陳 淼

（山西蘭花集團東峰煤礦有限公司，山西晉城 048000）

0 引言

帶式輸送機作為現(xiàn)代工業(yè)和物流行業(yè)運輸物料的重要輸送設備而被廣泛應用[1]，其大致上由傳動滾筒、驅(qū)動裝置、制動器、機架和膠帶等組成，這正因為這些組成部分結(jié)構(gòu)簡單，使得帶式輸送機具有運量大、范圍廣、效率高的優(yōu)點[2-3]。隨著電氣信息與機械工藝的發(fā)展完善，目前帶式輸送機發(fā)展已經(jīng)進入新的發(fā)展階段，而發(fā)展的核心技術(shù)向智能化可控系統(tǒng)、動態(tài)化分析技術(shù)、環(huán)保技術(shù)等方向進行[3-4]。

帶式輸送機電控系統(tǒng)的合理設計，對于提高整體系統(tǒng)設備效率、減少故障發(fā)生率有著積極推動作用[5-7]，與以往單純增加輸送機帶寬方式相比，增加帶速更能對經(jīng)濟效益提升帶來顯著影響[8]。本文設計的帶式輸送機電控系統(tǒng)，正是實現(xiàn)對帶式輸送機以變頻自動調(diào)速的方式進行啟動，使得整個啟動過程減小輸送機各部件的載荷而滿足實際運輸需求，這對煤礦生產(chǎn)降低使用成本和維護成本，提高生產(chǎn)效益具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 帶式輸送機啟動分析

1.1 電控系統(tǒng)技術(shù)指標

（1）井下輸送機等設備所有運行的程序編譯在DSP數(shù)字處理器中，根據(jù)實時反饋做出響應；

（2）當運行設備出現(xiàn)故障時，整個電控系統(tǒng)能及時做出響應識別故障點，并報警顯示具體故障位置；

（3）整個電控系統(tǒng)能實時顯示各項設備運行狀態(tài)，并對重要參數(shù)重點標識；

（4）軟件系統(tǒng)具有二次開發(fā)的功能，具有良好的人機交互界面；

（5）輸送機具有可控啟動、停車前后設備連鎖、自動運行、手動運行等功能模式；

（6）控制系統(tǒng)端預留足夠的輸入輸出端口，特別是控制器容量、電源容量等；

（7）具有無線、有線、遠程控制功能，輸送機電控系統(tǒng)設置有相關響應，能對運行狀態(tài)監(jiān)視并實時傳輸至中控計算機。

1.2 帶式輸送機動態(tài)特性分析

井下帶式輸送機大多采用的是高電壓、大功率電動機進行驅(qū)動，同時改變頻率的方式利用高壓變頻器對電動機進行調(diào)速，所以說對帶式輸送機電控系統(tǒng)的設計需要滿足適應該電動機軟啟動特性和多機分散設置驅(qū)動功率平衡的控制要求， 針對如圖1所示的帶式輸送機模型，對其動態(tài)特性分析如下。

圖1 帶式輸送機模型示意圖

對帶式輸送機模型化可知其動力學方程為：

式中：A為輸送機輸送帶的橫截面；qh為輸送帶每米等效質(zhì)量；ω(x ,t)為輸送帶單位長度所受的阻力。

對于帶式輸送機啟動初始，帶上每點都處于一種相對靜止狀態(tài)，故可得：

對于帶式輸送機已經(jīng)啟動后并在額定速度下運行，則有：

對于帶式輸送機輸送帶被拉緊時，則有：

綜上（1）、（2）、（3）式可得：

通過對帶式輸送機數(shù)學模型分析與計算并針對性對其進行動力學特性析可以得出以下結(jié)論：（1）當輸送機模型采用階躍激勵時引起的動態(tài)沖擊將會很大；（2）當輸送機模型采用斜坡激勵時引起的動態(tài)沖擊相對較?。唬?）當輸送機模型采用正弦激勵時，產(chǎn)生的張力效應相比于斜坡效應小些，動態(tài)沖擊也不大，所以可以延長帶式輸送機的使用壽命，降低使用成本，故推薦采用此方式激勵。

2 硬件電路設計

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設計

整個帶式輸送機電控系統(tǒng)以DSP系列STM32F103ZET6為核心組成全數(shù)字變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)，主要包括電源電路、上位機、檢測模塊、通信電路、模塊、輸入輸出模塊、變頻器等。其中主電路又包括整流、濾波、功率控制、逆變等電路，如圖2所示。

所設計的帶式輸送機電控系統(tǒng)的矢量控制由控制算法與接口電路兩部分組成。控制算法分電流環(huán)和速度環(huán)兩部分，以PID控制為基礎進行旋轉(zhuǎn)變化與反變換等相關控制，而利用DSP數(shù)字處理器完成系統(tǒng)算法的編譯。其中電流內(nèi)環(huán)以高于外環(huán)的轉(zhuǎn)速保證系統(tǒng)穩(wěn)定性；通過轉(zhuǎn)矩的變化完成系統(tǒng)加速響應過程，在系統(tǒng)穩(wěn)定的狀態(tài)下利用最小功率方式降低系統(tǒng)損耗，實現(xiàn)效率最優(yōu)化。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.2 主控處理器選型

