立井提升機(jī)液壓制動系統(tǒng)及其控制器研究

左大偉

(西山煤電建筑工程集團(tuán)有限公司 礦建第一分公司 ，山西 太原 030052)

0 引言

煤炭是重要的能源之一，我國的煤炭消費在一次能源中占比超過60%。立井提升機(jī)是連接煤礦井上井下的橋梁，不僅關(guān)系到煤炭和物料運輸通道的暢通，更關(guān)系到人員上、下井的安全。調(diào)查表明：在立井提升機(jī)故障中，由制動系統(tǒng)產(chǎn)生的故障占大部分，因此制動系統(tǒng)控制技術(shù)是保障立井提升機(jī)安全運行的重要技術(shù)。為此，本文對立井提升機(jī)液壓制動系統(tǒng)和控制器進(jìn)行研究。

1 液壓制動系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)

液壓制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，具體分為狀態(tài)監(jiān)測模塊、主控制器、制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器部分。在對盤式制動閥常見故障進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)出立井提升機(jī)制動系統(tǒng)各關(guān)鍵參數(shù)，然后開發(fā)出一種狀態(tài)監(jiān)測裝置，監(jiān)測對象包括油溫、油壓、電機(jī)電流、制動盤偏擺量、空動時間和閘瓦間隙等。狀態(tài)監(jiān)測裝置將上述狀態(tài)量傳送給主控單片機(jī)，主控單片機(jī)一方面控制電液比例溢流閥和電磁換向閥，通過相關(guān)傳感器返回實際參數(shù)，實現(xiàn)閉環(huán)控制，另一方面通過RS485通信將狀態(tài)信息和控制信息發(fā)送給監(jiān)控計算機(jī)，監(jiān)控計算機(jī)再進(jìn)行進(jìn)一步處理與存儲，方便主控人員調(diào)取查看。電液比例溢流閥和電磁換向閥是立井提升機(jī)制動系統(tǒng)的被控對象。

圖1 液壓制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 電液比例溢流閥

通過連續(xù)調(diào)節(jié)電液比例溢流閥的閥口開度，可以得到連續(xù)變化的液壓站出油壓力。為了能夠達(dá)到連續(xù)調(diào)節(jié)的目的，主控單片機(jī)發(fā)出的控制信號為PWM波，經(jīng)過功率放大和MOSFET反接卸荷電路，驅(qū)動電液比例溢流閥動作。為了實現(xiàn)閉環(huán)控制和過流保護(hù)功能，通過電液比例溢流閥負(fù)載回路中串接的采樣電阻對電液比例閥的電流進(jìn)行采樣。圖2 為電液比例溢流閥控制結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 電液比例溢流閥控制結(jié)構(gòu)框圖

1.2 電磁換向閥

立井提升機(jī)液壓站的油路通常通過電磁換向閥進(jìn)行開合控制，因此電磁換向閥的驅(qū)動與保護(hù)非常重要。電磁換向閥的工作原理是利用了電磁鐵，頻繁動作的電磁鐵耗能較多，因此設(shè)計中采用延時PWM波占空比的方式，降低電磁換向閥線圈保持電流，在保證可靠開啟和關(guān)閉的情況下達(dá)到了節(jié)約電能的目的。圖3為電磁換向閥控制結(jié)構(gòu)框圖，主控單片機(jī)通過信號給定電路向PWM驅(qū)動芯片發(fā)送控制信號，PWM驅(qū)動芯片通過驅(qū)動主電路控制電磁換向閥的開度，狀態(tài)反饋電路檢測電磁換向閥的開度，返回給主控單片機(jī)，實現(xiàn)閉環(huán)控制。PWM驅(qū)動芯片的外圍電路有3組：振蕩頻率設(shè)置電路實現(xiàn)PWM載波頻率的調(diào)節(jié)，頻率越高，則控制平滑度越好，但是頻率過高會使得MOSFET開關(guān)損耗過大，因此需設(shè)置合適的載波頻率；延時電路能夠調(diào)節(jié)PWM波的時間，達(dá)到降低電磁換向閥線圈電流的作用；保護(hù)電路是保護(hù)MOSFET不在干擾信號的作用下意外導(dǎo)通。此外，電磁換向閥和PWM驅(qū)動芯片需要外部電源對其供電。

2 控制器結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計

立井提升機(jī)液壓制動系統(tǒng)的主控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，通過狀態(tài)監(jiān)測裝置發(fā)送的相關(guān)參數(shù)，經(jīng)控制器程序處理后，完成對比例溢流閥和電磁換向閥的控制。圖4為控制器結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 電磁換向閥控制結(jié)構(gòu)框圖

圖4 控制器結(jié)構(gòu)框圖

如圖4所示，控制器的硬件包括主控單片機(jī)、電流采樣與過流保護(hù)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路、485通信電路和電源電路等。

2.1 主控單片機(jī)

AT89S8253是Atmel公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能8位單片機(jī)處理器，具有12 kB Flash程序存儲器和2 kB數(shù)據(jù)存儲器。AT89S8253采用高密度且非易失性存儲器制造，與常用80C51系列單片機(jī)產(chǎn)品完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適用于常規(guī)編程器。在嵌入式應(yīng)用控制系統(tǒng)中，AT89S8253是一種高靈活、高效率的微處理器。

