王先科，劉歡歡

(河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

礦井開采工作面的提升系統(tǒng)是開采工藝中關(guān)鍵的運(yùn)輸環(huán)節(jié)。提升系統(tǒng)的主要設(shè)備——提升機(jī)是連接礦井內(nèi)外的運(yùn)輸設(shè)備。提升機(jī)不僅承擔(dān)著運(yùn)送煤炭物料的重任，還對(duì)一線作業(yè)人員的上下井進(jìn)行運(yùn)送。提升機(jī)性能的優(yōu)越性關(guān)系到煤炭開采生產(chǎn)的效率和安全性。由于提升機(jī)的工作面覆蓋并延伸至礦井內(nèi)外，配備了大型且復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，具有多個(gè)電氣系統(tǒng)組成才能保證提升機(jī)各類工藝動(dòng)作的準(zhǔn)確性。提升機(jī)在面對(duì)惡劣的工況環(huán)境時(shí)，通過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后很容易發(fā)生超速、過卷等故障，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)造成了威脅?！睹旱V安全規(guī)程》對(duì)提升機(jī)在運(yùn)行過程中的管理、監(jiān)測(cè)以及后期的維護(hù)保養(yǎng)作出了強(qiáng)制性安全規(guī)定[1]。為了提高提升機(jī)的工作安全性和穩(wěn)定性，有必要設(shè)計(jì)出一套控制系統(tǒng)對(duì)提升機(jī)的速度進(jìn)行控制，并且及時(shí)了解工作運(yùn)行參數(shù)，便于技術(shù)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。針對(duì)提升機(jī)的異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)出變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，能夠及時(shí)讀取提升機(jī)異常的數(shù)據(jù)信息，例如過卷、過放現(xiàn)象[2]。技術(shù)人員可通過變頻調(diào)速控制系統(tǒng)對(duì)提升機(jī)進(jìn)行安全范圍內(nèi)的調(diào)速控制，確保整體開采過程處于合理的速度范圍內(nèi)，該系統(tǒng)對(duì)于在工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)踐應(yīng)用具有較大的價(jià)值。

1 變頻調(diào)速控制原理

1.1 變頻調(diào)速技術(shù)要求

(1)行程控制要求。礦井提升機(jī)根據(jù)不同的分類方式可分為多種型號(hào)類型，例如，根據(jù)鋼絲繩的裹卷形式可分為纏繞式和摩擦式。以常見的多繩摩擦式提升機(jī)為研究對(duì)象，由于提升機(jī)受到礦井工作面的空間限制，在提升行程位移方面具有一定的限制性，需對(duì)行程提出更加具體的要求。提升機(jī)控制系統(tǒng)原理如圖1所示，提升機(jī)在執(zhí)行不同工序任務(wù)時(shí)的瞬時(shí)速度是不同的。

圖1 礦井提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)原理

為了提高對(duì)行程的控制精度，尤其是減小提升機(jī)在減速過程中的誤差，需要對(duì)圖1中的閘控電路的脈沖變換信號(hào)進(jìn)行精準(zhǔn)控制。對(duì)提升機(jī)在減速階段的每個(gè)速度點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)速度變化逐漸增大信號(hào)采集的頻率，當(dāng)提升機(jī)鋼絲繩通過輸出檢測(cè)傳感器時(shí)，都會(huì)給定一個(gè)速度信號(hào)。通過系統(tǒng)控制算法對(duì)2個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)間間隔數(shù)據(jù)，計(jì)算出鋼絲繩通過的行程，實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)行程的控制。

(2)狀態(tài)監(jiān)測(cè)要求。通過提升機(jī)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)后臺(tái)的調(diào)速操作是變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的核心[3]。當(dāng)提升機(jī)的工作狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)能夠?qū)Ξ惒诫妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行及時(shí)的調(diào)控。配合礦井深度檢測(cè)器，預(yù)先判斷提升滾筒的加速、減速、停車的位置，要求調(diào)速系統(tǒng)不僅能直接調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)，還能間接對(duì)提升機(jī)內(nèi)部電流、溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)提升機(jī)不同的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)變頻控制，減小能耗的輸出。

