采煤機(jī)電磁調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

白建云

（華陽(yáng)一礦調(diào)度室， 山西 陽(yáng)泉 045000）

0 引言

由于采煤機(jī)整機(jī)價(jià)格昂貴，因此通過(guò)嵌入式控制單元對(duì)電磁調(diào)速系統(tǒng)對(duì)采煤機(jī)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，既節(jié)省了設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用，同時(shí)也利用新型控制技術(shù)對(duì)電控系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，不僅提高了原有控制系統(tǒng)運(yùn)行性能，也加強(qiáng)了控制系統(tǒng)在井下惡劣環(huán)境中的適應(yīng)性，大幅提高了煤炭資源開(kāi)采效率。

1 電磁調(diào)速電機(jī)作用機(jī)理

電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)包括三相異步電機(jī)、電樞、磁樞、勵(lì)磁繞組以及負(fù)載等主體結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)所連接的負(fù)載軸，承受通過(guò)中部磁場(chǎng)傳輸?shù)碾妱?dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)矩。其中電樞由鋼制圓筒構(gòu)成，安裝于三相異步電動(dòng)機(jī)輸出軸端，在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下保持同速轉(zhuǎn)動(dòng)。磁極同樣安裝與三相異步電動(dòng)機(jī)輸出軸端，由鐵芯以及勵(lì)磁繞組兩部分構(gòu)成且與負(fù)載相連接。磁極繞組因在磁極內(nèi)腔且固定在電磁轉(zhuǎn)差離合器端蓋上，因此該部分基本保持靜止，同理電樞結(jié)構(gòu)隨電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)為主動(dòng)部分，磁極結(jié)構(gòu)位于負(fù)載端為從動(dòng)部分。

圖1 電磁調(diào)速電機(jī)主體結(jié)構(gòu)

電磁調(diào)速電機(jī)運(yùn)行機(jī)理為：直流電通過(guò)電磁繞組部形成交替磁場(chǎng)，同時(shí)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電樞部同速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，電樞在交替磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)形成渦流，渦流和磁通作用下就形成轉(zhuǎn)矩導(dǎo)致磁極按照固定方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)磁極速度相對(duì)電樞較低。此時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)電流大小可以實(shí)現(xiàn)對(duì)離合器轉(zhuǎn)矩大小和速度的調(diào)節(jié)，因此電磁調(diào)速具備調(diào)節(jié)過(guò)程穩(wěn)定、范圍較廣以及負(fù)反饋等特點(diǎn)，相較其他調(diào)速結(jié)構(gòu)運(yùn)行功率小同時(shí)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩更大。

2 嵌入式調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該嵌入式電磁調(diào)速控制系統(tǒng)將下屬各獨(dú)立模塊通過(guò)串聯(lián)通信方式相聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了弱信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，該串聯(lián)通信的特點(diǎn)在于對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行就近接收、集中發(fā)送，因此布設(shè)線路相對(duì)簡(jiǎn)單。同時(shí)將各模塊信息獨(dú)立計(jì)算，只將結(jié)果傳輸至主控模塊，不僅降低了主控模塊負(fù)擔(dān)，也降低了傳輸通信容量。該嵌入式控制系統(tǒng)采用ARM控制器，特點(diǎn)在于外圍接口較多，運(yùn)行速率較高，可與各模塊高性能單片機(jī)匹配，提升整體調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行性能。整體調(diào)速系統(tǒng)組成包括主控CPU、數(shù)據(jù)輸出模塊、采集模塊、通信模塊以及采煤機(jī)端頭操作站等，組成結(jié)構(gòu)如圖2 所示[1]。

圖2 電磁調(diào)速系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成

3 電磁調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 中央處理器

主控CPU 主要負(fù)責(zé)整體采煤機(jī)電控系統(tǒng)控制，因此在整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，同時(shí)具備功能也最為強(qiáng)大。該中央處理器ARM芯片核心控制器選用STM32F103RCT 型號(hào)，運(yùn)算速度可達(dá)72 MHz，具備48 kB 的RAM以及256 kB的FLASH。該控制器擁有5 個(gè)USART 以及1 個(gè)16 位的ADC 通道，同時(shí)可擴(kuò)展2 個(gè)DAC 通道，運(yùn)算性能較好同時(shí)具備較快的執(zhí)行效率，外圍接口較多，適用于井下復(fù)雜惡劣電磁環(huán)境。

同時(shí)主板總線與各模塊之間采用CAN 總線相連，通過(guò)嵌入采煤機(jī)機(jī)身在終端直接接收采煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，與采煤機(jī)端頭操作站相連通信接口為本安型RS485 接口，具體控制結(jié)構(gòu)如圖3所示[2]。中央處理器主控CPU 將通過(guò)光電隔離柵接收處理數(shù)據(jù)信號(hào)，避免受到綜采工作面惡劣環(huán)境的影響，一部分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)直接與主控CPU 進(jìn)行傳輸交換，另一部分傳感器接收信號(hào)則通過(guò)兩種接口線路，包括RS485、CAN 總線接口，分別與采煤機(jī)終端端頭操作站以及CAN 通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)接收傳輸。

圖3 中央處理器主控制模塊組成

3.2 硬件模塊

1）開(kāi)關(guān)量輸出、輸入模塊。該模板的主要作用是通過(guò)接收面板控制按鈕及遙控信號(hào)，對(duì)各電機(jī)進(jìn)行啟停控制，在各接口端采用隔離柵進(jìn)行光電隔離，防止受到井下外界水電干擾，確保傳輸信號(hào)精確性，控制芯片采用Philips 公司旗下XA-C3 芯片。該模塊特點(diǎn)在于對(duì)人工手動(dòng)操作信號(hào)進(jìn)行接收處理，將控制面板或遙控信號(hào)進(jìn)行及時(shí)傳輸控制，因此輸入信號(hào)包括開(kāi)關(guān)輸入量以及CAN 通信總線輸入量?jī)刹糠?，?jīng)光電隔離柵處理后傳輸信號(hào)將由XA-C3 芯片進(jìn)行處理，同時(shí)再經(jīng)過(guò)光電隔離柵對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將輸出信號(hào)傳輸至繼電器或CAN 通信總線下達(dá)執(zhí)行指令。