本系統(tǒng)為適用礦井下復雜環(huán)境，以STM32F103ZET6為核心的嵌入式控制芯片，其性能相比于8bit單片機內(nèi)核更為強大，功耗更低，專門實用于工業(yè)控制和消費電子等領域但成本其成本僅略高于8bit單片機。STM32F103ZET6型號的控制處理器有如下特點：

（1）具有12位的數(shù)模轉(zhuǎn)化端口，每個ADC端口都有18個通道，這些通道中每個都可以單獨處于信號讀取工作模式，并將讀取結(jié)果存放在16位的寄存器中，方便對多種數(shù)據(jù)的采集與處理。

（2）擁有USART串口數(shù)為3個，通過此串口可以對指定的數(shù)據(jù)與外部連接設備進行通信連接。

（3）此芯片存儲器容量為521 kB，144個引腳，能同時輸出多路PWM控制信號。

2.3 電機轉(zhuǎn)速檢測設計

輸送機電機轉(zhuǎn)速的測量是整個電控系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，其轉(zhuǎn)速實時監(jiān)測結(jié)果直接影響整個電控變頻系統(tǒng)的控制精度。故本系統(tǒng)通過采用光電碼盤利用M法對電機進行測速，工作原理總結(jié)為：在選定的某一個周期內(nèi)對脈沖計算，通過如下公式確定其轉(zhuǎn)速：

式中：Tc為采樣時間；Pn為光電碼盤脈沖數(shù)；m為脈沖數(shù)。

將主控芯片STM32F103ZET6的QEP1和QEP2兩引腳分別與光電脈沖編碼器的A、B兩相連接，將芯片設置成正交編碼脈沖模式后，再設置定時器工作在QEP模式下，QEP電路便可以處理來自兩路相位相差90°的脈沖信號。同時為保證碼盤輸出信號頻率的要求，需設計高速光電隔離電路，其電路圖如圖3所示。

圖3 高速光電耦合電路

2.4 通信電路設計

為解決控制系統(tǒng)與PC上位機通信的問題，故通過RS-485收發(fā)器進行串口通信。RS485總線因具有使用簡便、容易操作控制、靈敏度高以及成本低的優(yōu)勢被廣泛使用。通過DSP芯片中的SCI接口可以與RS485進行平衡發(fā)送數(shù)據(jù)與差分接收數(shù)據(jù)的功能，設計通信電路如圖4所示。

圖4 DSP與SP3485接口電路圖

2.5 電流檢測電路設計

對于礦井下使用的三相電電流檢測時，需要將其轉(zhuǎn)化為DSP處理器可以識別的二進制信號，根據(jù)三相電平衡公式，可知只需檢測其中兩相電流即可。為保證整個矢量系統(tǒng)控制精度，采用LEM霍爾電流傳感器。該傳感器工作電壓為±15 V，額定輸入電流為±10 A，工作頻率為0～25 kHz。在實際應用中常出現(xiàn)交流信號有正有負的不相符的問題，所以電流檢測時采用LF353型號的運行放大電路對電流信號進行處理，設計的電流檢測電路如圖5所示。

圖5 電流檢測電路

3 軟件系統(tǒng)設計

隨著電力電子技術(shù)發(fā)展，本系統(tǒng)采用DSP完全適用井下工業(yè)環(huán)境中，而對DSP應用系統(tǒng)軟件的編譯環(huán)境易開發(fā)，程序通俗易懂，整個系統(tǒng)具有小故障率低的優(yōu)勢，被廣泛采用。

在DSP控制的程序中主要包括針對變頻調(diào)速裝置設計的帶式輸送機軟起動控制、調(diào)速控制、可控控制、經(jīng)濟停車控制、功率平衡控制等，這些通過DSP實時監(jiān)測帶速、電機運行狀態(tài)、電參數(shù)等信號進行判別后，按照既定編譯好的運行規(guī)則程序進行邏輯運行，輸出脈沖完成控制功能。對于輸送機的跑偏、超速、超溫、打滑等基本控制通過將其轉(zhuǎn)換為開關輸入與輸出信號完成控制功能。設計啟動過程的流程圖如圖6所示。

圖6 啟動流程圖

4 結(jié)束語

本文首先對煤礦所需帶式輸送機電控系統(tǒng)的技術(shù)指標與需求進行分析，再對其啟動動態(tài)特性進行數(shù)學計算建模，根據(jù)動力學分析求出最佳激勵輸入可以輸送機壽命最優(yōu)化。并以此以DSP數(shù)字處理器為核心設計相關硬件電路與變頻啟動電控系統(tǒng)。在綜合考慮各方面的因素后，實際運行所設計電控系統(tǒng)，有效保證帶式輸送機的長運距、大運量可靠運行，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定，適合用于煤礦生產(chǎn)。