矿用带式输送机驱动控制系统的应用研究

2022-04-27张萍

能源与环保 2022年4期

张萍

(陕西邮电职业技术学院，陕西咸阳 712000)

很长一段时间以来，煤炭资源在我国整个能源结构体系中占据着非常重要的地位，随着我国工业的不断的发展与进步，对煤炭资源的需求量越来越多[1]。带式输送机以其显著的优势，比如结构简单、可以实现长距离输送等，在煤矿领域应用非常广泛[2]。然而传统的带式输送机都是基于工频拖动，液力耦合器进行传动，这种驱动模式在工程实践中逐渐暴露出了一些问题，其中最显著的问题是功率不平衡、效率低、启动时产生明显的电流冲击等[3]。不仅会增加煤矿企业的带式输送机维护和保养成本，还会导致煤矿生产过程不连续，影响煤矿开采效率的提升[4]。基于此，在工程实践中，人们逐渐使用外转子永磁同步电机对带式输送机进行驱动，这种驱动模式有效规避了传统驱动模式在实践中存在的缺陷问题[5]。本文主要对矿用带式输送机外转子永磁同步电机直接驱动模式进行研究，设计了驱动控制系统，将其运用到工程实践中，取得了很好的效果。

1 驱动滚筒结构

外转子永磁同步电机驱动滚筒结构如图1所示。由图1可知，电机和滚筒结构混为一体，实现了机电一体化。结构上主要由轴座、键、筒体、永磁同步电机、螺栓、弹垫和平垫等部分构成，永磁同步电机直接安装在滚筒内部。电机定子与轴连接一起并且固定不动，电机转子与滚筒筒壳固定一起，工作时作同步旋转。这种电机的结构与传统电机结构正好相反，其转子在外侧而定子在内侧。

图1 外转子永磁同步电机驱动滚筒结构Fig.1 Structure diagram of external rotor permanent magnet synchronous motor drive roller

图1中的永磁同步电机结构与常规永磁同步电机虽然存在明显的差异，但是基本原理完全相同，因此在性能上也与常规电机基本相同，主要特点为[6]。

(1)功率因数高、节能性能好。永磁同步电机不存在励磁功率，其功率因素几乎为1，正常工作时的效率超过95%。

(2)具有平直的效率曲线。即便负载保持在额定功率的25%左右时，永磁同步电机的效率仍然可以超过92%，有效保障了效率曲线的平直性。

(3)结构简单、维护便捷。从图1中可以看出，这种结构电机不存在滑环和电刷，结构比较简单且不存在易损件，维护很方便。

(4)调速精度高、范围广。电机输出转速与输入电源频率保持正比例关系，不会受到负载大小的干扰，具有很高的调速精度。

2 驱动控制系统整体方案设计

由于煤矿中使用的带式输送机，其输送的煤矿物料质量比较大，所以不管是在启动、制动，还是正常运行阶段都存在很大的转动惯量，这对设备的驱动控制系统提出了很高的要求。考虑到煤矿带式输送机的功率因素相对较大，同时为了提升设备运行过程的平稳性，采用双脉宽调制控制技术(PWM)结构对带式输送机进行驱动控制[7]。基于双脉宽调制控制技术结构的驱动控制系统整体方案原理如图2所示。

所谓双PWM结构电路指的是逆变电路和整流电路的构成完全一样，上述的2种电路都是基于PWM控制的间接交流变流电路。利用PWM技术对整流电路进行控制以后，可以确保输入的电源属于正弦波，并且和电源电压具有完全相同的相位，这样可以确保输入功率因素是1，有效避免了功率损耗问题，提升了电能的利用效率。另外，该方案还可以根据实际需要对中间直流电路电压进行调整，所以整体的调频效果比较理想。本驱动控制系统中使用的控制器为TMS320F2812型DSP控制器，具有很好的控制效率。

3 主要硬件部分的设计

由驱动控制系统整体方案可知，整个控制系统主要包括控制、驱动、检测电路，还包括外围电路等。以下主要对电路结构进行详细介绍。

3.1 控制电路的设计

控制电路的结构与功能整体上可以划分成为3部分，分别为控制芯片、数字信号接口、模拟量信号接口。在上位机上即可对控制芯片进行开发与调试，使开发调试时间大大缩短。数字接口的作用是对PWM信号以及速度信号等进行输出与显示。模拟接口的作用是对带式输送机的运行速度及电机的电流、电压等信号进行检测，在此基础上实现驱动控制系统的过压、欠压等保护。系统使用的是DSP控制器，该型号控制器为32位，具有良好的性能，运算精度和速度都很高[8〗。DSP最小控制系统的电路如图3所示。

