)致調(diào)速控制系統(tǒng)失靈。為解決上述問(wèn)題，采用無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)設(shè)計(jì)煤礦輔助運(yùn)輸車輛智能調(diào)速控制系統(tǒng)。同時(shí)，采用模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)（Model Reference Adaptive System，MRAS）對(duì)輔助運(yùn)輸車輛的電動(dòng)機(jī)的磁鏈與轉(zhuǎn)速進(jìn)行預(yù)測(cè)，保證系統(tǒng)性能。模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)（MRAS）的原理如圖1所示[4-5]，為并聯(lián)參數(shù)辨識(shí)結(jié)構(gòu)（輸出誤差結(jié)構(gòu)）。其中，[U]為系統(tǒng)輸入矢量，[X]為過(guò)程參考模型狀態(tài)矢量，[Y]為并聯(lián)估計(jì)模型狀態(tài)矢量。[X]與[Y]比較后將輸出誤差值矢量[V]傳入辨識(shí)算法模塊[X]，根據(jù)算法模型修正并聯(lián)估計(jì)模型，使輸出矢量[Y]無(wú)限逼近[X]，輸出誤差無(wú)限逼近0。圖1中的辨識(shí)算法常用的自適應(yīng)定律有李亞普諾夫穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方案、波波夫穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方案兩種。

模型自適應(yīng)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)定子、轉(zhuǎn)子電壓矢量方程可表示為：

將式（1）作為過(guò)程參考模型，式（2）作為并聯(lián)估計(jì)模型。式（1）中的[ψs]為前者狀態(tài)矢量，式（2）中的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流矢量[ir]為不可預(yù)測(cè)量，[ψr]為后者狀態(tài)矢量。因此，將式（2）轉(zhuǎn)換為式（3）：

根據(jù)MRAS系統(tǒng)要求，圖1中的參考模型、可調(diào)模型針對(duì)的是同一狀態(tài)矢量，即[ψr]，將[ψs]、[ψr]看作一個(gè)整體進(jìn)行分析，則式（3）可進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為式（4）[6]：

式中：[Lr]、[Lm]為不變參數(shù)。根據(jù)式（4）預(yù)測(cè)輔助運(yùn)輸車的車速，當(dāng)運(yùn)輸車速度較高時(shí)，有弱靜差和超調(diào)，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)時(shí)，需要選擇較小的[Kp]、[Ki]值，以減小弱靜差和超調(diào)引起的誤差;當(dāng)運(yùn)輸車速度較低時(shí)，需要選擇較大的[Kp]、[Ki]值，以縮短系統(tǒng)收斂時(shí)間，并延長(zhǎng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間?？偟膩?lái)說(shuō)，選擇MRAS系統(tǒng)預(yù)測(cè)運(yùn)輸車車速時(shí)，[Kp]、[Ki]值應(yīng)隨車速的變化而實(shí)時(shí)變化。

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)MRAS智能調(diào)速原理，設(shè)計(jì)煤礦輔助運(yùn)輸車輛調(diào)速系統(tǒng)硬件。根據(jù)輔助運(yùn)輸車惡劣、復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，重點(diǎn)考慮大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、強(qiáng)過(guò)載能力要求，設(shè)計(jì)的硬件方案如圖2所示。由圖2可知，設(shè)計(jì)的硬件主要包括蓄電池、升壓電路、數(shù)字/模擬濾波電路、驅(qū)動(dòng)電路、線電壓檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)電路、霍爾電流傳感器、信號(hào)處理電路以及鍵盤控制電路等。硬件系統(tǒng)的核心為L(zhǎng)PC1788 ARM芯片[7-8]。LPC1788 ARM芯片的CAN總線通信口用于處理運(yùn)輸車上位機(jī)顯示信號(hào);I/O口用于處理控制指令信號(hào)、故障信號(hào)以及鍵盤控制信號(hào);A/D接口用于處理運(yùn)輸車輛調(diào)速系統(tǒng)的線電壓、溫度、電流等傳感器信號(hào);脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）接口用于處理脈寬調(diào)制信號(hào)，并經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后將信號(hào)傳送至功率變換器進(jìn)行處理，控制三相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)電路選用的芯片為IR2110，開通時(shí)延為120 ns，關(guān)斷時(shí)延為94 ns;工作頻率最高可達(dá)500 kHz;具備獨(dú)立的高低端輸入通道以及光耦、電磁隔離能力。輔助運(yùn)輸車輛智能調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的電路分為弱電控制電路板和強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)電路板兩部分，并通過(guò)導(dǎo)電排進(jìn)行連接，提升系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)煤礦輔助運(yùn)輸車輛智能調(diào)速硬件設(shè)計(jì)方案，在RealView MDK開發(fā)環(huán)境中完成LPC1788 ARM芯片內(nèi)部編程，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)速功能，軟件設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖3。首先，對(duì)LPC1788 ARM芯片硬件引腳分配的寄存器進(jìn)行定義，并管理、調(diào)用各個(gè)具體的功能模塊;其次，在LPC1788 ARM芯片內(nèi)移植μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，并完成操作系統(tǒng)的初始化工作;最后，結(jié)合LPC1788 ARM芯片自帶的電機(jī)控制算法以及MRAS系統(tǒng)速度預(yù)測(cè)方案編寫輔助運(yùn)輸車輛智能調(diào)速軟件系統(tǒng)。在進(jìn)行系統(tǒng)軟件編程時(shí)，采用多線程模塊化編程方案。根據(jù)調(diào)速方案將軟件系統(tǒng)分為7部分，即電壓、電流等模擬信號(hào)采集模塊，故障信號(hào)輸入檢測(cè)模塊，控制指令輸入檢測(cè)模塊，溫度檢測(cè)模塊，CAN總線通信處理模塊，串行通信處理模塊，鍵盤及上位機(jī)顯示處理模塊，并分別啟動(dòng)7個(gè)線程，加快數(shù)據(jù)處理速度。