1.2 控制速度閉環(huán)PID 控制

為了提高對(duì)提升機(jī)控制速度的精確性，采用PID控制算法。該算法可以有效去除外界環(huán)境的干擾，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速控制。 PID控制算法在ARM數(shù)字平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)，利用ARM技術(shù)模塊，同時(shí)對(duì)滾筒位置信息和PID算法反饋信息進(jìn)行計(jì)算[4]。閉環(huán)PID算法能有效減小載荷波動(dòng)、電流波動(dòng)等干擾因素的影響，并且擴(kuò)大了變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作范圍，尤其在提升機(jī)加速和減速的初期階段能夠有效提升平穩(wěn)性。 PID速度控制邏輯如圖2所示。

圖2 PID速度控制邏輯

由圖2可知，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速和電流的雙向調(diào)節(jié)，提升機(jī)參數(shù)的輸出不再是鋸齒形的數(shù)據(jù)線，而是一條平滑的拋物線，調(diào)速誤差得以無限減小。該閉環(huán)控制算法能將前饋控制與抗干擾性相結(jié)合，有效減小了系統(tǒng)的隨機(jī)誤差。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體硬件方案設(shè)計(jì)

提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)拋棄常規(guī)性以PLC作為中央核心處理器的設(shè)計(jì)規(guī)律，采用ARM處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制平臺(tái)[5]。ARM相對(duì)于PLC在能耗、編程控制、后期功能拓展方面更加具有優(yōu)勢(shì)。面對(duì)復(fù)雜的礦井環(huán)境，ARM嵌入式處理器也能保證對(duì)各類信號(hào)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的監(jiān)控和收集。因此，在硬件設(shè)計(jì)方面以ARM作為中央核心，在此基礎(chǔ)之上拓展其他的硬件設(shè)施和功能。

2.2 功能模塊硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 總體結(jié)構(gòu)

調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路、保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。每個(gè)電路系統(tǒng)都配置微控制器、A/D轉(zhuǎn)換接口、電流電壓檢測(cè)端，通過ARM嵌入式處理器對(duì)電路中的變頻器實(shí)現(xiàn)矢量控制。根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路、保護(hù)電路系統(tǒng)的直接聯(lián)系，設(shè)計(jì)硬件原理框架如圖3所示。

圖3 變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件原理框架

2.2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路是實(shí)現(xiàn)提升機(jī)快速運(yùn)行的系統(tǒng)，在安全范圍內(nèi)有足夠的電壓和電流輸入至IGBT驅(qū)動(dòng)芯片，通過中間的PWM隔離及驅(qū)動(dòng)電路的橋接，實(shí)現(xiàn)了在大電感負(fù)載下提升機(jī)的快速啟停。 IGBT驅(qū)動(dòng)芯片選用IR2233專用柵極芯片，該芯片內(nèi)部有獨(dú)立的運(yùn)算放大器，電流不僅可以實(shí)現(xiàn)正向輸入，還能模擬反饋輸入的效果。同時(shí)在安全方面，該芯片具有電流保護(hù)和欠電壓關(guān)閉的功能，可以同時(shí)關(guān)閉8個(gè)輸出通道。IR2233芯片的一共有16個(gè)管腳[6]，包括邏輯輸入故障、輸出放大器、輸入浮動(dòng)電源等管腳功能。系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路