DSP控制器基于RS232串口模式实现与工业计算机之间的数据通信。串行通信模块由MAX232双路驱动和接收器共同构成，对应的电路能够将3.3 V的电源转换成为满足标准且符合实际需要的电压等级。驱动器和接收器可以实现TTL/CMOS电平与EIA/TIA-232-E电平之间的互相转换。

3.2 驱动电路的设计

对于驱动控制系统而言，驱动电路是非常重要的构成部分，其作用是实现控制电路与主电路之间的连接。利用驱动电路可以将控制器下达的各种指令转换成为硬件设施能够识别的信号，驱动电路优良的重要标志是开关的损耗较小、开关时间较短，基于HCLP-316J系列驱动器设计的驱动电路原理如图4所示。

图2 控制方案框图Fig.2 Control scheme block diagram

图3 DSP最小控制系统电路Fig.3 DSP minimum control system circuit diagram

从图3中可以看出，处于左边的端口全部属于低电平有效，可以与DSP控制器直接进行连接。电路中包含有大量的电阻和电容，作用是防止电路中的电压过高，对驱动器硬件设置造成不可挽回的损伤。但是这些电阻和电容的存在会导致整个电路出现1 μs左右的延时，从而对系统性能造成一定程度的影响，如果开关频率大于100 kHz时，上述系统不再适用。R4和C13能够对各种故障信号进行滤波并且将信号放大，更加有助于DSP控制器规避外部干扰信号。

图4 驱动电路结构Fig.4 Structure diagram of the drive circuit

C12的作用是实现充电延时，该参数是驱动控制系统中比较重要的性能指标，数值大小直接反映了驱动控制系统对外界变化的响应速度。如果C12数值过大，虽然能在一定程度上提升系统运行的稳定性，但是会使系统的反应速度减慢，严重时会导致晶体管烧坏。电路中如果不设置C12电容，那么整个电路的集电极端电压将会超过7 V，过大的电压使得系统无法正常启动。即便集电极端的电压升高后降低，DSP控制器正常启动后，由于缺乏C12系统仍然无法正常工作。

3.3 保护电路的设计

煤矿带式输送机驱动控制系统在运行过程中不可避免地会出现各种故障问题。其中，常见的异常信号主要包括过电流、过电压、欠电压、闸间隙过大等。保护电路可以将上述的各种异常信号进行相与，然后把相与后的故障信号传输到DSP控制器故障断口，控制器收到故障信号后下达中断指令，对系统进行保护。驱动控制系统保护功能原理如图5所示。

图5 系统保护功能原理Fig.5 Principle of system protection function

常见的保护电路主要有过电压欠电压保护电路和过流保护电路，以下主要以前者为例进行分析。驱动控制系统的过电压和欠电压保护电路如图6所示。滤波电容两侧的电压能够很好地反映直流侧的电压值。因此，对滤波电容两侧电压进行测量即可获得电压大小。直流侧的电压首先经过R18和R19两个电阻进行分压，这样可以将较大的电压转换成为较小的等比例电压，该电压值再通过TLP559光耦合器实施线性隔离。该电压值最终输入到DSP控制器中，利用专用的比较模块将其与系统设定的正常范围进行比较，如果实际电压值超过或者低于正常范围，那么控制器就会下达对应的故障指令，系统停止工作。驱动控制系统在实践过程中可以对RP2和RP3两个可调电阻的阻值进行调整，从而调节电压的正常范围。

图6 过电压和欠电压保护电路Fig.6 Overvoltage and undervoltage protection circuit diagram

3.4 检测电路的设计

驱动控制系统中涉及很多检测电路，包括电流检测、电压检测、信号检测等，以下主要以电流检测电路为例进行分析。对于电流检测电路，必须具备有较高的检测精度和检测速度。结合实际情况选用的是LTS25-MP型霍尔传感器对电流进行检测，该设备能够检测的电流范围在0～80 A，正常工作时的电压为+5 V，输出的是模拟量信号，电压大小为0～4.5 V，在普通电流传感器的基础上使用了闭环磁补偿技术，使检测精度更高。霍尔传感器的电路原理如图7所示。

图7 霍尔传感器的电路原理Fig.7 Schematic diagram of circuit of Hall sensor

LTS25-MP型霍尔传感器内部设计了光耦隔离电路，能避免过电压现象对整个线路造成损伤，通过IN1和IN2两个引脚将霍尔传感器与主电路进行连接。利用传感器测量得到的是电压范围在0～4.5 V的模拟量信号，基于系统内置的程序进行处理后，可以获得对应的电流大小，信号电压与实际电流之间存在线性比例关系。在具体测量中，首先利用两个传感器分别对A相和B相的电流进行测量，然后根据理论公式计算得到C相的电流大小。

