一種礦用云臺攝像儀本安型電機的設計

張松陽

（北京天地瑪珂電液控制系統有限公司，北京100013）

0 引 言

隨著煤礦自動化技術的不斷發展，我國大部分礦區基本實現了綜采工作面少人或無人化生產[1]，地面操作人員可以在監控中心通過工作面視頻畫面，隨時掌握工作面設備的運行情況，并可通過遠程操作臺對工作面設備進行遠程遙控[2-3]。云臺攝像儀相比固定攝像儀來說，可以實現對運動中的液壓支架、采煤機等設備進行隨動監視與目標追蹤功能[4-5]，因此，研究礦用云臺攝像儀具有重要的意義。本文針對礦用云臺攝像儀的步進電機驅動控制系統的驅動電路、保護電路和電感電路能量控制進行了理論計算與研究，設計了相應的驅動電路板和保護電路板。

1 電機工作原理

礦用本安型云臺攝像儀可以水平旋轉180°，所采用的電機為兩相四線制步進電機，電機接線如圖1所示。它有兩組線圈，每組線圈有2個接頭，分別是A+、A-和B+、B-。該攝像儀步進電機驅動控制系統主要有4部分組成。①電機控制系統，由主板上的單片機構成，單片機發出控制指令，控制電機轉動方向和角度；②電機驅動系統，由電機驅動電路板構成，電機驅動芯片接收到單片機的指令后，輸出驅動電流，直接驅動步進電機轉動；③電機電路保護系統，由電機保護電路板構成，保障在發生斷路故障時，步進電機儲存的能量可以及時釋放，如圖2所示；④步進電機，將電脈沖信號轉換成相應角位移或線位移的電動機。每輸入一個脈沖信號，轉子就轉動一個角度或前進一步。

圖1 電機接線示意Fig.1 Motor wiring

圖2 驅動電路原理Fig.2 Driving circuit principle

2 電機保護電路設計

由于電機內部有兩組線圈，所以該電路為電感性電路。根據電感性電路的特點，在出現斷路故障時，線圈會產生很大的反向感應電動勢，以阻止電流突變，因此在斷點處會產生很高的電壓，容易發生輝光放電，產生電火花。

為了防止該情況的發生，采用續流保護原理，在電感線圈兩端并聯多個對接穩壓二極管，當切斷電機外部電路時，原有的電流通過穩壓二極管形成回路，電流變化率減小，降低線圈產生的感應電動勢。由于電機在正轉和反轉時流過線圈的電流方向不同，所以采用對接穩壓二極管的方式，保證無論在什么情況下，都有穩壓二極管處于反接狀態。穩壓二極管采用1N4742型齊納二極管，齊納電壓12 V，反向擊穿時的電流為0.25 mA，最大反向電流為76 mA，最大耗散功率為1 W。

以A組線圈舉例，假設正常情況下，電流由A+端流入線圈，由A-端流出。在斷路故障剛剛發生的時候，電機保護電路存在2種續流回路，此時電流變化率數值很大，電感線圈所產生的反向電動勢遠大于12 V，使得原本處于反接狀態的穩壓二極管D1、D2、D3和D10、D11、D12反向擊穿，形成續流回路，釋放電感儲存的能量，如圖3所示。

圖3 保護電路原理Fig.3 Principle of protection circuit

為防止電機內部出現斷路時保護電路無法發揮作用的情況出現，將電機、驅動電路和保護電路整體澆封保護，固定電路，確保內部不會出現斷路；同時確保排空內部空氣，與外部易爆炸氣體隔絕，即使內部出現斷路，也無法引燃易爆炸氣體。

3 電感電路能量計算

電機電感以及保護電路等效電路如圖4所示。

圖4 電機電感等效電路Fig.4 Inductance equivalent circuit of motor

已知電機電感9 mH，等效電阻11Ω，流過電流峰值0.5 A，以下計算以極端情況為例，在電感流過峰值電流0.5 A時，電感回路開路。

根據電感感應電動勢計算公式，可以得出公式（1）：

式中：L為電感值，數值為9 mH；I為電感電流；U為其上的電壓；t為所經過的時間。

又由圖可知，感應電動勢初始階段被鉗位在齊納二極管擊穿電壓、導通電壓、等效內阻電壓之和：

式中：UD1為二極管的正向導通電壓，約等于1.2 V；UD2為穩壓管反向導通電壓，約等于12 V；R0為等效內阻，約等于11Ω。

由公式（1）、（2）可得公式（3）：

利用matlab軟件進行繪圖，如圖5所示。

圖5 電流釋放曲線Fig.5 Current release curve

由圖5可知，在300 us左右，電流釋放到零，能量釋放完成。

4 感應電動勢測試

給電機施加電壓，使電機電流保持在0.5 A，手動斷開供電端回路，用示波器探頭抓取電感電流流向負端的感應電動勢曲線，如圖6所示。

圖6 感應電動勢測試曲線Fig.6 Test curve of induced electromotive force

經過實際測試，感應電動勢電壓被鉗位在14.2 V，在342 us時間內感應電動勢下降到0，即能量釋放完成，與理論計算的電流下降到0時間相同，證明理論計算正確，再根據如下的公式計算釋放的能量。

u在釋放時間內約等于一條直線，按照極值14.2 V計算，i為上述理論計算曲線，t=342 us，計算Q≈1.214 mJ。

而電感儲存能量按照如下公式進行計算：

根據已知L=9 mH，i=0.5 A，計算Q=1.125 mJ。

經過如上證明，電感兩端感應電動勢被保護電路鉗位在14.2 V，初始電流0.5 A，并在342 us內下降到0，感應電動勢在電流為0時消失。理論計算的能量釋放時間與實際測試能量釋放時間基本一致，同時保護電路能完全將電感儲存的能量釋放完成。本設計采用的保護電路可以有效保護驅動系統在斷路時不會被步進電機儲存的能量破壞。

5 結 語

針對礦用云臺攝像儀的本質安全型電機硬件電路進行了研究分析與設計實現，通過對該攝像儀步進電機驅動控制系統的驅動電路、保護電路和電感電路能量控制的計算分析，設計了驅動電路板和保護電路板。測試結果表明，能量釋放時間與實際測試能量釋放時間基本一致，同時保護電路能完全將電感儲存的能量釋放完成，使得保護電路可以有效保護驅動系統在斷路時不會被步進電機儲存的能量破壞。