煤礦井下電動(dòng)車自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)控制器的電路設(shè)計(jì)

張 敏

（神木市煤礦信息統(tǒng)計(jì)服務(wù)中心，陜西 神木 719300）

煤礦井下電動(dòng)車是礦井作業(yè)的重要設(shè)備，為了滿足自動(dòng)化、高效率作業(yè)的要求，必須使用配套的驅(qū)動(dòng)控制器?；陂]環(huán)控制原理的自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)控制器利用各類傳感器采集電動(dòng)車運(yùn)行期間的各種工況，以采集數(shù)據(jù)為輸入量，輸入DSP芯片中進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析，對(duì)電動(dòng)車運(yùn)行工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，DSP芯片還能根據(jù)分析結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的控制指令，利用驅(qū)動(dòng)控制器使電動(dòng)車保持理想的運(yùn)行狀態(tài)，確保煤礦井下高效作業(yè)。

1 煤礦井下電動(dòng)車自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)控制器的整體架構(gòu)

該文設(shè)計(jì)的煤礦井下電動(dòng)車自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)控制器由主回路、控制回路、開(kāi)關(guān)電源和信號(hào)采集模塊組成。其中，信號(hào)采集模塊與前端多種類型的傳感器（如速度傳感器、溫度傳感器等）連接，可采集蓄電池電壓與電流信號(hào)、蓄電池溫度信號(hào)以及剩余電量信號(hào)等。將信號(hào)輸入控制回路中，依次完成降噪、光耦隔離等一系列處理后，通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)煤礦井下電動(dòng)車。驅(qū)動(dòng)控制器的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

2 驅(qū)動(dòng)控制器的電路設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)動(dòng)控制芯片

該文選用的運(yùn)動(dòng)控制芯片為TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812芯片，該芯片具備強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力，每秒可處理1億條指令，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度和實(shí)時(shí)控制水平。芯片CPU的主頻可達(dá)148MHz，具有高頻低耗的特點(diǎn)，工作電壓僅需3.3V。采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，集成化程度較高，抗干擾能力較強(qiáng)，可在煤礦井下復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定和精確地控制電動(dòng)車。內(nèi)置128kB的Flash，1kB的ROM和4kB的ROM，能滿足基本的存儲(chǔ)需求，包括48個(gè)可編程的通信串口，支持芯片與外部傳感器、電源等多種電氣設(shè)備間完成信息交換。

2.2 主回路

驅(qū)動(dòng)控制器的主回路由包括2個(gè)部分，其一是阻容吸收電路，其二是三相逆變電路，如圖2所示。主回路負(fù)責(zé)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制芯片發(fā)出的功率流動(dòng)變換指令，使電機(jī)的輸出電流完成從直流向交流的變化。

圖2 主回路電路圖

當(dāng)電路出現(xiàn)開(kāi)路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的瞬時(shí)感性負(fù)載，進(jìn)而在開(kāi)路區(qū)域形成自感電動(dòng)勢(shì)。如果不采取能量吸收措施，很有可能出現(xiàn)負(fù)載絕緣擊穿現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)控制器的硬件損壞[1]。因此，該文在設(shè)計(jì)系統(tǒng)主回路過(guò)程中增加了一個(gè)阻容吸收回路，可以吸收自感電動(dòng)勢(shì)，并抑制由過(guò)電壓產(chǎn)生的瞬間震蕩，削弱電路開(kāi)路對(duì)電氣設(shè)備和電子線路產(chǎn)生的影響。三相逆變電路的功能是防止主回路出現(xiàn)過(guò)壓、欠壓、過(guò)流和過(guò)熱等情況。

2.3 故障檢測(cè)電路

考慮煤礦井下作業(yè)環(huán)境較惡劣，驅(qū)動(dòng)控制器投入使用后，受環(huán)境影響可能會(huì)出現(xiàn)短路、斷路等故障。為了保護(hù)電路中的重要元件，該文設(shè)計(jì)了故障檢測(cè)電路。當(dāng)自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)控制器啟動(dòng)運(yùn)行后，故障檢測(cè)電路同步上電，實(shí)時(shí)采集驅(qū)動(dòng)控制器的運(yùn)行數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。如果檢測(cè)到異常數(shù)據(jù)，就會(huì)進(jìn)行故障報(bào)警，并基于數(shù)據(jù)分析結(jié)果采取故障隔離等措施，將故障造成的不良影響降至最低。該文設(shè)計(jì)的故障檢測(cè)電路如圖3所示。