2.2.3 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

檢測(cè)電路是提升機(jī)變頻控制系統(tǒng)按照一定頻率檢測(cè)電路運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵電路系統(tǒng)。檢測(cè)電路主要分為電流檢測(cè)、電壓檢測(cè)、溫度檢測(cè)以及速度檢測(cè)。選用TBC06DS型號(hào)的電流傳感器，產(chǎn)生電流霍爾效應(yīng)。通過運(yùn)算放大器將電流信號(hào)編譯為定子電流檢測(cè)線路能夠讀取的信息。 同時(shí)電流檢測(cè)線路與電壓檢測(cè)線路要進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)光偶的隔離調(diào)整。電壓采樣線路是通過影響對(duì)電壓進(jìn)行檢測(cè)，去除濾波雜質(zhì)，最終完成電感和電容的濾波處理。速度檢測(cè)電路是變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的關(guān)鍵電路。通過旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)2個(gè)脈沖序列的脈沖數(shù)進(jìn)行確定，旋轉(zhuǎn)編碼器的選用型號(hào)為OMRON E6B2[7]，當(dāng)提升機(jī)的電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)軸開始運(yùn)行時(shí)，就會(huì)同時(shí)產(chǎn)生相位差為正交關(guān)系的2個(gè)脈沖信號(hào)。旋轉(zhuǎn)編碼器就會(huì)通過脈沖信號(hào)的方向，確定電動(dòng)機(jī)速度變化情況。

LM75溫度測(cè)量電路如圖5所示。LM75為溫度傳感器，能夠?qū)囟鹊哪M信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過I2C總線傳送到各寄存器內(nèi)，由LM75的各個(gè)邏輯地址管腳分配信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址。整個(gè)溫度檢測(cè)電路配置4個(gè)LM75，確保檢測(cè)信號(hào)的存儲(chǔ)地址不發(fā)生沖突。

圖5 LM75溫度檢測(cè)電路示意

2.3 硬件可靠性設(shè)計(jì)

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件可靠性主要是提高對(duì)抗電子干擾的能力。主要包括4個(gè)方面：①電源線的合理設(shè)計(jì)。提高電源線的去耦能力，在設(shè)計(jì)電源線時(shí)應(yīng)增加瓷片旁路電容。②提高地線抗電磁干擾的能力。選擇多點(diǎn)接地并保持接地點(diǎn)的間距在3 mm以上。當(dāng)信號(hào)頻率達(dá)到10 MHz 時(shí)，將地線設(shè)計(jì)為閉環(huán)回路[8]。③合理對(duì)元器件進(jìn)行布局。盡量使得同組元器件形成聚合效應(yīng)，減小不同組之間的相互干擾。④設(shè)置去藕電容。集成電路都已經(jīng)安裝0.01 pF的瓷片電容，如 RAM、ROM元件，增大抗噪性并減小電源參數(shù)變化過大所造成的不穩(wěn)定。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體方案設(shè)計(jì)

(1)系統(tǒng)程序開發(fā)流程。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的軟件應(yīng)該與硬件相匹配，充分發(fā)揮硬件設(shè)計(jì)的可靠性，并且能夠便于礦井技術(shù)人員的使用。采用有一套穩(wěn)定可靠的工藝操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)硬件運(yùn)行，經(jīng)過對(duì)比，選用μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件的開發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)源文件程序在ARM平臺(tái)下運(yùn)行，通過C語言進(jìn)行編譯。ARM將獲得內(nèi)部存儲(chǔ)器地址的尋址范圍，合理分配數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的空間。經(jīng)過調(diào)試程序以后生成執(zhí)行文件，采用JTAG接口導(dǎo)入至Flash獨(dú)立運(yùn)行，系統(tǒng)開發(fā)流程如圖6所示。

圖6 ARM系統(tǒng)程序開發(fā)流程示意

(2)速度控制算法方案。為了提高變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的精確性，將速度信號(hào)的控制手段設(shè)計(jì)為閉環(huán)調(diào)速方式，有效的避免了速度變化、電流波動(dòng)的外界干擾。通過采用積分分離的PID控制算法，可將信號(hào)反饋值進(jìn)行穩(wěn)定控制。調(diào)速范圍在提升機(jī)的起、制動(dòng)階段獲得了更大的極限控制量，當(dāng)提升機(jī)單位時(shí)間內(nèi)速度幅值變化較大時(shí)，電動(dòng)機(jī)的速度控制容易產(chǎn)生較大的誤差。當(dāng)誤差進(jìn)行積累時(shí)，就會(huì)影響后期的速度控制計(jì)算。采用PID控制算能夠有效的減小速度、控制偏差，通過積分分離的速度控制方式，能夠?qū)λ俣绕钸M(jìn)行數(shù)值補(bǔ)償，如圖7所示。

