基于嵌入式系統(tǒng)的電磁調(diào)速采礦機(jī)主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王昆，張偉

(1．西安航空學(xué)院電子工程學(xué)院，陜西西安710077;2．西安文理學(xué)院，陜西西安710065)

基于嵌入式系統(tǒng)的電磁調(diào)速采礦機(jī)主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王昆1，張偉2

(1．西安航空學(xué)院電子工程學(xué)院，陜西西安710077;2．西安文理學(xué)院，陜西西安710065)

伴隨現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，礦產(chǎn)開采也更加注重高效和安全。目前開采礦產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備為采礦機(jī)，該設(shè)備穩(wěn)定、可靠、安全。當(dāng)前國內(nèi)外主流的采礦機(jī)主要是多用電牽引采礦機(jī)，依據(jù)調(diào)速系統(tǒng)的類別主要分為電磁調(diào)速、開關(guān)磁阻調(diào)速和交流變頻調(diào)速。電磁調(diào)速的牽引系統(tǒng)較后兩者調(diào)速系統(tǒng)來講具有技術(shù)成熟、體積小、控制系統(tǒng)簡單等優(yōu)點(diǎn)。以電磁調(diào)速的采礦機(jī)作為研究對(duì)象，從改善電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的控制方法以及提升采礦機(jī)信息管理效率的角度出發(fā)，進(jìn)而分析了電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的調(diào)速過程，以及建立電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)控制模型，最后通過MATLAB的仿真對(duì)比來控制算法的穩(wěn)定性。

嵌入式系統(tǒng);電磁調(diào)速采礦機(jī);主控系統(tǒng)

當(dāng)前，采礦機(jī)牽引類型主要有液壓牽引和電牽引兩種，而電牽引又包括直流電牽引和交流電牽引。在采礦的過程中使用電牽引的采礦機(jī)更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的控制，還具有不易污染環(huán)境、方便維修、工作的可靠性高、傳動(dòng)的效率高這些優(yōu)點(diǎn)［1］。所以，電牽引采礦機(jī)成為當(dāng)前采礦機(jī)牽引系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢(shì)。

1 電牽引采礦機(jī)的主控系統(tǒng)國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代，波蘭科馬克與礦科總院上海分院合作研制的MG344-PWD型號(hào)的薄礦層交流變頻調(diào)速采礦機(jī)，這也是國內(nèi)首次成功研發(fā)的交流電牽引式采礦機(jī)［2］。隨后在變頻調(diào)速的技術(shù)上對(duì)MG300和AM500液壓式的牽引采礦機(jī)進(jìn)行改造并升級(jí)，最終研制出MG300/680-WD型和MG375/ 830-WD型這種交流電牽引采礦機(jī)，并且配置全中文界面PLC的控制系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)電控箱面板和變頻器面板的直接控制，還可以實(shí)現(xiàn)功率檢測(cè)、溫度檢測(cè)、電機(jī)熱保護(hù)、無線點(diǎn)遙控以及端頭站控制［3］。此外，還有豐富的狀態(tài)顯示和控制功能。

2 主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和研究方案

2．1主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

伴隨智能化技術(shù)快速的發(fā)展，對(duì)于電機(jī)實(shí)時(shí)性控制以及數(shù)據(jù)采集都有了更高程度的改善［4］。嵌入電磁調(diào)速的采礦機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)通用通信的協(xié)議和智能化、集成化的現(xiàn)場(chǎng)裝備，進(jìn)而滿足電牽引式采礦機(jī)控制系統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需求［5］。本次研究的嵌入式操作系統(tǒng)電磁調(diào)速采礦機(jī)其主控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

