礦用帶式輸送機驅動控制系統(tǒng)的應用研究

張 萍

(陜西郵電職業(yè)技術學院，陜西 咸陽 712000)

很長一段時間以來，煤炭資源在我國整個能源結構體系中占據(jù)著非常重要的地位，隨著我國工業(yè)的不斷的發(fā)展與進步，對煤炭資源的需求量越來越多[1]。帶式輸送機以其顯著的優(yōu)勢，比如結構簡單、可以實現(xiàn)長距離輸送等，在煤礦領域應用非常廣泛[2]。然而傳統(tǒng)的帶式輸送機都是基于工頻拖動，液力耦合器進行傳動，這種驅動模式在工程實踐中逐漸暴露出了一些問題，其中最顯著的問題是功率不平衡、效率低、啟動時產生明顯的電流沖擊等[3]。不僅會增加煤礦企業(yè)的帶式輸送機維護和保養(yǎng)成本，還會導致煤礦生產過程不連續(xù)，影響煤礦開采效率的提升[4]。基于此，在工程實踐中，人們逐漸使用外轉子永磁同步電機對帶式輸送機進行驅動，這種驅動模式有效規(guī)避了傳統(tǒng)驅動模式在實踐中存在的缺陷問題[5]。本文主要對礦用帶式輸送機外轉子永磁同步電機直接驅動模式進行研究，設計了驅動控制系統(tǒng)，將其運用到工程實踐中，取得了很好的效果。

1 驅動滾筒結構

外轉子永磁同步電機驅動滾筒結構如圖1所示。由圖1可知，電機和滾筒結構混為一體，實現(xiàn)了機電一體化。結構上主要由軸座、鍵、筒體、永磁同步電機、螺栓、彈墊和平墊等部分構成，永磁同步電機直接安裝在滾筒內部。電機定子與軸連接一起并且固定不動，電機轉子與滾筒筒殼固定一起，工作時作同步旋轉。這種電機的結構與傳統(tǒng)電機結構正好相反，其轉子在外側而定子在內側。

圖1 外轉子永磁同步電機驅動滾筒結構Fig.1 Structure diagram of external rotor permanent magnet synchronous motor drive roller

圖1中的永磁同步電機結構與常規(guī)永磁同步電機雖然存在明顯的差異，但是基本原理完全相同，因此在性能上也與常規(guī)電機基本相同，主要特點為[6]。

(1)功率因數(shù)高、節(jié)能性能好。永磁同步電機不存在勵磁功率，其功率因素幾乎為1，正常工作時的效率超過95%。

(2)具有平直的效率曲線。即便負載保持在額定功率的25%左右時，永磁同步電機的效率仍然可以超過92%，有效保障了效率曲線的平直性。

(3)結構簡單、維護便捷。從圖1中可以看出，這種結構電機不存在滑環(huán)和電刷，結構比較簡單且不存在易損件，維護很方便。

(4)調速精度高、范圍廣。電機輸出轉速與輸入電源頻率保持正比例關系，不會受到負載大小的干擾，具有很高的調速精度。

2 驅動控制系統(tǒng)整體方案設計

由于煤礦中使用的帶式輸送機，其輸送的煤礦物料質量比較大，所以不管是在啟動、制動，還是正常運行階段都存在很大的轉動慣量，這對設備的驅動控制系統(tǒng)提出了很高的要求?？紤]到煤礦帶式輸送機的功率因素相對較大，同時為了提升設備運行過程的平穩(wěn)性，采用雙脈寬調制控制技術(PWM)結構對帶式輸送機進行驅動控制[7]。基于雙脈寬調制控制技術結構的驅動控制系統(tǒng)整體方案原理如圖2所示。

所謂雙PWM結構電路指的是逆變電路和整流電路的構成完全一樣，上述的2種電路都是基于PWM控制的間接交流變流電路。利用PWM技術對整流電路進行控制以后，可以確保輸入的電源屬于正弦波，并且和電源電壓具有完全相同的相位，這樣可以確保輸入功率因素是1，有效避免了功率損耗問題，提升了電能的利用效率。另外，該方案還可以根據(jù)實際需要對中間直流電路電壓進行調整，所以整體的調頻效果比較理想。本驅動控制系統(tǒng)中使用的控制器為TMS320F2812型DSP控制器，具有很好的控制效率。

