礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制的關(guān)鍵技術(shù)

曲寶瑋

（山西華融龍宮煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 忻州 034114）

引言

礦井提升機(jī)（MH）是連接礦井和地面的重要運(yùn)輸通道，在煤、礦石等材料的提升中被廣泛應(yīng)用。在使用過(guò)程中，工作人員需要操作運(yùn)輸機(jī)上井和下井運(yùn)輸，控制設(shè)備升降和其他功能?？梢?jiàn)，該設(shè)備在礦業(yè)工作中非常重要。提高M(jìn)H 的性能不僅能夠提高經(jīng)濟(jì)效益，還能進(jìn)一步保障生產(chǎn)安全。由于MH 的使用功率較大，其生產(chǎn)工藝必須保障設(shè)備能夠安全運(yùn)轉(zhuǎn)，相關(guān)技術(shù)必須受到礦山企業(yè)和技術(shù)人員的重視。

1 礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制原理

礦產(chǎn)企業(yè)的安全問(wèn)題是國(guó)家高度關(guān)注的問(wèn)題。國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局對(duì)礦井提升機(jī)系統(tǒng)的規(guī)格提出了明確規(guī)定：礦井提升機(jī)應(yīng)配備控制系統(tǒng)，并帶有行程、速度的檢測(cè)和顯示、松繩保護(hù)、過(guò)卷過(guò)放保護(hù)、故障狀態(tài)記憶等多個(gè)基本功能。通過(guò)礦產(chǎn)企業(yè)多年的實(shí)際工作和技術(shù)進(jìn)步，科研工作者研制出功能較為完善的提升機(jī)控制系統(tǒng)，推動(dòng)了礦井提升機(jī)的自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展[1]。以多繩摩擦輪提升系統(tǒng)為例，提升機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理框圖見(jiàn)圖1。

圖1 提升機(jī)控制系統(tǒng)原理

2 調(diào)速與行程控制的要求

礦井提升機(jī)的主要作用有礦物采掘、人員上下井、運(yùn)輸作業(yè)設(shè)備、檢查運(yùn)行等，但是，在實(shí)現(xiàn)上述各種功能時(shí)，其升降速率并不一致，因此需要對(duì)其驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行平穩(wěn)和精確的調(diào)整。在提高轉(zhuǎn)速的精確性方面，通常需要較低靜差率S 的提升機(jī)（例如，在高轉(zhuǎn)速時(shí)S＜1%），以減小系統(tǒng)減速器的行程偏差。這使得爬行的路程縮短，甚至不需要爬行段[2]。這樣就減少了起重時(shí)間，提高了起重性能，同時(shí)又確保了車(chē)輛的安全、精確。

行程控制也就是位置控制，可確保提升容器在指定位置精確地停止。其作用是以提升機(jī)的行程為基礎(chǔ)，來(lái)決定其轉(zhuǎn)速。在提升機(jī)的控制系統(tǒng)中，對(duì)不同的傳感器進(jìn)行測(cè)量，例如：轉(zhuǎn)角脈沖變換、罐籠速度和位置、鋼絲繩打滑等，對(duì)罐體進(jìn)行精確定位，并給出相應(yīng)的控制指令。提升機(jī)可以有多種不同的工作速率，在一次起重作業(yè)中，相應(yīng)的提升容器在井口的定位處會(huì)出現(xiàn)速度曲線，而且每個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)給出的時(shí)間是不一樣的。當(dāng)采用基于時(shí)間的自動(dòng)控制方式時(shí)，必須為每一確定的轉(zhuǎn)速設(shè)定多個(gè)減速器，使提升系統(tǒng)的控制精細(xì)化；如果使用人工控制，即使能對(duì)給定的信號(hào)進(jìn)行一定幅度的調(diào)控，也很難對(duì)其減速的瞬間和減慢進(jìn)行有效的控制，使得起重機(jī)無(wú)法在達(dá)到起重系統(tǒng)所需的最優(yōu)轉(zhuǎn)速和最優(yōu)時(shí)段到達(dá)停車(chē)場(chǎng)，導(dǎo)致停車(chē)不準(zhǔn)確，升降周期發(fā)生變化[3]。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 提升機(jī)變頻調(diào)速控制策略

3.1.1 整流電路

三相A/C 電流通過(guò)二極管非可控整流橋被整流為二相D/C。由于其主要的輸出目標(biāo)是大功率礦井提升機(jī)電動(dòng)機(jī)，采用三相橋型全波整流器作為整流[4]。

3.1.2 濾波電容CF

由于該整流回路的輸出是脈動(dòng)的D/C，因此需要用濾波器電容進(jìn)行過(guò)濾。除對(duì)電壓波紋進(jìn)行穩(wěn)壓、過(guò)濾外，CF還具備整流器與倒相器的解耦功能，以消除他們之間干擾，為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)提供無(wú)功功率。所以，中間D/C 電路的電容器需要更大的容量來(lái)儲(chǔ)存，這種電容也被稱作能量存儲(chǔ)電容。當(dāng)系統(tǒng)停轉(zhuǎn)時(shí)，將電阻器R 設(shè)定成用于給電容器的放電環(huán)。

3.1.3 限流電阻RL與開(kāi)關(guān)SL

因?yàn)镃F的濾波器容量較大，并且在關(guān)閉的瞬間CF的電荷容量較大，為對(duì)整流橋進(jìn)行安全防護(hù)，在換流器連接后，在線路中插入一個(gè)限流電阻器，使電容CF的充電電壓保持在可接受的限度之內(nèi)。SL的作用是：在CF的充電達(dá)到某個(gè)限度后，SL就會(huì)被打開(kāi)，從而使RL發(fā)生短路。