圖7 PID控制算法流程示意

3.2 基于μC/OS-Ⅱ平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 μC/OS-Ⅱ軟件結(jié)構(gòu)

μC/OS-Ⅱ軟件平臺(tái)是針對(duì)于工業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的新型軟件結(jié)構(gòu)。μC/OS-Ⅱ軟件包括底層編譯程序、應(yīng)用層、硬件操作層。通過應(yīng)用層主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收集、算法的優(yōu)化執(zhí)行、程序定義等功能。當(dāng)應(yīng)用層出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)，硬件操作者就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，重新對(duì)閉環(huán)算法進(jìn)行優(yōu)化。μC/OS-Ⅱ軟件是由多個(gè)檢測(cè)任務(wù)構(gòu)成，包括9個(gè)具體任務(wù)。μC/OS-Ⅱ軟件不僅具備檢測(cè)任務(wù)執(zhí)行命令，還將外接外部的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用接口，如圖8所示。

圖8 μC/OS-Ⅱ軟件結(jié)構(gòu)示意

3.2.2 程序任務(wù)

(1)信號(hào)采集任務(wù)由電流、電壓、溫度信號(hào)為主要的采集對(duì)象，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)寄存至存儲(chǔ)器內(nèi)。傳感器的輸入電壓為1.56V，根據(jù)電流的走向判斷正負(fù)采樣值，信號(hào)模塊在接收數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)。要注意 A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量是否能夠?qū)C(jī)器識(shí)別。

(2)要實(shí)現(xiàn)速度的快速檢測(cè)任務(wù)。通常將檢測(cè)周期設(shè)置為4 ms，將速度脈沖信號(hào)設(shè)置為正交關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)4倍幅值的放大[9]。PID閉環(huán)控制的中斷周期由于提升機(jī)運(yùn)行的慣性過大，對(duì)于定子電流的獲取需要采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器。

3.3 程序抗干擾分析

由于礦井開采所使用的電氣設(shè)備較多，在空氣中出現(xiàn)了各類干擾電磁波。外界的干擾源雖然不會(huì)直接對(duì)軟件造成破壞，但是會(huì)通過硬件設(shè)施的損壞使得系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生異常。因此，軟件的抗干擾具有一定的隨機(jī)性。軟件的抗干擾主要有3個(gè)方法[10-15]：①通過軟件內(nèi)部的程序進(jìn)行干擾攔截。設(shè)置軟件陷阱使得程序出現(xiàn)虛假運(yùn)行，此時(shí)的軟件運(yùn)行就會(huì)停滯，通過假中斷程序?qū)⒚钪羔樆貧w至初始狀態(tài)。②采用安全冗余抗干擾技術(shù)。除了濾波措施外，采用時(shí)間冗余技術(shù)將電流采樣只進(jìn)行數(shù)據(jù)重新初始化，可有效的對(duì)外界的干擾信號(hào)進(jìn)行消除。③設(shè)置看門狗定時(shí)器，時(shí)刻監(jiān)測(cè)程序的運(yùn)行狀態(tài)，不斷地對(duì)程序進(jìn)行刷新，一旦發(fā)現(xiàn)異常，對(duì)于程序進(jìn)行復(fù)位。

4 變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

4.1 仿真環(huán)境的建立

通過MATLAB仿真軟件中的Simulink模塊，建立提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真計(jì)算模型。按照實(shí)際工況條件，對(duì)真實(shí)的工況參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。電動(dòng)機(jī)的額定功率為1 300 W、額定轉(zhuǎn)速為1 600 r/min、綜合電阻為0.813 Ω，為了提高計(jì)算效率，設(shè)置三相電流的算法步長(zhǎng)大小為50 μs。通過對(duì)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的電流、電壓與速度響應(yīng)之間的關(guān)系以及變頻速度直接控制響應(yīng)進(jìn)行仿真計(jì)算。