3 主要硬件部分的設計

由驅動控制系統(tǒng)整體方案可知，整個控制系統(tǒng)主要包括控制、驅動、檢測電路，還包括外圍電路等。以下主要對電路結構進行詳細介紹。

3.1 控制電路的設計

控制電路的結構與功能整體上可以劃分成為3部分，分別為控制芯片、數(shù)字信號接口、模擬量信號接口。在上位機上即可對控制芯片進行開發(fā)與調試，使開發(fā)調試時間大大縮短。數(shù)字接口的作用是對PWM信號以及速度信號等進行輸出與顯示。模擬接口的作用是對帶式輸送機的運行速度及電機的電流、電壓等信號進行檢測，在此基礎上實現(xiàn)驅動控制系統(tǒng)的過壓、欠壓等保護。系統(tǒng)使用的是DSP控制器，該型號控制器為32位，具有良好的性能，運算精度和速度都很高[8〗。DSP最小控制系統(tǒng)的電路如圖3所示。

DSP控制器基于RS232串口模式實現(xiàn)與工業(yè)計算機之間的數(shù)據(jù)通信。串行通信模塊由MAX232雙路驅動和接收器共同構成，對應的電路能夠將3.3 V的電源轉換成為滿足標準且符合實際需要的電壓等級。驅動器和接收器可以實現(xiàn)TTL/CMOS電平與EIA/TIA-232-E電平之間的互相轉換。

3.2 驅動電路的設計

對于驅動控制系統(tǒng)而言，驅動電路是非常重要的構成部分，其作用是實現(xiàn)控制電路與主電路之間的連接。利用驅動電路可以將控制器下達的各種指令轉換成為硬件設施能夠識別的信號，驅動電路優(yōu)良的重要標志是開關的損耗較小、開關時間較短，基于HCLP-316J系列驅動器設計的驅動電路原理如圖4所示。

圖2 控制方案框圖Fig.2 Control scheme block diagram

圖3 DSP最小控制系統(tǒng)電路Fig.3 DSP minimum control system circuit diagram

從圖3中可以看出，處于左邊的端口全部屬于低電平有效，可以與DSP控制器直接進行連接。電路中包含有大量的電阻和電容，作用是防止電路中的電壓過高，對驅動器硬件設置造成不可挽回的損傷。但是這些電阻和電容的存在會導致整個電路出現(xiàn)1 μs左右的延時，從而對系統(tǒng)性能造成一定程度的影響，如果開關頻率大于100 kHz時，上述系統(tǒng)不再適用。R4和C13能夠對各種故障信號進行濾波并且將信號放大，更加有助于DSP控制器規(guī)避外部干擾信號。

圖4 驅動電路結構Fig.4 Structure diagram of the drive circuit

C12的作用是實現(xiàn)充電延時，該參數(shù)是驅動控制系統(tǒng)中比較重要的性能指標，數(shù)值大小直接反映了驅動控制系統(tǒng)對外界變化的響應速度。如果C12數(shù)值過大，雖然能在一定程度上提升系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，但是會使系統(tǒng)的反應速度減慢，嚴重時會導致晶體管燒壞。電路中如果不設置C12電容，那么整個電路的集電極端電壓將會超過7 V，過大的電壓使得系統(tǒng)無法正常啟動。即便集電極端的電壓升高后降低，DSP控制器正常啟動后，由于缺乏C12系統(tǒng)仍然無法正常工作。

3.3 保護電路的設計

煤礦帶式輸送機驅動控制系統(tǒng)在運行過程中不可避免地會出現(xiàn)各種故障問題。其中，常見的異常信號主要包括過電流、過電壓、欠電壓、閘間隙過大等。保護電路可以將上述的各種異常信號進行相與，然后把相與后的故障信號傳輸?shù)紻SP控制器故障斷口，控制器收到故障信號后下達中斷指令，對系統(tǒng)進行保護。驅動控制系統(tǒng)保護功能原理如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)保護功能原理Fig.5 Principle of system protection function