圖3 故障檢測(cè)電路圖

將3種信號(hào)進(jìn)行“與（&）”運(yùn)算后，以運(yùn)算結(jié)果為輸入量，輸入DSP系統(tǒng)中。其中，IPM功率板上嵌入了光電隔離模塊，其功能是在驅(qū)動(dòng)單元發(fā)生電氣故障后立即斷開(kāi)驅(qū)動(dòng)單元和數(shù)字控制單元間的連接通道，控制電氣故障影響范圍。

2.4 緩沖吸收電路

智能功率模塊（IPM）由絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路共同構(gòu)成，具有開(kāi)關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)延時(shí)小等優(yōu)勢(shì)。但是當(dāng)功率器件關(guān)斷時(shí)，電路中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的浪涌電壓，造成IPM出現(xiàn)過(guò)電壓現(xiàn)象?？紤]浪涌電壓具有瞬時(shí)、高壓的特性，如果直接作用于功率器件，很有可能導(dǎo)致器件燒毀。因此該文在IGBT和驅(qū)動(dòng)電路間設(shè)計(jì)了一個(gè)緩沖吸收電路。關(guān)斷浪涌電壓和二極管恢復(fù)浪涌電壓均可以通過(guò)緩沖吸收電路進(jìn)行吸收，從而確保自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)控制器運(yùn)行安全。

根據(jù)緩沖吸收回路結(jié)構(gòu)的不同，通常有RC緩沖回路、充放電型RCD緩沖回路和放電阻止型緩沖回路3種類型。從實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，RC緩沖回路的電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但是需要使用大容量的IGBT，造價(jià)較高，增加了成本；充放電型RCD緩沖回路的吸收能力較強(qiáng)，但是緩沖電阻的損耗較大，在高頻開(kāi)關(guān)中很少使用；放電阻止型緩沖回路在抑制浪涌電壓方面有明顯優(yōu)勢(shì)，并且基本沒(méi)有損耗。因此該文設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)控制器時(shí)選擇放電阻止型緩沖回路[2]，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 IGBT關(guān)斷緩沖吸收回路

設(shè)計(jì)緩沖吸收回路時(shí)，吸收電容優(yōu)先考慮無(wú)感電容，其目的是在最大程度上降低吸收電容工作期間產(chǎn)生的寄生電感。同時(shí)，吸收電容的引線必須盡可能短，以保證IGBT的集電極電流較小，防止出現(xiàn)過(guò)高的感應(yīng)電壓。

2.5 檢測(cè)電路

為了掌握驅(qū)動(dòng)控制器的各項(xiàng)參數(shù)，該文設(shè)計(jì)了檢測(cè)電路，可以利用前端多種類型的傳感器實(shí)時(shí)采集并反饋各項(xiàng)參數(shù)，包括環(huán)境參數(shù)（如溫度、瓦斯?jié)舛鹊龋┖凸r參數(shù)（蓄電池剩余電量、電機(jī)輸出電壓與輸出電流等）。

2.5.1 電流檢測(cè)電路

電流檢測(cè)與控制是改變轉(zhuǎn)矩的必要前提，因此在驅(qū)動(dòng)控制器中，電流傳感器是不可或缺的重要零件。為了使驅(qū)動(dòng)控制器表現(xiàn)出良好的性能，所用的電流傳感器應(yīng)當(dāng)滿足精度高、速度快2個(gè)基本特性。理論上來(lái)說(shuō)，從采集電流信號(hào)到將該信號(hào)反饋給CPU，所用時(shí)間不超過(guò)10ms。常用的電流檢測(cè)方法有光耦檢測(cè)、互感器檢測(cè)和電阻檢測(cè)等，該文選擇抗干擾能力較強(qiáng)的電阻檢測(cè)[3]。另外，直接從驅(qū)動(dòng)控制器內(nèi)部電路中采集的電流信號(hào)會(huì)攜帶少量的高頻成分，可能會(huì)干擾檢測(cè)結(jié)果的精確性。因此，該文設(shè)計(jì)電流檢測(cè)電路時(shí)加入了一個(gè)單向的低通濾波器，可以保證輸入DSP芯片的電流信號(hào)具有較高的質(zhì)量。