4 系统的模拟仿真分析

利用MATLAB软件对本文建立的带式输送机驱动控制系统进行模拟仿真分析研究，主要对设备的启动阶段以及正常运行时受扰动工况下的运行情况进行模拟分析。

4.1 启动阶段模拟仿真分析

传统的带式输送机在启动时属于硬启动方式，胶带速度在短时间内会快速增加到设定值，该过程会对设备造成明显冲击[9]。而本控制系统中，设备启动阶段按照“S形”曲线方式进行启动，属于“软启动”。模拟仿真时，在模型中将驱动电机的输出转速设置为120 rad/s，采样频率设置为400 Hz，同时伴随有一定的随机噪声。带式输送机启动阶段速度变化曲线及误差情况模拟结果如图8所示。

图8 带式输送机启动阶段速度变化曲线及误差分析Fig.8 Speed change curve and error analysis of belt conveyor during start up stage

从图8中可以看出，带式输送机在启动阶段严格按照系统设定的“S形”曲线软启动模式进行启动，并且胶带的实际运行速度与设定的运行速度之间具有非常好的吻合度，两者之间虽然有一定的误差，但误差完全在可以接受的范围以内，两者之间出现误差的主要原因在于系统运行时存在噪声干扰。由图8(a)可知，电机的输出转速由0按照“S形”曲线方式逐渐增大到120 rad/s，最后保持稳定运行。由图8(b)可知，带式输送机在整个启动过程中，实际速度与设定速度相差不大，只有在“S形”曲线的加速阶段，两者之间的误差相对较大，但是最大误差值控制在了±2.6 rad/s左右。出现误差以后，系统可以及时对电机输出转速进行调整，在短时间内确保了速度运行的稳定。

4.2 平稳运行阶段模拟仿真分析

由于煤矿开采是一个动态过程，所以在整个开采过程中带式输送机实际输送的煤矿物料质量会不断地发生改变[10]。驱动控制系统应该能够根据实际输送的煤矿物料质量对电机的输出转速进行调整，保证设备满足实际运输基本需求的基础上，降低能源消耗。带式输送机运行时会受到外部因素干扰，需要不断对速度进行调整。研究模拟分析了带式输送机平稳运行过程中，电机输出转速由120 rad/s降低到90 rad/s，然后从90 rad/s增加到120 rad/s过程中电机实际输出转速的变化情况。带式输送机平稳运行阶段速度变化曲线及误差情况模拟结果如图9所示。

图9 平稳运行阶段速度变化曲线及误差分析Fig.9 Speed change curve and error analysis in smooth operation stage

从图9中可以看出，当系统设定的带式输送机速度保持平稳时，电机实际输出的转速基本与系统设定转速保持相同，误差非常小，几乎可以忽略不计。但是在时间为600 s时，系统设定的输出转速出现突变，由120 rad/s降低到了90 rad/s，电机实际转速随之进行调整，且不存在超调现象，但存在一定的滞后性。当系统设定的输出转速在1 200 s时刻由90 rad/s增加到120 rad/s时，电机实际输出转速具有类似的变化规律。由图9(b)所示的转速误差变化曲线可知，当系统设定的电机转速出现突变时，电机实际转速与设定转速之间出现了一定的误差，速度存在一定的扰动。但是控制系统可以快速响应，在短时间内将转速误差控制为零。以上结果说明驱动控制系统具有很好的速度跟踪能力，能够对设备的运行速度进行快速稳定控制，控制精度较高。

5 应用效果评价

将以上设计的驱动控制系统应用到煤矿带式输送机工程实践中，对其实践运行过程的稳定性和可靠性进行分析，以验证该方案的可行性。完成驱动控制系统的部署工作后，对其进行了连续6个月时间的现场测验。结果发现，不管是在启动阶段、制动阶段，还是平稳运行阶段，该驱动控制系统都具有很好的控制效果，特别是在启动和制动阶段，可以实现设备的“软启动”和“软制动”，有效规避了启动和制动时对零部件造成的冲击和损伤，启动时的电流也得到了很好的控制。

由于使用了本文设计的驱动控制系统，带式输送机的运行过程变得更加平稳，因此设备的故障率与之前相比有了明显的降低，不仅降低了维护保养人员的劳动强度，还为煤矿企业节省了大量的维护保养成本。另一方面，使用永磁同步电机后，电能利用效率得到了显著提升，每部电机的电能消耗与之前相比降低了30%左右，具有非常明显的节能效果。初步估计，每台电机每年可以节省电费1.7万元左右。