2）數(shù)據(jù)采集模塊。采集模塊的輸入模擬量包括采煤機(jī)截割部截割電機(jī)電流、CPU 模數(shù)轉(zhuǎn)換、采煤機(jī)牽引部牽引電機(jī)電流、牽引速度等參數(shù)，這些采煤機(jī)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)可通過(guò)接收對(duì)應(yīng)各類傳感器傳輸數(shù)據(jù)獲得，同時(shí)通過(guò)模塊處理后將參數(shù)運(yùn)算結(jié)果傳輸至主控器模塊，傳輸線路為CAN 總線，并由主控器模塊完成相應(yīng)下達(dá)執(zhí)行指令等功能。采集模塊傳輸電路采用ADS774，具備功耗低、采樣速度快等特點(diǎn)，采集信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理器、多采樣通道，同樣經(jīng)光電隔離柵處理，經(jīng)模塊傳輸電路傳輸至單片機(jī)處理系統(tǒng)，經(jīng)初步分析處理后將容量較小數(shù)據(jù)經(jīng)CAN 通信總線向主控制器模塊進(jìn)行傳輸[3]。

3）通信模塊。因采煤機(jī)電磁調(diào)速控制系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制，還要對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行并網(wǎng)控制，同時(shí)由于CAN 總線支持分布式控制系統(tǒng)及實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，因此采用CAN 作用主要通信模塊。CAN 通信速率可達(dá)1 Mbit/s，同時(shí)具有較高的錯(cuò)誤檢測(cè)能力，對(duì)井下復(fù)雜工作環(huán)境以及振動(dòng)大、電磁輻射強(qiáng)的工作環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)。通信模塊硬件通信流程為：通信接口、MCU 80C51、SJA1000 控制器、82C250 收發(fā)器、CAN 接線，通過(guò)上述設(shè)備線路通信流程實(shí)現(xiàn)電磁調(diào)速系統(tǒng)通信控制。

3.3 終端端頭操作站

采煤機(jī)端頭操作站通過(guò)按鍵形式實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)牽引方向、加速減速控制，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)對(duì)截割部搖臂起降控制。通過(guò)人工操控按鍵響應(yīng)后端頭操作信號(hào)經(jīng)端頭站進(jìn)行初步處理，并由RS485 線路傳輸至主控制模塊，因此采煤機(jī)端頭操作站可實(shí)現(xiàn)人工按鍵操作控制，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)主控制器的就地控制。該采煤機(jī)端頭操作站布設(shè)在采煤機(jī)設(shè)備左右兩端，可通過(guò)手動(dòng)控制的方式操作按鍵按鈕實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)牽引控制效果，進(jìn)行綜采工作面煤炭資源截割開(kāi)采作業(yè)；同時(shí)操作站可通過(guò)RS485 線路將操作信號(hào)傳輸至主控制模塊，經(jīng)機(jī)身處主控CPU 分析處理數(shù)據(jù)信號(hào)后，再下達(dá)執(zhí)行指令，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)牽引過(guò)程的自動(dòng)控制效果。

4 電磁調(diào)速控制系統(tǒng)仿真測(cè)試

為測(cè)試嵌入式采煤機(jī)電磁調(diào)速控制系統(tǒng)的運(yùn)行性能，利用Simulink 軟件建立仿真模型，進(jìn)行仿真測(cè)試。如圖4 所示為采煤機(jī)電磁調(diào)速控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)圖。由圖4 可以看出，該嵌入式控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度更快，僅需0.2 s 即可達(dá)到平穩(wěn)運(yùn)行階段，采煤機(jī)設(shè)備的持續(xù)運(yùn)行過(guò)程也更為平穩(wěn)可靠。

圖4 嵌入式電磁調(diào)速控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)

現(xiàn)階段電牽引采煤機(jī)以S7-200 核心控制系統(tǒng)為例，電磁調(diào)速牽引控制系統(tǒng)配套有可視化顯示控制平臺(tái)，但體積大功能單一，擴(kuò)展性較差，同時(shí)布設(shè)線路繁瑣，通信接口需進(jìn)行各種轉(zhuǎn)換，因此系統(tǒng)運(yùn)行效率較低。通過(guò)安裝嵌入式STM32F103RCT6 控制器，可實(shí)現(xiàn)72 MHz 高頻操作，同時(shí)通信功能更為強(qiáng)大，外部接口較多，系統(tǒng)整體運(yùn)行效率也更高。該嵌入式電磁調(diào)速控制下的采煤機(jī)相比傳統(tǒng)采煤機(jī)牽引方式具備更高裝機(jī)功率，牽引速度更快、牽引力更大。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析電磁調(diào)速系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，分別從中央處理器、各數(shù)據(jù)處理模塊以及采煤機(jī)端頭操作站對(duì)電磁調(diào)速系統(tǒng)整體進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)。采用嵌入式處理后的采煤機(jī)電磁調(diào)速系統(tǒng)，整體控制系統(tǒng)更為靈活，將各模塊采集數(shù)據(jù)由采煤機(jī)機(jī)身處的中央處理器就近快速處理，保障了中央處理器高效運(yùn)行性能，同時(shí)降低了線路傳輸信號(hào)容量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的快速感知反應(yīng)，保障了調(diào)速控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。