2.5.2 剩余電量檢測(cè)電路

對(duì)自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)控制器來(lái)說(shuō)，保持蓄電池的電量健康是完成驅(qū)動(dòng)控制的必要條件。為了更直觀、準(zhǔn)確地檢測(cè)出蓄電池的剩余電量，該文選用SOC（荷電狀態(tài)）這一指標(biāo)來(lái)表示蓄電池當(dāng)時(shí)的工作狀態(tài)。SOC值越大，說(shuō)明蓄電池剩余電量越多。通過(guò)設(shè)定SOC的閾值，當(dāng)實(shí)際檢測(cè)到的SOC值低于設(shè)定閾值后，說(shuō)明驅(qū)動(dòng)控制器蓄電池的剩余電量不足，進(jìn)而發(fā)出警報(bào)，提醒工作人員及時(shí)充電[4]。該文在設(shè)計(jì)剩余電量檢測(cè)電路時(shí)，選用了TI公司研發(fā)的BQ2016芯片來(lái)處理檢測(cè)數(shù)據(jù)，并將處理結(jié)果以百分比的形式呈現(xiàn)，直觀地展示剩余電量。該芯片具有尺寸小、動(dòng)態(tài)電流范圍廣以及支持自動(dòng)補(bǔ)償測(cè)量等特點(diǎn)，可用于鎳鎘電池、鎳氫電池的電量測(cè)量。

2.5.3 溫度檢測(cè)電路

煤礦井下通風(fēng)散熱效果較差，再加上電動(dòng)車負(fù)載較大，運(yùn)行一段時(shí)間后電機(jī)與蓄電池的溫度會(huì)升高。當(dāng)溫度達(dá)到一定值后，電器元件會(huì)停止工作，甚至?xí)蚋邷囟l(fā)生電氣火災(zāi)，威脅煤礦井下工作人員的安全。因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)車的溫度參數(shù)是十分必要的。該文設(shè)計(jì)的溫度檢測(cè)電路選用TI公司研發(fā)的XTR500電流發(fā)送器作為核心元件，電阻變化量為0.4Ω/℃，具有便于安裝、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)。溫度檢測(cè)電路如圖5所示。

圖5 溫度檢測(cè)電路圖

如圖5所示，系統(tǒng)輸出的電壓信號(hào)先進(jìn)入一個(gè)濾波電路中，能夠有效減少直流電壓中的交流成分，使輸出電壓的波形更平滑，并削弱信號(hào)干擾[5]。經(jīng)濾波處理后的電壓信號(hào)再通過(guò)電平轉(zhuǎn)換后輸入DSP芯片中。

2.6 故障保護(hù)電路

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到故障即將發(fā)生或者正在發(fā)生后，除了發(fā)出警報(bào)提醒設(shè)備管理人員外，還要求立即隔離損壞器件，避免對(duì)正常器件造成聯(lián)鎖影響。為了達(dá)到這一目的，該文設(shè)計(jì)了故障保護(hù)電路，滿足自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)控制器可靠和安全運(yùn)行的需求。故障保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 故障保護(hù)電路圖

在驅(qū)動(dòng)控制器的主回路中，需要重點(diǎn)保護(hù)的元件是功率驅(qū)動(dòng)管。根據(jù)以往的設(shè)備維修經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致功率驅(qū)動(dòng)管故障的主要原因是過(guò)流和過(guò)壓。因此該文設(shè)計(jì)故障保護(hù)電路時(shí)，重點(diǎn)對(duì)預(yù)防過(guò)流和預(yù)防過(guò)壓2個(gè)方面采取了保護(hù)措施。IGBT驅(qū)動(dòng)板會(huì)對(duì)3路IGBT信號(hào)進(jìn)行電壓檢測(cè)，并將實(shí)際電壓值與保護(hù)閾值進(jìn)行比較。如果某一路的實(shí)際電壓值超過(guò)保護(hù)閾值，則自動(dòng)關(guān)斷該線路，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并點(diǎn)亮相應(yīng)的二極管，提醒設(shè)備管理人員故障所在位置，為下一步進(jìn)行故障維修提供依據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

煤礦井下作業(yè)設(shè)備的自動(dòng)化、智能化發(fā)展是一種必然趨勢(shì)，在減輕井下作業(yè)人員工作壓力的同時(shí)，還能起到保障作業(yè)安全、提高作業(yè)效率等作用。電動(dòng)車是煤礦井下作業(yè)的常用設(shè)備，該文結(jié)合電動(dòng)車的運(yùn)行需要，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)控制器，可根據(jù)遠(yuǎn)程指令或預(yù)設(shè)程序，自動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車完成作業(yè)任務(wù)。該文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)控制器支持溫度檢測(cè)、故障檢測(cè)和剩余電量檢測(cè)，前端傳感器檢測(cè)的信號(hào)輸入DSP芯片中，由芯片做出數(shù)據(jù)分析、處理，然后自動(dòng)生成指令并發(fā)送至前端執(zhí)行器，從而對(duì)驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，能夠適應(yīng)復(fù)雜的井下工況，具有廣泛的應(yīng)用前景。