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

4.2.1 變頻調(diào)速的電流電壓測(cè)試

仿真測(cè)試所模擬的三相電源頻率分別為 10、20、35、50 Hz 時(shí)，電動(dòng)機(jī)電壓與電流的波形。從這3種頻率下電動(dòng)機(jī)的電壓、電流波形可以看出，控制系統(tǒng)可有效控制變頻器輸出不同頻率的三相電，隨著三相電源頻率的升高，電動(dòng)機(jī)的三相電壓有效值都相應(yīng)的增加，電流有效值則基本保持不變，輸出電壓、電流波形曲線比較光滑、平穩(wěn)。電動(dòng)機(jī)空載情況下，從啟動(dòng)到停止的過程中，電動(dòng)機(jī)電壓、電流有效值的變化曲線如圖9、圖10所示。

圖9 變頻調(diào)速過程電流波形示意

圖10 變頻調(diào)速過程電壓波形示意

由圖9、圖10曲線可以看出，電壓電流對(duì)于速度的變化做出了較好的響應(yīng)，速度發(fā)生變化時(shí)，電壓電流相應(yīng)發(fā)生改變，穩(wěn)態(tài)下的曲線毛刺較少。該實(shí)驗(yàn)有效驗(yàn)證了系統(tǒng)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻控制的方案是可行的。

4.2.2 變頻速度測(cè)試

由于變頻的速度控制測(cè)試對(duì)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的試驗(yàn)效果有重大意義，因此采用仿真計(jì)算與測(cè)試平臺(tái)相結(jié)合的方式進(jìn)行驗(yàn)證[16-20]。變頻速度測(cè)試的電氣平臺(tái)如圖11所示，速度測(cè)試平臺(tái)包括交流電動(dòng)機(jī)和 TC-3C 提升機(jī)安全性能檢測(cè)儀。

圖11 變頻速度測(cè)試的電氣平臺(tái)

TC-3C提升機(jī)安全性能檢測(cè)儀是新型提升機(jī)綜合測(cè)試儀器，該儀器可對(duì)提升機(jī)運(yùn)行速度、制動(dòng)系統(tǒng)、系統(tǒng)總變位質(zhì)量等安全性能和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)診斷、測(cè)試、檢查和調(diào)整。本測(cè)試?yán)迷撈脚_(tái)來模擬變頻調(diào)速過程并測(cè)試電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速。實(shí)測(cè)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速曲線如圖12所示。

圖12 變頻驅(qū)動(dòng)過程電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速曲線

從圖12可以看出，實(shí)測(cè)曲線與Simulink模塊中速度曲線變化趨勢(shì)基本一致，有著高度的擬合程度，進(jìn)一步驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。仿真和測(cè)試的結(jié)果表明控制系統(tǒng)可有效控制提升機(jī)的變頻調(diào)速過程，系統(tǒng)能產(chǎn)生正確的驅(qū)動(dòng)波形并且驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)正常工作；隨著電源頻率的升高，電動(dòng)機(jī)三相電壓有效值相應(yīng)的增加，電流有效值基本保持不變，輸出電流、電壓波形曲線比較光滑平穩(wěn)，有效驗(yàn)證了系統(tǒng)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的變頻控制；電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速曲線與理論設(shè)計(jì)的Simulink模塊中速度曲線基本一致，證明了控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的調(diào)速性能。

5 結(jié)語

面對(duì)復(fù)雜惡劣的開采工作環(huán)境，提升機(jī)在變頻調(diào)速控制方面缺少有力的調(diào)控手段，無法有效地對(duì)工況信息進(jìn)行分析、決策、反饋。為了實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的變頻調(diào)速功能，快速響應(yīng)外界環(huán)境變化，采用ARM的數(shù)字化平臺(tái)設(shè)計(jì)出提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件和軟件組成，通過PID算法對(duì)調(diào)速實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，減小了干擾信號(hào)的影響，尤其在提升機(jī)的變頻啟停方面有了更強(qiáng)的控制力。通過MATLAB軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果顯示變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了變頻控制，具有精準(zhǔn)的調(diào)速性能，為提升機(jī)智能化電氣系統(tǒng)開發(fā)提供了依據(jù)。