隋 淼 宗 鳴

自供電的帶式輸送機(jī)速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

隋 淼 宗 鳴

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870）

針對(duì)現(xiàn)有遠(yuǎn)距離帶式輸送機(jī)速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)因供電線路過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致成本過(guò)大的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種自供電的帶式輸送機(jī)速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用輸送機(jī)的托輥帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電的同時(shí)，單片機(jī)測(cè)量發(fā)電機(jī)輸出電的頻率。通過(guò)發(fā)電機(jī)頻率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，計(jì)算出托輥及輸送帶的線速度。首先設(shè)計(jì)基于STM32單片機(jī)的速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，然后設(shè)計(jì)一臺(tái)外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)，接著設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的供電電路，再通過(guò)Ansys Simplorer軟件對(duì)發(fā)電機(jī)和外電路進(jìn)行聯(lián)合仿真，得出發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)的輸出電壓波形。將得出的電壓波形通過(guò)Proteus軟件送至供電模塊和速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

帶式輸送機(jī)；外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)；速度監(jiān)測(cè)

0 引言

帶式輸送機(jī)作為現(xiàn)代工業(yè)的運(yùn)輸工具，被廣泛應(yīng)用于煉金、礦業(yè)、石化、港口運(yùn)輸、建筑等領(lǐng) 域[1-3]。但帶式輸送機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)也存在著很大的隱患，即一旦發(fā)生打滑、斷帶、卡死等問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[4-6]。輸送帶實(shí)時(shí)的運(yùn)行速度能夠很好地反映輸送機(jī)的運(yùn)行情況，因此，為確保帶式輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，常對(duì)帶式輸送機(jī)的速度參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。長(zhǎng)距離輸送帶中各種保護(hù)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的供電需要長(zhǎng)距離的輸電線路，導(dǎo)致輸電成本巨大[7-8]。對(duì)于此問(wèn)題，現(xiàn)有的輸送機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)采用無(wú)線傳感器和無(wú)線供電兩種辦法。無(wú)線傳感器皆由電池供電，供電能力有限，需經(jīng)常更換，會(huì)耗費(fèi)較大的人力并造成環(huán)保問(wèn)題；無(wú)線供電技術(shù)過(guò)于復(fù)雜，且成本巨大，應(yīng)用的性價(jià)比極低[9-10]。

本文通過(guò)一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)對(duì)輸送機(jī)的速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)此發(fā)電機(jī)為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電，實(shí)現(xiàn)了自供電的輸送機(jī)速度監(jiān)測(cè)。

1 輸送機(jī)皮帶速度的檢測(cè)方法

帶式輸送機(jī)的線速度難以直接測(cè)量，而輸送帶的托輥線速度與輸送帶線速度是相同的，故可通過(guò)測(cè)量托輥線速度間接測(cè)量輸送帶線速度[11-12]。托輥的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)檢測(cè)托輥所帶動(dòng)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速得到。

為方便發(fā)電機(jī)安裝和拖動(dòng)，設(shè)計(jì)為外轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)定子軸固定在輸送機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)上，外轉(zhuǎn)子機(jī)殼與托輥輥皮接觸，隨著托輥輥皮一起旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電動(dòng)勢(shì)頻率具有以下線性關(guān)系[13]，即

式中：為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速（r/min）；為發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)頻率（Hz）；為發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)。

由式（1）可知，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出電的頻率計(jì)算得到。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸送機(jī)的線速度之間的關(guān)系為式（2），可以通過(guò)式（2）計(jì)算得到托輥及傳送帶的線速度。

式中：為輸送機(jī)線速度（m/s）；為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑（包括機(jī)殼）（m）。

根據(jù)式（1）和式（2）得到帶式輸送機(jī)輸送帶線速度為

本文利用單片機(jī)檢測(cè)發(fā)電機(jī)輸出的交流電頻率。將發(fā)電機(jī)輸出的交流信號(hào)經(jīng)過(guò)處理變?yōu)閱纹瑱C(jī)可以識(shí)別的方波信號(hào)，然后定時(shí)器定時(shí)，同時(shí)計(jì)數(shù)器對(duì)高低電平變化次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，單位時(shí)間的計(jì)數(shù)值即為交流信號(hào)的頻率。

綜上，通過(guò)檢測(cè)發(fā)電機(jī)的頻率可以計(jì)算得出輸送機(jī)皮帶的線速度。

2 基于單片機(jī)的速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

輸送機(jī)速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程如圖1所示。本文利用光耦合器和上拉電阻將交流信號(hào)整形為方波信號(hào)，供單片機(jī)檢測(cè)。交流信號(hào)整形為方波信號(hào)電路如圖2所示。