3.1.4 逆變橋

該方案中，三橋式六元電源轉(zhuǎn)換器模組構(gòu)成三相逆變橋，該電路將二極管整流橋經(jīng)整流后的D/C 電流反轉(zhuǎn)為可調(diào)節(jié)的交流電流，這即是變頻的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是整個(gè)主電路的主要部分。由于MOSFET 具有較高的輸入阻抗值和較小的導(dǎo)電電壓損失，所以本文選擇了FGA25N120 的IGBT 作為電源轉(zhuǎn)換器[5]。

3.1.5 續(xù)流二極管

IGBT 組件中，續(xù)流二極管VD7-VD12 與各換流器并聯(lián)，其主要作用是將無(wú)功電流送至D/C 供電；在逆變橋運(yùn)行時(shí)，在相同的橋臂上，有兩根倒相器不間斷地導(dǎo)通、關(guān)斷，因此VD7-VD12 持續(xù)電流二極管為其供電。

圖2 是AC 電機(jī)的主回路，它是一種電力轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電力主要線路。

圖2 主電路

3.2 ARM處理器選型

LPC2131 是由ARM 技術(shù)公司授權(quán)的PHILIP 公司研發(fā)的一款以ARM7TDMI-S 內(nèi)核為核心的馮諾依曼結(jié)構(gòu)，其硬件性能如下：

1）微型LQFP64 封裝，通用16/32 位ARM7TDMI-S 微控制器。

2）在系統(tǒng)/在程序設(shè)計(jì)（ISP/IAP）中實(shí)施芯片內(nèi)Boot 加載軟件。

3）EmbeddeDICE-RT 以及內(nèi)置的追蹤界面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行的代碼進(jìn)行即時(shí)的糾錯(cuò)和高速度的追蹤。

4）8 個(gè)10 比特的A/D 變換電路包括16 個(gè)模數(shù)信號(hào)，其變換速度在2.44 US 以內(nèi)。

5）2 個(gè)32 比特定時(shí)/計(jì)數(shù)（4 路捕獲和4 路比較通道）、PWM單元。

6）多個(gè)串行接口，包含2 個(gè)16C550 的工業(yè)級(jí)UART、2 個(gè)高速I(mǎi)2C、SPI 和SSP。

7）向量中斷控制器。可配置優(yōu)先級(jí)和向量地址。

3.3 基于ARM7-LPC2131 的數(shù)字化變頻控制系統(tǒng)

依據(jù)礦井提升機(jī)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，按照硬件的設(shè)計(jì)原則，給出相應(yīng)的控制系統(tǒng)硬件原理結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)硬件原理結(jié)構(gòu)框圖

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件功能與ARM開(kāi)發(fā)流程

在構(gòu)建了礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)，并對(duì)其進(jìn)行了硬件功能模塊的選擇和設(shè)計(jì)后，還要依據(jù)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行相應(yīng)的“制”，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)。圖4 是以軟件方案為基礎(chǔ)的ARM開(kāi)發(fā)過(guò)程。

圖4 ARM 開(kāi)發(fā)流程

4.2 矢量控制算法

控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)要求是根據(jù)電動(dòng)機(jī)的設(shè)定速度與反饋測(cè)量的電機(jī)速度進(jìn)行對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。同時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性都有很高的需求。該軟件能夠充分反映出該系統(tǒng)的運(yùn)行性能，而帶有反饋的軟件控制更是實(shí)現(xiàn)了較好的實(shí)時(shí)性，大大地改善了系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確率。

基于矢量控制原理，對(duì)電動(dòng)機(jī)的兩相定子電流和轉(zhuǎn)速進(jìn)行取樣，采用克拉克轉(zhuǎn)換和帕克轉(zhuǎn)換，通過(guò)速度調(diào)節(jié)器、磁場(chǎng)d 軸、力矩q 軸的穩(wěn)壓器生成一個(gè)電壓的空間矢量，采用ARM技術(shù)對(duì)電力主回路逆變橋進(jìn)行控制，生成了一種用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作的空間向量PWM波。通過(guò)定時(shí)下溢中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流取樣和轉(zhuǎn)速取樣。片內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器收集I2 傳感器傳出的信號(hào)，視為電流環(huán)內(nèi)反饋的信號(hào)；再通過(guò)計(jì)算，了解轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中的角度，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)矩分量等，同時(shí)接收速度指令，對(duì)比實(shí)際轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)電流和速度的控制結(jié)構(gòu)，再對(duì)空間矢量進(jìn)行計(jì)算，得出不同開(kāi)關(guān)電壓情況，傳出六路PWM 信號(hào)，信號(hào)到達(dá)驅(qū)動(dòng)板后，系統(tǒng)作出響應(yīng)。矢量相關(guān)的模塊能夠判斷出電壓矢量值以及位置，對(duì)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，維持安全載波頻率，再輸出PWM改變后的波形，其流程如圖5 所示。

圖5 矢量控制算法流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

在使用礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制技術(shù)的過(guò)程中，技術(shù)人員要深入了解技術(shù)原理，根據(jù)實(shí)際需求，選擇合適的設(shè)備技術(shù)。在硬件設(shè)計(jì)中，要優(yōu)化控制策略，選取合適的處理器。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，要規(guī)范操作流程，做好矢量控制，提升設(shè)備抗干擾性，保證提升機(jī)運(yùn)行質(zhì)量，保證在復(fù)雜環(huán)境中能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

[5] 王征.PLC 技術(shù)的礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2020（14）：52-53.