4 系統(tǒng)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)設(shè)計(jì)的輔助運(yùn)輸車輛智能調(diào)速系統(tǒng)機(jī)型進(jìn)行試驗(yàn)。選用的三相異步電動(dòng)機(jī)的額定功率為40 W，額定電壓為380 V，額定電流為0.2 A，額定轉(zhuǎn)速為1 430 r/min，采用星形連接。采用USB接口+ULINK仿真器+JTAG接口將設(shè)計(jì)的硬件電路板與筆記本電腦連接，通過(guò)筆記本電腦輸入控制指令，完成對(duì)車輛的控制。輔助運(yùn)輸車輛的外部電流、電壓、溫度、車速等傳感器信號(hào)經(jīng)接口電路后傳送至LPC1788 ARM芯片內(nèi)部;輸出的PWM信號(hào)經(jīng)光耦隔離、驅(qū)動(dòng)電路后傳送至功率變換器。采用示波器觀察電動(dòng)機(jī)的電壓、轉(zhuǎn)速輸出波形。

4.2 試驗(yàn)分析

第一，測(cè)試電動(dòng)機(jī)在不同運(yùn)行頻率時(shí)的電壓波形，運(yùn)行頻率分別為20 Hz、30 Hz、50 Hz、60 Hz、80 Hz和90 Hz。實(shí)際觀察示波器輸出發(fā)現(xiàn)，未出現(xiàn)嚴(yán)重失真、畸變現(xiàn)象，僅有少量毛刺。

第二，測(cè)試電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速波形。通過(guò)示波器觀察，轉(zhuǎn)速波形較平滑、穩(wěn)定并快速跟隨實(shí)際轉(zhuǎn)速值變化。

第三，測(cè)試電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速波形。在運(yùn)行頻率為50 Hz、轉(zhuǎn)速為1 470 r/min，運(yùn)行頻率為30 Hz、轉(zhuǎn)速為890 r/min的條件下，施加相同的阻力，測(cè)量電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)速波形。通過(guò)示波器觀察，實(shí)際轉(zhuǎn)速波形輸出穩(wěn)定，未出現(xiàn)失真，具有穩(wěn)定、良好的動(dòng)態(tài)跟隨性。

5 結(jié)語(yǔ)

采用無(wú)速度傳感器的MRAS系統(tǒng)預(yù)測(cè)煤礦輔助運(yùn)輸車輛的實(shí)際電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，完成基于LPC1788 ARM芯片的智能調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)，引入μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)管理軟件各功能模塊，實(shí)現(xiàn)多線程數(shù)據(jù)處理方案，提升調(diào)速系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，最后在實(shí)驗(yàn)室條件下完成智能調(diào)速控制方案試驗(yàn)。利用示波器對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電壓、轉(zhuǎn)速波形進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，未出現(xiàn)嚴(yán)重失真、畸變現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速輸出穩(wěn)定，跟隨性好。

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