發(fā)電機(jī)一相的交流電經(jīng)過(guò)電阻2降壓后輸入發(fā)光二極管，當(dāng)交流電正半周輸入時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通并發(fā)光，光敏晶體管受光照導(dǎo)通，CC經(jīng)過(guò)1分壓，輸出高電平；當(dāng)交流電負(fù)半周輸入時(shí)，發(fā)光二極管關(guān)斷，光敏晶體管同時(shí)開(kāi)斷，輸出低電平，如此便將交流信號(hào)整形為方波信號(hào)輸出。

圖1 輸送機(jī)速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程

圖2 交流信號(hào)整形為方波信號(hào)電路

本文使用STM32單片機(jī)對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。方波信號(hào)輸入單片機(jī)I/O口，內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)，計(jì)數(shù)器記錄高低電平變化次數(shù)，計(jì)算頻率，然后根據(jù)式（3）計(jì)算得到傳送帶線速度并在LCD1602液晶屏上實(shí)時(shí)顯示，計(jì)算結(jié)果精確到小數(shù)點(diǎn)后三位。

3 發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

本文用Ansys Maxwell軟件搭建的外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)模型如圖3所示?？紤]到外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)定子軛部磁通密度不高，槽形選擇平行齒梯形槽，減小了定子軛部的厚度，相對(duì)于平行齒梨形槽增加了槽面積[14-15]。繞組采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組。發(fā)電機(jī)鐵心采用DW315—50冷軋硅鋼片[16]，其飽和磁通密度在2T左右。發(fā)電機(jī)采用NdFe35型號(hào)釹鐵硼永磁材料勵(lì)磁，其剩磁達(dá)到1.1T，矯頑力890kA/m。發(fā)電機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)模型

表1 發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)

對(duì)發(fā)電機(jī)的空載狀態(tài)進(jìn)行仿真，將零電流激勵(lì)作為激勵(lì)源，仿真得到電機(jī)空載磁通密度分布云圖如圖4所示，電機(jī)空載時(shí)三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形如圖5所示。

圖4 電機(jī)空載磁通密度分布云圖

空載時(shí)發(fā)電機(jī)的三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形呈良好的正弦性，峰值為9.3V左右，有效值達(dá)到6.8 V。

空載時(shí)發(fā)電機(jī)的磁通密度分布合理，基本磁路無(wú)飽和，齒部磁通密度最高，其峰值達(dá)到1.98T。圖4表明DW315—50硅鋼片可達(dá)到較優(yōu)的使用性能。

圖5 電機(jī)空載時(shí)三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形

4 供電模塊設(shè)計(jì)

速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的供電模塊電路如圖6所示。三相整流部分采用三相橋式整流電路。因STM32芯片和1602液晶電路電壓需求為3.3V，故采用LM1086—3.3V穩(wěn)壓模塊使整流后的電壓穩(wěn)定為3.3V，并在LM1086穩(wěn)壓模塊前后分別用兩對(duì)電容濾波[17]。圖中VD7作為穩(wěn)壓模塊的續(xù)流保護(hù)。

圖6 速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的供電模塊電路

5 速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證

因現(xiàn)有的仿真軟件無(wú)法對(duì)發(fā)電機(jī)與單片機(jī)進(jìn)行聯(lián)合仿真，故本文用兩款軟件進(jìn)行仿真，將得到的結(jié)果進(jìn)行連接。首先用Ansys Simplorer軟件（電機(jī)聯(lián)合仿真軟件）將發(fā)電機(jī)模型和外電路進(jìn)行聯(lián)合仿真，得到發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)的輸出電壓波形，并將波形圖以Excel形式輸出并保存。然后在Proteus軟件（單片機(jī)仿真軟件）的激勵(lì)源選項(xiàng)中，選擇自定義激勵(lì)源，將上述的Excel數(shù)據(jù)通過(guò)軟件自帶的轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)化為自定義激勵(lì)源。最后用此激勵(lì)源作為輸入對(duì)速度監(jiān)測(cè)部分進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)了兩款軟件仿真數(shù)據(jù)的連接。

取發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速450r/min為仿真值，根據(jù)式（2）計(jì)算液晶屏應(yīng)輸出線速度為0.895m/s，現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的一致性。

5.1 電機(jī)與外電路聯(lián)合仿真

因?yàn)锳nsys Simplorer軟件不能仿真單片機(jī)，而且缺少穩(wěn)壓集成模塊，本文將單片機(jī)模塊用一個(gè)恒功率負(fù)載CPL來(lái)代替，LM1086穩(wěn)壓模塊用3.3V的穩(wěn)壓管代替。發(fā)電機(jī)與外電路聯(lián)合仿真電路如圖7所示。

