采煤機(jī)自動化電磁調(diào)速控制系統(tǒng)的研究

宋宇奇

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦， 山西 大同 037000）

引言

采煤機(jī)為煤炭自動化開采的關(guān)鍵設(shè)備，在開采過程中，由于煤層工作面地質(zhì)條件的復(fù)雜性，對采煤機(jī)的牽引系統(tǒng)要求操作簡便、具備較大的截割功率及較小的體積。開采過程中煤層的條件變化多樣，電牽引采煤機(jī)廣泛使用，對采煤機(jī)的截割系統(tǒng)要進(jìn)行實時的調(diào)速[1]，以滿足不同的功率需求。針對截割系統(tǒng)的調(diào)速控制，對電磁調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究，采用集成度較高的一體電機(jī)，減少占用的空間，保證采煤機(jī)較大的牽引力，較好的可控性能，提高采煤機(jī)的適應(yīng)能力及使用范圍[2]，提高采煤作業(yè)的自動化水平。

1 采煤機(jī)電磁調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

采煤機(jī)工作過程中，通過調(diào)整截割部滾筒的上下位置進(jìn)行煤層的截割，當(dāng)煤層條件發(fā)生變化時，采煤機(jī)受到的截割阻力隨之變化，這時通過調(diào)節(jié)牽引速度來保持采煤機(jī)的恒功率運(yùn)行。電磁調(diào)速系統(tǒng)作為控制部，對截割機(jī)構(gòu)及牽引機(jī)構(gòu)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制[3]，同時對兩部分進(jìn)行電流保護(hù)。電磁調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由主控制器、操作站、信號監(jiān)測站及遙控器共同組成，系統(tǒng)采用CAN 通信的方式進(jìn)行通訊。主控制器接收來自監(jiān)測站及操作站的信息，并進(jìn)行處理，發(fā)出控制指令，操作站獲取主控制器的命令發(fā)出操作指令，通過LCD 設(shè)備顯示系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)采用CAN 總線的形式進(jìn)行通信，這是煤礦控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢。CAN 總線作為高可靠性的總線控制方式，可以方便地將分布在不同位置的功能模塊進(jìn)行連接。CAN 總線可以根據(jù)各功能模塊的優(yōu)先級對總線進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問，支持遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)請求，并可以對全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行兼容，具有較大的靈活性。

電磁調(diào)速系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)實現(xiàn)，以STM32為微控制器，其原理如圖2 所示。STM32 微控制器作為電磁調(diào)速系統(tǒng)的CPU，通過軸角編碼器獲得滑差離合器磁極的轉(zhuǎn)動速度，計算出響應(yīng)的偏差值，通過控制表的對比，將電流通過D/A 進(jìn)行輸出，從而通過驅(qū)動電路控制滑差離合器的電流，在負(fù)載一定的工況下，調(diào)節(jié)電流的大小即可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)采煤機(jī)截割轉(zhuǎn)速的目的。

圖2 電磁調(diào)速系統(tǒng)原理圖

采煤機(jī)電磁調(diào)速系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)電磁滑差離合器的電流實現(xiàn)對電機(jī)速度的調(diào)節(jié)，所采用的電機(jī)為鼠籠式異步電動機(jī)，電磁滑差離合器的電樞部分與電動機(jī)的轉(zhuǎn)動軸相連，磁極部分連接在負(fù)載軸上，相互之間沒有機(jī)械連接，從而通過電流值調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的大小。

依據(jù)采集到的滑差離合器的速度調(diào)節(jié)電機(jī)速度，速度采集的準(zhǔn)確性對系統(tǒng)的控制性能具有重要的影響。采用數(shù)字測量的方式對速度值進(jìn)行測量，保證測量的準(zhǔn)確性。在離合器的輸出軸上安裝軸編碼器，在工作過程中，輸出軸每轉(zhuǎn)動一圈，則輸出512個脈沖型號，采煤機(jī)電磁調(diào)速電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為1 320 r/min，可以快速地將電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行采集反饋，電磁調(diào)速系統(tǒng)的控制不需要快速調(diào)整。采用M 法進(jìn)行測速，通過一定時間內(nèi)測量的編碼器的輸出脈沖數(shù)進(jìn)行計算響應(yīng)時間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，作為對系統(tǒng)速度的反饋值，從而保證速度測量的準(zhǔn)確性，并且可以減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧考邦l率，提高系統(tǒng)的可靠性。

2 采煤機(jī)電磁調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究

煤層開采過程復(fù)雜多變，對于控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度及準(zhǔn)確性具有較高的要求，對所建立的電磁調(diào)速系統(tǒng)的控制性能進(jìn)行仿真研究。依據(jù)電磁調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理建立電磁調(diào)速系統(tǒng)的Simulink 仿真模型如圖3 所示，給定控制值為150 r/s，通過偏差示波器查看控制系統(tǒng)的偏差曲線，對系統(tǒng)的階躍響應(yīng)變化進(jìn)行仿真分析，得到如圖4 所示的階躍響應(yīng)曲線。

圖3 電磁調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

從圖4 中可以看出，采用電磁調(diào)速控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，在系統(tǒng)的啟動過程中啟動平穩(wěn)，能夠有效抑制系統(tǒng)的超調(diào)量，從而提高了截割系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，提高了系統(tǒng)響應(yīng)的魯棒性。電磁調(diào)速系統(tǒng)的控制范圍寬，響應(yīng)速度快，保證了采煤機(jī)牽引行走的穩(wěn)定，增加了采煤機(jī)的爬坡能力，可以提高采煤機(jī)在傾斜煤層中開采作業(yè)的能力，提高了電機(jī)的安全可靠性，延長了電機(jī)的使用壽命，對采煤機(jī)的可靠運(yùn)行提供了有效的保證。

圖4 電磁調(diào)速控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)

3 結(jié)語

采煤機(jī)在進(jìn)行煤巖截割的過程中，由于煤巖的復(fù)雜性，對采煤機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)的控制性能具有較高的要求。采用STM32 微控制器，設(shè)計了電磁調(diào)速系統(tǒng)，通過M 法數(shù)字測量的方式對電磁滑差離合器的速度進(jìn)行采集，保證了速度測量的準(zhǔn)確性，依據(jù)模糊控制的決策對電磁滑差離合器的激勵電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過離合器與電動機(jī)之間的連接，實現(xiàn)了對截割電機(jī)速度的調(diào)節(jié)，使其適應(yīng)不同煤巖變化的截割。針對所建立的電磁調(diào)速系統(tǒng)，采用Simulink 建立仿真模型，對其控制性能進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，電磁調(diào)速系統(tǒng)的階躍響應(yīng)速度快，啟動過程平穩(wěn)，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能，可以增強(qiáng)采煤機(jī)的爬坡能力，保證牽引行走的穩(wěn)定性，提高了采煤機(jī)的適應(yīng)性及可靠性。通過電磁調(diào)速控制系統(tǒng)，可以提高采煤機(jī)的生產(chǎn)效率，為煤礦的自動化開采提供了基礎(chǔ)，具有廣泛的使用意義。