基于嵌入式系统的电磁调速采矿机主控系统设计

王昆，张伟

(1．西安航空学院电子工程学院，陕西西安710077;2．西安文理学院，陕西西安710065)

基于嵌入式系统的电磁调速采矿机主控系统设计

王昆1，张伟2

(1．西安航空学院电子工程学院，陕西西安710077;2．西安文理学院，陕西西安710065)

伴随现代工业技术的发展，矿产开采也更加注重高效和安全。目前开采矿产的关键设备为采矿机，该设备稳定、可靠、安全。当前国内外主流的采矿机主要是多用电牵引采矿机，依据调速系统的类别主要分为电磁调速、开关磁阻调速和交流变频调速。电磁调速的牵引系统较后两者调速系统来讲具有技术成熟、体积小、控制系统简单等优点。以电磁调速的采矿机作为研究对象，从改善电磁调速电动机的控制方法以及提升采矿机信息管理效率的角度出发，进而分析了电磁调速电动机的调速过程，以及建立电磁调速电动机的数学控制模型，最后通过MATLAB的仿真对比来控制算法的稳定性。

嵌入式系统;电磁调速采矿机;主控系统

当前，采矿机牵引类型主要有液压牵引和电牵引两种，而电牵引又包括直流电牵引和交流电牵引。在采矿的过程中使用电牵引的采矿机更容易实现自动化的控制，还具有不易污染环境、方便维修、工作的可靠性高、传动的效率高这些优点［1］。所以，电牵引采矿机成为当前采矿机牵引系统未来的发展趋势。

1 电牵引采矿机的主控系统国内发展现状

20世纪90年代，波兰科马克与矿科总院上海分院合作研制的MG344-PWD型号的薄矿层交流变频调速采矿机，这也是国内首次成功研发的交流电牵引式采矿机［2］。随后在变频调速的技术上对MG300和AM500液压式的牵引采矿机进行改造并升级，最终研制出MG300/680-WD型和MG375/ 830-WD型这种交流电牵引采矿机，并且配置全中文界面PLC的控制系统，不仅可以实现电控箱面板和变频器面板的直接控制，还可以实现功率检测、温度检测、电机热保护、无线点遥控以及端头站控制［3］。此外，还有丰富的状态显示和控制功能。

2 主控系统结构和研究方案

2．1主控系统结构

伴随智能化技术快速的发展，对于电机实时性控制以及数据采集都有了更高程度的改善［4］。嵌入电磁调速的采矿机基础设计为标准通用通信的协议和智能化、集成化的现场装备，进而满足电牵引式采矿机控制系统的工业现场需求［5］。本次研究的嵌入式操作系统电磁调速采矿机其主控系统的结构如图1所示。

图1主控系统结构框架

2．2主控系统的工作原理和功能

工作原理:电磁调速采矿机的主控系统主要利用信号转换电路和机载传感器来实现信号变化以及传感器的数据采集，并且主控系统要依据其运动控制的指令来改变IGBT的导通角大小进而调节3项异步电动机的转速输出［6］。并且，中控系统还要将采集到的数据施行必要的后续处理、分类以及过滤，最后按照其定制规定再传输到管理中心。

功能:主控系统依据变频调速，结合矿井的工作环境需求，来分析电机调速方法的优点和缺点，进而提高了采矿机的可靠性和操作性。其电磁调速采矿机的主控系统均包含可升级软件的系统结构、遥测功能、通信管理的功能。

2．3电磁调速采矿机运动控制模型

通过控制指令来控制电动机电枢输出轴转动，是电磁调速电动机的控制核心。并且以反馈传输到电动机的主控系统来实现转速传感器的采集电动机输出，进而形成了电动机转速闭环的控制结构，其电磁调速电动机的控制原理图如图2所示。

图2电磁调速电动机控制原理

3 主控系统硬件的研究与实现

3．1主控系统整体硬件功能划分

主控系统的硬件电路设计使用模块化的设计思想，主要包含SD卡的数据存储电路、通信模块的设计电路、电源模块的设计电路、数据采集的设计电路、总线型的遥控器模块、I/O控制、以及CPU核心控制的单元模块。具体主控系统的结构框图如图3所示。

图3主控系统结构框架

3．2各功能模块硬件电路研究

首先是CPU核心控制的单元模块。嵌入式的处理器，也就是CPU的选择有诸多因素，比如开发的难易程度、使用领域、用户需求和开发的成本等等。作为主控系统的核心单元，也是整个系统功能和任务的执行者，他的性能指标会直接的影响到控制系统的优劣程度。

其次是总线型遥控器的模块。即无线遥控副机和无线遥控主机。和传统数字型采矿机的遥控器相比较，突出的优势为:协议通用性较强、硬件的接口较为简单;避免了误码率高和传输距离短等特点;解决了传统采矿机遥控器数据单一且传输固定的缺陷;遥控主机可以显示采矿机的实时状态和运行参数等，方便操作人员实时地对采矿机运行的状态进行了解，进而实现了采矿机的无线闭环控制。

接着是电源模块的电路设计。正常运行采矿机的主控系统需要一个稳定安全的电源作为保障，所以在设计电路电源时要以整个主控系统的硬件电路作为基础。并且在整个主控系统的电路中直流与交流、弱电与强电共存。