2．2主控系統(tǒng)的工作原理和功能

工作原理:電磁調(diào)速采礦機(jī)的主控系統(tǒng)主要利用信號(hào)轉(zhuǎn)換電路和機(jī)載傳感器來實(shí)現(xiàn)信號(hào)變化以及傳感器的數(shù)據(jù)采集，并且主控系統(tǒng)要依據(jù)其運(yùn)動(dòng)控制的指令來改變IGBT的導(dǎo)通角大小進(jìn)而調(diào)節(jié)3項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出［6］。并且，中控系統(tǒng)還要將采集到的數(shù)據(jù)施行必要的后續(xù)處理、分類以及過濾，最后按照其定制規(guī)定再傳輸?shù)焦芾碇行摹?/p>

功能:主控系統(tǒng)依據(jù)變頻調(diào)速，結(jié)合礦井的工作環(huán)境需求，來分析電機(jī)調(diào)速方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，進(jìn)而提高了采礦機(jī)的可靠性和操作性。其電磁調(diào)速采礦機(jī)的主控系統(tǒng)均包含可升級(jí)軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、遙測(cè)功能、通信管理的功能。

2．3電磁調(diào)速采礦機(jī)運(yùn)動(dòng)控制模型

通過控制指令來控制電動(dòng)機(jī)電樞輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，是電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的控制核心。并且以反饋傳輸?shù)诫妱?dòng)機(jī)的主控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速傳感器的采集電動(dòng)機(jī)輸出，進(jìn)而形成了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，其電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的控制原理圖如圖2所示。

圖2電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制原理

3 主控系統(tǒng)硬件的研究與實(shí)現(xiàn)

3．1主控系統(tǒng)整體硬件功能劃分

主控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)使用模塊化的設(shè)計(jì)思想，主要包含SD卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、通信模塊的設(shè)計(jì)電路、電源模塊的設(shè)計(jì)電路、數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)電路、總線型的遙控器模塊、I/O控制、以及CPU核心控制的單元模塊。具體主控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

3．2各功能模塊硬件電路研究

首先是CPU核心控制的單元模塊。嵌入式的處理器，也就是CPU的選擇有諸多因素，比如開發(fā)的難易程度、使用領(lǐng)域、用戶需求和開發(fā)的成本等等。作為主控系統(tǒng)的核心單元，也是整個(gè)系統(tǒng)功能和任務(wù)的執(zhí)行者，他的性能指標(biāo)會(huì)直接的影響到控制系統(tǒng)的優(yōu)劣程度。

其次是總線型遙控器的模塊。即無線遙控副機(jī)和無線遙控主機(jī)。和傳統(tǒng)數(shù)字型采礦機(jī)的遙控器相比較，突出的優(yōu)勢(shì)為:協(xié)議通用性較強(qiáng)、硬件的接口較為簡單;避免了誤碼率高和傳輸距離短等特點(diǎn);解決了傳統(tǒng)采礦機(jī)遙控器數(shù)據(jù)單一且傳輸固定的缺陷;遙控主機(jī)可以顯示采礦機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)等，方便操作人員實(shí)時(shí)地對(duì)采礦機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行了解，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了采礦機(jī)的無線閉環(huán)控制。

接著是電源模塊的電路設(shè)計(jì)。正常運(yùn)行采礦機(jī)的主控系統(tǒng)需要一個(gè)穩(wěn)定安全的電源作為保障，所以在設(shè)計(jì)電路電源時(shí)要以整個(gè)主控系統(tǒng)的硬件電路作為基礎(chǔ)。并且在整個(gè)主控系統(tǒng)的電路中直流與交流、弱電與強(qiáng)電共存。

最后是SD卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的主控系統(tǒng)使用miniSD卡，并且要以半導(dǎo)體的快速閃存作為技術(shù)支持。和CPU之間僅需連線6根即可，此外便不需要額外的電源來保持已經(jīng)存儲(chǔ)的信息。并且SD卡存儲(chǔ)方便工程技術(shù)人員的提取、對(duì)采礦機(jī)運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)以及各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析。而且在主控系統(tǒng)中采用miniSD卡還可有效地節(jié)省電路板的空間，具體主控SD卡的電路設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