常見的保護電路主要有過電壓欠電壓保護電路和過流保護電路，以下主要以前者為例進行分析。驅動控制系統(tǒng)的過電壓和欠電壓保護電路如圖6所示。濾波電容兩側的電壓能夠很好地反映直流側的電壓值。因此，對濾波電容兩側電壓進行測量即可獲得電壓大小。直流側的電壓首先經(jīng)過R18和R19兩個電阻進行分壓，這樣可以將較大的電壓轉換成為較小的等比例電壓，該電壓值再通過TLP559光耦合器實施線性隔離。該電壓值最終輸入到DSP控制器中，利用專用的比較模塊將其與系統(tǒng)設定的正常范圍進行比較，如果實際電壓值超過或者低于正常范圍，那么控制器就會下達對應的故障指令，系統(tǒng)停止工作。驅動控制系統(tǒng)在實踐過程中可以對RP2和RP3兩個可調電阻的阻值進行調整，從而調節(jié)電壓的正常范圍。

圖6 過電壓和欠電壓保護電路Fig.6 Overvoltage and undervoltage protection circuit diagram

3.4 檢測電路的設計

驅動控制系統(tǒng)中涉及很多檢測電路，包括電流檢測、電壓檢測、信號檢測等，以下主要以電流檢測電路為例進行分析。對于電流檢測電路，必須具備有較高的檢測精度和檢測速度。結合實際情況選用的是LTS25-MP型霍爾傳感器對電流進行檢測，該設備能夠檢測的電流范圍在0～80 A，正常工作時的電壓為+5 V，輸出的是模擬量信號，電壓大小為0～4.5 V，在普通電流傳感器的基礎上使用了閉環(huán)磁補償技術，使檢測精度更高?；魻杺鞲衅鞯碾娐吩砣鐖D7所示。

圖7 霍爾傳感器的電路原理Fig.7 Schematic diagram of circuit of Hall sensor

LTS25-MP型霍爾傳感器內部設計了光耦隔離電路，能避免過電壓現(xiàn)象對整個線路造成損傷，通過IN1和IN2兩個引腳將霍爾傳感器與主電路進行連接。利用傳感器測量得到的是電壓范圍在0～4.5 V的模擬量信號，基于系統(tǒng)內置的程序進行處理后，可以獲得對應的電流大小，信號電壓與實際電流之間存在線性比例關系。在具體測量中，首先利用兩個傳感器分別對A相和B相的電流進行測量，然后根據(jù)理論公式計算得到C相的電流大小。

4 系統(tǒng)的模擬仿真分析

利用MATLAB軟件對本文建立的帶式輸送機驅動控制系統(tǒng)進行模擬仿真分析研究，主要對設備的啟動階段以及正常運行時受擾動工況下的運行情況進行模擬分析。

4.1 啟動階段模擬仿真分析

傳統(tǒng)的帶式輸送機在啟動時屬于硬啟動方式，膠帶速度在短時間內會快速增加到設定值，該過程會對設備造成明顯沖擊[9]。而本控制系統(tǒng)中，設備啟動階段按照“S形”曲線方式進行啟動，屬于“軟啟動”。模擬仿真時，在模型中將驅動電機的輸出轉速設置為120 rad/s，采樣頻率設置為400 Hz，同時伴隨有一定的隨機噪聲。帶式輸送機啟動階段速度變化曲線及誤差情況模擬結果如圖8所示。

圖8 帶式輸送機啟動階段速度變化曲線及誤差分析Fig.8 Speed change curve and error analysis of belt conveyor during start up stage

從圖8中可以看出，帶式輸送機在啟動階段嚴格按照系統(tǒng)設定的“S形”曲線軟啟動模式進行啟動，并且膠帶的實際運行速度與設定的運行速度之間具有非常好的吻合度，兩者之間雖然有一定的誤差，但誤差完全在可以接受的范圍以內，兩者之間出現(xiàn)誤差的主要原因在于系統(tǒng)運行時存在噪聲干擾。由圖8(a)可知，電機的輸出轉速由0按照“S形”曲線方式逐漸增大到120 rad/s，最后保持穩(wěn)定運行。由圖8(b)可知，帶式輸送機在整個啟動過程中，實際速度與設定速度相差不大，只有在“S形”曲線的加速階段，兩者之間的誤差相對較大，但是最大誤差值控制在了±2.6 rad/s左右。出現(xiàn)誤差以后，系統(tǒng)可以及時對電機輸出轉速進行調整，在短時間內確保了速度運行的穩(wěn)定。