2.2 電流采樣與過流保護(hù)電路

在比例溢流閥線圈回路串聯(lián)一個采樣電阻，其阻值盡量小以降低其對線圈阻抗的影響。取采樣電阻的電壓經(jīng)光耦隔離和信號調(diào)理電路對其進(jìn)行功率放大與濾波后，輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為單片機(jī)能夠接收的數(shù)字信號。圖5是過流保護(hù)電路原理圖，電液比例溢流閥線圈過流保護(hù)電路實際是一個電壓比較電路，電流采樣電路轉(zhuǎn)換后的電壓信號經(jīng)過一個電壓比較電路，與預(yù)設(shè)電壓進(jìn)行比較，若出現(xiàn)過流信號，則過流保護(hù)輸出信號EC變大，EC經(jīng)光耦和功率放大后可控制MOSFET關(guān)斷，保護(hù)電路。

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

狀態(tài)監(jiān)測裝置中的電壓傳感器、電流傳感器以及電液比例閥控制裝置中的角加速度傳感器信號，經(jīng)信號調(diào)理電路處理后，轉(zhuǎn)化為合適大小的模擬信號，這些模擬信號不能直接被單片機(jī)接收，需經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠接收的數(shù)字信號。本系統(tǒng)采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為ADS7852Y，其具有8路信號輸入通道，其中1路～6路為狀態(tài)監(jiān)測裝置電壓電流通道，7路為滾筒角速度通道，8路為電液比例閥角加速度通道。ADS7852Y輸出精度可達(dá)12位，供電電源為5 V。

圖5 過流保護(hù)電路原理圖

2.4 功率放大電路

單片機(jī)發(fā)出的PWM控制信號需經(jīng)過功率放大電路驅(qū)動MOSFET，進(jìn)而通過比例閥感性負(fù)載控制電液比例溢流閥，功率放大電路電氣連接框圖如圖6所示。選用IR2100作為功率放大芯片，其高低電平輸入通道HIN、LIN各自獨立，且邏輯電平為5 V～15 V，無需單獨配置電源?？刂菩盘朠WM_H、PWM_L經(jīng)光耦芯片HCPL-817-30LE隔離輸入到功率放大芯片IR2100，控制MOSFET反接卸荷式電路，MOSFET開通時系統(tǒng)運行；MOSFET關(guān)閉時,比例閥感性負(fù)載承受反壓電流下降。

圖6 功率放大電路電氣連接框圖

2.5 485通信電路

485通信電路采用RSM485CT芯片，其內(nèi)部電源相互隔離，具有接口與總線保護(hù)功能，供電電源為5 V，傳輸波特率為9 600 b/s。

2.6 電源電路模塊

根據(jù)各電路供電需求，控制器的電源為直流+5 V、+7.5 V和+24 V三種，各類型用電負(fù)載見表1。

表1 控制器各類型負(fù)載

3 控制器軟件設(shè)計

控制器的軟件包括控制器主程序、信號采樣子程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、外部ROM存儲子程序、模糊控制子程序、PWM波占空比子程序和RS485通信子程序等。本文僅對控制器主程序和PWM波占空比調(diào)節(jié)子程序進(jìn)行說明。

3.1 控制器主程序

控制器的主程序流程如圖7所示，程序開始，系統(tǒng)首先完成初始化與自檢，然后通過電壓傳感器、電流傳感器和角加速度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(設(shè)定采集數(shù)據(jù)為5次，以保證數(shù)據(jù)的有效性)，當(dāng)獲取5次采集數(shù)據(jù)之后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并在ROM中存檔，然后進(jìn)行制動信號判斷，若制動信號為“是”則進(jìn)入模糊控制子程序，然后通過調(diào)節(jié)占空比改變比例溢流閥的開度，若制動信號為“否“則不動作。所有的動作信號通過485通信子程序向上位機(jī)傳達(dá)。

圖7 控制器主程序流程

3.2 PWM波占空比調(diào)節(jié)子程序

圖8為PWM波占空比調(diào)節(jié)子程序流程，將主控芯片單片機(jī)內(nèi)部定時器1(T0)設(shè)置為T2模式，即自動重裝模式。n為計數(shù)器計數(shù)值，N為占空比計數(shù)值，T為周期計數(shù)值。當(dāng)?shù)竭_(dá)給定計時時間后，計數(shù)器計數(shù)值n加1，并將其與給定占空比計數(shù)值比較，若小于則輸出高電平，否則輸出低電平。一個周期結(jié)束后重置計數(shù)器計數(shù)值為1，最后判斷標(biāo)志位結(jié)束子程序。

4 結(jié)論

立井提升機(jī)是井上井下運輸通道的關(guān)鍵設(shè)備，其安全可靠運行不僅關(guān)系到煤炭和物料運輸?shù)臅惩ǎ€關(guān)系到井下工作人員的生命安全。本文對礦用立井提升機(jī)液壓制動系統(tǒng)控制技術(shù)進(jìn)行了研究，以提高設(shè)備維護(hù)人員對其工作原理的認(rèn)知，對煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

圖8 PWM波占空比調(diào)節(jié)子程序流程