圖5SD卡電路設(shè)計(jì)

4 主控系統(tǒng)軟件的研究與實(shí)現(xiàn)

4．1主控系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)原則與軟件的組織結(jié)構(gòu)

主控系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)原則為要使用模塊化的設(shè)計(jì)思想、具有實(shí)時(shí)性，并且可靠穩(wěn)定，具有可測(cè)試性。

在設(shè)計(jì)軟件的時(shí)候，要緊密的和嵌入式Linux的系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)系，并對(duì)于軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分層次、分任務(wù)、分模塊的設(shè)計(jì)，其具體軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框

4．2嵌入式Linux系統(tǒng)移致

在實(shí)際的運(yùn)行過程中，采礦機(jī)需要管理復(fù)雜的程序結(jié)構(gòu)，并且具備實(shí)時(shí)性、多任務(wù)、多線程的處理，所以要在所控制的單元中去移植嵌入式的操作系統(tǒng)。嵌入式的主控系統(tǒng)不僅在實(shí)時(shí)控制和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信方面有很好的優(yōu)勢(shì)，而且也更容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)。

4．3最小拍無波紋控制器的研究和實(shí)現(xiàn)

電磁調(diào)速采礦機(jī)的主控系統(tǒng)主要方式為以ARM為核心控制的單元，并且選擇適合的控制方式對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能起到關(guān)鍵作用。本文基于最小拍無波紋的控制器的設(shè)計(jì)過程，通過對(duì)閉環(huán)PID的調(diào)節(jié)器里融入最小拍的無波紋控制，使得系統(tǒng)的抗干擾能力增強(qiáng)，而且使得系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性。

5 系統(tǒng)性能仿真與實(shí)驗(yàn)

存在一定的波紋不止會(huì)增加設(shè)備的機(jī)械磨損，并且還會(huì)增加控制系統(tǒng)的誤差，所以，必須要設(shè)計(jì)出最小拍的無波紋控制系統(tǒng)，才能夠有效地滿足于實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需求。

本文以電磁調(diào)速的電動(dòng)機(jī)作為本次的研究對(duì)象，參數(shù)為:勵(lì)磁電流5 A，電樞回路電阻15 Ω，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0．12 kg/m2，定轉(zhuǎn)子互感量為2．5 h，晶閘管放大倍數(shù)為40，額定轉(zhuǎn)速為1 360 r/min。并且取采樣的周期為0．1 s，則電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)模型經(jīng)變換后為:

性能測(cè)試:在電磁調(diào)速采礦機(jī)的主控系統(tǒng)投入使用之前要先進(jìn)行性能測(cè)試，通過實(shí)際的測(cè)試所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。

表1 性能測(cè)試結(jié)果

軟件抗干擾措施主要表現(xiàn)在:增加看門狗功能。主控系統(tǒng)采用嵌入式Linux的操作系統(tǒng)，并且用系統(tǒng)自帶的WatchDog監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行;空指令操作。為確保程序運(yùn)行能夠正常穩(wěn)定，通過施行空指令，并且在必要是加入延時(shí)，進(jìn)而確保能夠正常的讀取數(shù)據(jù);軟件陷阱。通過某一地址的設(shè)定來處理相應(yīng)的故障程序，當(dāng)程序跑飛或者由于某種原因而出現(xiàn)問題的時(shí)候，將程序指針強(qiáng)行的推向該地址，這樣能夠正確的引導(dǎo)程序運(yùn)行。