圖7 發(fā)電機(jī)與外電路聯(lián)合仿真電路

因圖7中三相負(fù)載對(duì)稱，發(fā)電機(jī)三相的輸出電壓波形只存在相位差，其他都相同，所以只需設(shè)置一塊電壓表VM1。仿真得出發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)一相的輸出電壓波形如圖8所示。

圖8 發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)一相輸出電壓波形

發(fā)電機(jī)負(fù)載輸出電壓波形滿足整形為方波信號(hào)的要求，峰值約8.8V，有效值6V，滿足供電需求。

5.2 基于Proteus的電路仿真

在Proteus軟件中，因?yàn)檐浖J(rèn)單片機(jī)已供電，故對(duì)供電模塊和單片機(jī)速度監(jiān)測(cè)部分分別進(jìn)行仿真。將圖8得到的發(fā)電機(jī)負(fù)載時(shí)輸出電壓波形分別輸入供電模塊和單片機(jī)模塊進(jìn)行仿真。供電模塊仿真電路如圖9所示。

圖9中，在穩(wěn)壓模塊前后各安放了一個(gè)電壓表，表VM1示數(shù)在7.5V左右波動(dòng)，波動(dòng)值為±0.5V，通過(guò)穩(wěn)壓模塊及再次濾波后，表VM2示數(shù)在3.3V左右波動(dòng)，波動(dòng)值為±0.1V，兩次濾波的效果明顯，信號(hào)波動(dòng)越來(lái)越小。表VM2的示數(shù)表明供電模塊可以給單片機(jī)供電。

對(duì)于速度監(jiān)測(cè)模塊的仿真，因發(fā)電機(jī)輸出的三相頻率是相同的，只取單相輸入即可測(cè)得頻率。速度監(jiān)測(cè)模塊整體仿真如圖10所示。圖11為仿真得到的示波器波形圖，即整形得到的方波信號(hào)。

圖9 供電模塊仿真電路

圖10 速度監(jiān)測(cè)模塊整體仿真

圖11 方波信號(hào)波形

從圖11可以看出，整形后方波波形良好，沒(méi)有畸變，可以輸入單片機(jī)I/O口。

對(duì)于速度監(jiān)測(cè)部分的仿真，圖10中LM1602液晶屏顯示的速度為0.895m/s，基本無(wú)波動(dòng)，偶爾波動(dòng)幅度為±0.01m/s。原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)輸出的電壓信號(hào)不呈絕對(duì)的正弦性，導(dǎo)致交流整形后出現(xiàn)誤差，但誤差在可接受范圍內(nèi)。

綜上可知，帶式輸送機(jī)速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的仿真結(jié)果與理論計(jì)算值基本一致。

6 結(jié)論

針對(duì)遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)膸捷斔蜋C(jī)速度監(jiān)測(cè)及其供電問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)小型外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)為基于STM32單片機(jī)的速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電，并通過(guò)檢測(cè)發(fā)電機(jī)輸出的交流信號(hào)頻率，計(jì)算出輸送帶傳輸速度。本文選取發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為仿真值，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真得出的值與理論計(jì)算值基本一致，證明了本文設(shè)計(jì)的速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可行性。本文利用一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)和配套系統(tǒng)既實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸送機(jī)速度的監(jiān)測(cè)，又解決了現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)所存在的供電問(wèn)題。同時(shí)，本文提出的自供電監(jiān)測(cè)方式可為其他遠(yuǎn)距離帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、保護(hù)和其他配套系統(tǒng)的供電方式提供參考。

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Research on the self-powered belt conveyor speed monitoring system

SUI Miao ZONG Ming

(School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870)

Aiming at the problem that the existing speed monitoring system of long-distance belt conveyor is too long, which leads to excessive cost, this paper designs a self-powered speed monitoring system of belt conveyor. The idler of conveyor is used to drive the generator to generate electricity, while the generator supplies power to the monitoring system. The system measures the frequency of the generator output electricity, and calculates the linear velocity of idler and conveyor belt through the relationship between generator frequency and rotating speed. At first, the speed monitoring system based on STM32 single-chip microcomputer is designed, then an outer-rotor permanent magnet synchronous generator is designed, and the power supply circuit of the monitoring system is designed. Then, the generator and the external circuit are simulated jointly by Ansys Simplorer software, and the output voltage waveforms of the generator under load are obtained. The voltage waveform is given to the power supply module and speed monitoring system by Proteus software for simulation, which verifies the feasibility of the system.

belt conveyor; outer-rotor permanent magnet synchronous generator; speed monitoring

2021-01-26

2021-02-07

隋 淼（1996—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閹捷斔蜋C(jī)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。