最后是SD卡的数据存储电路设计。数据存储设备的主控系统使用miniSD卡，并且要以半导体的快速闪存作为技术支持。和CPU之间仅需连线6根即可，此外便不需要额外的电源来保持已经存储的信息。并且SD卡存储方便工程技术人员的提取、对采矿机运行时的运行状态以及各项参数进行分析。而且在主控系统中采用miniSD卡还可有效地节省电路板的空间，具体主控SD卡的电路设计图如图5所示。

图5SD卡电路设计

4 主控系统软件的研究与实现

4．1主控系统程序的设计原则与软件的组织结构

主控系统的程序设计原则为要使用模块化的设计思想、具有实时性，并且可靠稳定，具有可测试性。

在设计软件的时候，要紧密的和嵌入式Linux的系统特点进行联系，并对于软件结构进行分层次、分任务、分模块的设计，其具体软件系统的结构框图如图6所示。

图6软件系统结构框

4．2嵌入式Linux系统移致

在实际的运行过程中，采矿机需要管理复杂的程序结构，并且具备实时性、多任务、多线程的处理，所以要在所控制的单元中去移植嵌入式的操作系统。嵌入式的主控系统不仅在实时控制和远程数据通信方面有很好的优势，而且也更容易实现系统保护。

4．3最小拍无波纹控制器的研究和实现

电磁调速采矿机的主控系统主要方式为以ARM为核心控制的单元，并且选择适合的控制方式对电动机的调速性能起到关键作用。本文基于最小拍无波纹的控制器的设计过程，通过对闭环PID的调节器里融入最小拍的无波纹控制，使得系统的抗干扰能力增强，而且使得系统具有较强的鲁棒性。

5 系统性能仿真与实验

存在一定的波纹不止会增加设备的机械磨损，并且还会增加控制系统的误差，所以，必须要设计出最小拍的无波纹控制系统，才能够有效地满足于实际工业现场的需求。

本文以电磁调速的电动机作为本次的研究对象，参数为:励磁电流5 A，电枢回路电阻15 Ω，转动惯量为0．12 kg/m2，定转子互感量为2．5 h，晶闸管放大倍数为40，额定转速为1 360 r/min。并且取采样的周期为0．1 s，则电磁调速电动机模型经变换后为:

性能测试:在电磁调速采矿机的主控系统投入使用之前要先进行性能测试，通过实际的测试所得到的数据结果见表1。

表1 性能测试结果

软件抗干扰措施主要表现在:增加看门狗功能。主控系统采用嵌入式Linux的操作系统，并且用系统自带的WatchDog监视系统运行;空指令操作。为确保程序运行能够正常稳定，通过施行空指令，并且在必要是加入延时，进而确保能够正常的读取数据;软件陷阱。通过某一地址的设定来处理相应的故障程序，当程序跑飞或者由于某种原因而出现问题的时候，将程序指针强行的推向该地址，这样能够正确的引导程序运行。

6 结语

本文主要根据电磁调速的采矿机通信管理和电机控制需求，设计并且完成嵌入式的主控系统。并且通过对整体方案需求的分析，进而完成了软件程序的调试和主控系统硬件的电路设计。其中硬件方面主要包括了设计电路电源、设计SD卡存储电路、设计通信电路、设计数据采集单元电路、设计总线型的无线遥控器以及设计CPU核心控制的单元电路。软件方面主要包括了选择通信协议、设计通信管理程序设计、合理规划各线程进程、裁剪移植Linux驱动程序、搭建软件结构。

主控系统可以对电磁调速的牵引电机实现预期的控制效果，而且还具有一定的通信兼容的能力，可以确保系统准确、实时的采集传感器的数据信号。此外，无线遥控还可以较为准确的去控制命令传输到主控系统乃至实现远程的控制功能，经反复的测试，无线遥控的传输在0．05%之内的误码率，并且其余各项设计的指标均达标。

［1］张源，张瑶，刘策越，等．嵌入式电磁调速采矿机速度反馈环节的实现［J］．科技创新与应用，2014(16):11－13．

［2］刘策越，王伟，赵欣，等．MG561电磁调速采矿机遥控器研究与实现［J］．自动化技术与应用，2014，33(3):41－44．［3］何明星，王伟，刘策越，等．电磁调速采矿机闭环控制系统参数辨识研究［J］．煤炭科学技术，2016，44(3):100－105．

［4］邱艳海．电磁调速电牵引采矿机遥控改造系统的研究——以MXG-500/4．5H型电磁调速电牵引采煤机为例［J］．中小企业管理与科技，2014(18):121－122．

［5］何明星，刘策越，王伟，等．基于Cortex-M3的电磁调速采矿机软件升级研究［J］．煤炭科学技术，2013，41(4):75－81．

［6］齐宏伟，刘永立，冯俊杰，等．新强煤矿急倾斜煤层综采工作面采矿机稳定性控制研究［J］．煤炭技术，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，陕西西安人，讲师，研究方向:模式识别与智能系统，手机:13309230155，E-mail:150552482@ qq．com;通讯作者:张伟(1976－)，女，陕西西安人，副教授，研究方向:电力电子与电力传动，手机:13379269302，E-mail: 404323582@qq．com．