6 結(jié)語

本文主要根據(jù)電磁調(diào)速的采礦機(jī)通信管理和電機(jī)控制需求，設(shè)計(jì)并且完成嵌入式的主控系統(tǒng)。并且通過對(duì)整體方案需求的分析，進(jìn)而完成了軟件程序的調(diào)試和主控系統(tǒng)硬件的電路設(shè)計(jì)。其中硬件方面主要包括了設(shè)計(jì)電路電源、設(shè)計(jì)SD卡存儲(chǔ)電路、設(shè)計(jì)通信電路、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集單元電路、設(shè)計(jì)總線型的無線遙控器以及設(shè)計(jì)CPU核心控制的單元電路。軟件方面主要包括了選擇通信協(xié)議、設(shè)計(jì)通信管理程序設(shè)計(jì)、合理規(guī)劃各線程進(jìn)程、裁剪移植Linux驅(qū)動(dòng)程序、搭建軟件結(jié)構(gòu)。

主控系統(tǒng)可以對(duì)電磁調(diào)速的牽引電機(jī)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制效果，而且還具有一定的通信兼容的能力，可以確保系統(tǒng)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的采集傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)。此外，無線遙控還可以較為準(zhǔn)確的去控制命令傳輸?shù)街骺叵到y(tǒng)乃至實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的控制功能，經(jīng)反復(fù)的測(cè)試，無線遙控的傳輸在0．05%之內(nèi)的誤碼率，并且其余各項(xiàng)設(shè)計(jì)的指標(biāo)均達(dá)標(biāo)。

［1］張?jiān)?，張瑤，劉策越，等．嵌入式電磁調(diào)速采礦機(jī)速度反饋環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)［J］．科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014(16):11－13．

［2］劉策越，王偉，趙欣，等．MG561電磁調(diào)速采礦機(jī)遙控器研究與實(shí)現(xiàn)［J］．自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2014，33(3):41－44．［3］何明星，王偉，劉策越，等．電磁調(diào)速采礦機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)研究［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2016，44(3):100－105．

［4］邱艷海．電磁調(diào)速電牽引采礦機(jī)遙控改造系統(tǒng)的研究——以MXG-500/4．5H型電磁調(diào)速電牽引采煤機(jī)為例［J］．中小企業(yè)管理與科技，2014(18):121－122．

［5］何明星，劉策越，王偉，等．基于Cortex-M3的電磁調(diào)速采礦機(jī)軟件升級(jí)研究［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(4):75－81．

［6］齊宏偉，劉永立，馮俊杰，等．新強(qiáng)煤礦急傾斜煤層綜采工作面采礦機(jī)穩(wěn)定性控制研究［J］．煤炭技術(shù)，2013，32(5):58－60．

Electromagnetic Coupling Mining Machine Control System on Embedded System Design

WANG Kun1，ZHANG，Wei2
(1．Institute of Electronic Engineering，Xi’an Aviation School，Xi’an，Shanxi 710077，China; 2．Liberal Arts College in Xi’an，Xi’an，Shanxi 710065，China)

Along with the development of modern industrial technology，we are paying more attention to efficient and safe mining．At present in mining mineral，it is a key to have equipments mining in stable，reliable，safe process．The current domestic and international mainstream mining machines are mainly electricity traction mining machines．The control system is mainly divided into electromagnetic coupling，including the switch reluctance speed regulation and ac frequency conversion speed regulation．Electromagnetic coupling of traction system is both for speed regulation system，which has mature technology，small volume，and simple control system．We take electromagnetic coupling of the mining machine as the research object to improve the electromagnetic speed motor control method，including the efficiency of the mining machine information management perspective．Then，we made an analysis of the electromagnetic speed in control process to establish the electromagnetic speed motor control model．It is verified by MATLAB simulation to control the stability of the algorithm．

Embedded system;Electromagnetic coupling mining machine;Control system

TD422

B

10．14101/j．cnki．issn．1002－4336．2017．01．051

2016－12－08

王昆(1978－)，女，陜西西安人，講師，研究方向:模式識(shí)別與智能系統(tǒng)，手機(jī):13309230155，E-mail:150552482@ qq．com;通訊作者:張偉(1976－)，女，陜西西安人，副教授，研究方向:電力電子與電力傳動(dòng)，手機(jī):13379269302，E-mail: 404323582@qq．com．