4.2 平穩(wěn)運行階段模擬仿真分析

由于煤礦開采是一個動態(tài)過程，所以在整個開采過程中帶式輸送機實際輸送的煤礦物料質量會不斷地發(fā)生改變[10]。驅動控制系統(tǒng)應該能夠根據(jù)實際輸送的煤礦物料質量對電機的輸出轉速進行調整，保證設備滿足實際運輸基本需求的基礎上，降低能源消耗。帶式輸送機運行時會受到外部因素干擾，需要不斷對速度進行調整。研究模擬分析了帶式輸送機平穩(wěn)運行過程中，電機輸出轉速由120 rad/s降低到90 rad/s，然后從90 rad/s增加到120 rad/s過程中電機實際輸出轉速的變化情況。帶式輸送機平穩(wěn)運行階段速度變化曲線及誤差情況模擬結果如圖9所示。

圖9 平穩(wěn)運行階段速度變化曲線及誤差分析Fig.9 Speed change curve and error analysis in smooth operation stage

從圖9中可以看出，當系統(tǒng)設定的帶式輸送機速度保持平穩(wěn)時，電機實際輸出的轉速基本與系統(tǒng)設定轉速保持相同，誤差非常小，幾乎可以忽略不計。但是在時間為600 s時，系統(tǒng)設定的輸出轉速出現(xiàn)突變，由120 rad/s降低到了90 rad/s，電機實際轉速隨之進行調整，且不存在超調現(xiàn)象，但存在一定的滯后性。當系統(tǒng)設定的輸出轉速在1 200 s時刻由90 rad/s增加到120 rad/s時，電機實際輸出轉速具有類似的變化規(guī)律。由圖9(b)所示的轉速誤差變化曲線可知，當系統(tǒng)設定的電機轉速出現(xiàn)突變時，電機實際轉速與設定轉速之間出現(xiàn)了一定的誤差，速度存在一定的擾動。但是控制系統(tǒng)可以快速響應，在短時間內將轉速誤差控制為零。以上結果說明驅動控制系統(tǒng)具有很好的速度跟蹤能力，能夠對設備的運行速度進行快速穩(wěn)定控制，控制精度較高。

5 應用效果評價

將以上設計的驅動控制系統(tǒng)應用到煤礦帶式輸送機工程實踐中，對其實踐運行過程的穩(wěn)定性和可靠性進行分析，以驗證該方案的可行性。完成驅動控制系統(tǒng)的部署工作后，對其進行了連續(xù)6個月時間的現(xiàn)場測驗。結果發(fā)現(xiàn)，不管是在啟動階段、制動階段，還是平穩(wěn)運行階段，該驅動控制系統(tǒng)都具有很好的控制效果，特別是在啟動和制動階段，可以實現(xiàn)設備的“軟啟動”和“軟制動”，有效規(guī)避了啟動和制動時對零部件造成的沖擊和損傷，啟動時的電流也得到了很好的控制。

由于使用了本文設計的驅動控制系統(tǒng)，帶式輸送機的運行過程變得更加平穩(wěn)，因此設備的故障率與之前相比有了明顯的降低，不僅降低了維護保養(yǎng)人員的勞動強度，還為煤礦企業(yè)節(jié)省了大量的維護保養(yǎng)成本。另一方面，使用永磁同步電機后，電能利用效率得到了顯著提升，每部電機的電能消耗與之前相比降低了30%左右，具有非常明顯的節(jié)能效果。初步估計，每臺電機每年可以節(jié)省電費1.7萬元左右。

6 結論

本文以煤礦中使用的帶式輸送機為研究對象，主要分析了設備的驅動控制系統(tǒng)。

(1)設計的方案中利用外轉子永磁同步電機對滾筒進行驅動，與傳統(tǒng)的驅動裝置相比較結構更加簡單。采用雙脈寬調制控制技術(PWM)結構對帶式輸送機進行驅動控制，可顯著提升電機工作時的能源利用效率。

(2)對控制系統(tǒng)涉及到的硬件部分電路(包括控制電路、驅動電路、檢測電路、保護電路等)進行了詳細介紹，分析了不同硬件電路的工作原理。

(3)利用MATLAB軟件對驅動控制系統(tǒng)的啟動階段和穩(wěn)定運行階段工作情況進行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)啟動過程能夠實現(xiàn)“軟啟動”，穩(wěn)定運行階段可以快速應對速度的調整變化，電機的運行速度穩(wěn)定性較好。

(4)將驅動控制系統(tǒng)應用到礦用帶式輸送機工程實踐中，對其進行連續(xù)6個月的現(xiàn)場測驗，發(fā)現(xiàn)整體運行良好，沒有出現(xiàn)明顯的故障問題，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的安全效益和經(jīng)濟效益。