自供電的帶式輸送機速度監測系統研究

隋 淼 宗 鳴

自供電的帶式輸送機速度監測系統研究

隋 淼 宗 鳴

（沈陽工業大學電氣工程學院，沈陽 110870）

針對現有遠距離帶式輸送機速度監測系統因供電線路過長導致成本過大的問題，本文設計一種自供電的帶式輸送機速度監測系統，利用輸送機的托輥帶動發電機發電，發電機為監測系統供電的同時，單片機測量發電機輸出電的頻率。通過發電機頻率和轉速的關系，計算出托輥及輸送帶的線速度。首先設計基于STM32單片機的速度監測系統，然后設計一臺外轉子永磁同步發電機，接著設計監測系統的供電電路，再通過Ansys Simplorer軟件對發電機和外電路進行聯合仿真，得出發電機負載時的輸出電壓波形。將得出的電壓波形通過Proteus軟件送至供電模塊和速度監測系統進行仿真，驗證了系統的可行性。

帶式輸送機；外轉子永磁同步發電機；速度監測

0 引言

帶式輸送機作為現代工業的運輸工具，被廣泛應用于煉金、礦業、石化、港口運輸、建筑等領 域[1-3]。但帶式輸送機運輸系統也存在著很大的隱患，即一旦發生打滑、斷帶、卡死等問題會導致嚴重的經濟損失[4-6]。輸送帶實時的運行速度能夠很好地反映輸送機的運行情況，因此，為確保帶式輸送機穩定運行，常對帶式輸送機的速度參數進行實時監測。長距離輸送帶中各種保護和監測系統的供電需要長距離的輸電線路，導致輸電成本巨大[7-8]。對于此問題，現有的輸送機監測技術采用無線傳感器和無線供電兩種辦法。無線傳感器皆由電池供電，供電能力有限，需經常更換，會耗費較大的人力并造成環保問題；無線供電技術過于復雜，且成本巨大，應用的性價比極低[9-10]。

本文通過一臺測速發電機對輸送機的速度進行監測，并通過此發電機為監測系統供電，實現了自供電的輸送機速度監測。

1 輸送機皮帶速度的檢測方法

帶式輸送機的線速度難以直接測量，而輸送帶的托輥線速度與輸送帶線速度是相同的，故可通過測量托輥線速度間接測量輸送帶線速度[11-12]。托輥的轉速可以通過檢測托輥所帶動的發電機轉速得到。

為方便發電機安裝和拖動，設計為外轉子發電機。發電機定子軸固定在輸送機機械結構上，外轉子機殼與托輥輥皮接觸，隨著托輥輥皮一起旋轉。發電機的轉速和電動勢頻率具有以下線性關系[13]，即

式中：為發電機的轉速（r/min）；為發電機電動勢頻率（Hz）；為發電機極對數。

由式（1）可知，發電機的轉速可以根據發電機輸出電的頻率計算得到。發電機的轉速和輸送機的線速度之間的關系為式（2），可以通過式（2）計算得到托輥及傳送帶的線速度。

式中：為輸送機線速度（m/s）；為發電機轉子直徑（包括機殼）（m）。

根據式（1）和式（2）得到帶式輸送機輸送帶線速度為

本文利用單片機檢測發電機輸出的交流電頻率。將發電機輸出的交流信號經過處理變為單片機可以識別的方波信號，然后定時器定時，同時計數器對高低電平變化次數進行計數，單位時間的計數值即為交流信號的頻率。

綜上，通過檢測發電機的頻率可以計算得出輸送機皮帶的線速度。

2 基于單片機的速度監測系統設計

輸送機速度監測系統工作流程如圖1所示。本文利用光耦合器和上拉電阻將交流信號整形為方波信號，供單片機檢測。交流信號整形為方波信號電路如圖2所示。

發電機一相的交流電經過電阻2降壓后輸入發光二極管，當交流電正半周輸入時，發光二極管導通并發光，光敏晶體管受光照導通，CC經過1分壓，輸出高電平；當交流電負半周輸入時，發光二極管關斷，光敏晶體管同時開斷，輸出低電平，如此便將交流信號整形為方波信號輸出。

圖1 輸送機速度監測系統工作流程

圖2 交流信號整形為方波信號電路

本文使用STM32單片機對方波信號進行檢測。方波信號輸入單片機I/O口，內部定時器定時，計數器記錄高低電平變化次數，計算頻率，然后根據式（3）計算得到傳送帶線速度并在LCD1602液晶屏上實時顯示，計算結果精確到小數點后三位。

3 發電機設計

本文用Ansys Maxwell軟件搭建的外轉子永磁同步發電機模型如圖3所示。考慮到外轉子永磁同步發電機定子軛部磁通密度不高，槽形選擇平行齒梯形槽，減小了定子軛部的厚度，相對于平行齒梨形槽增加了槽面積[14-15]。繞組采用分數槽集中繞組。發電機鐵心采用DW315—50冷軋硅鋼片[16]，其飽和磁通密度在2T左右。發電機采用NdFe35型號釹鐵硼永磁材料勵磁，其剩磁達到1.1T，矯頑力890kA/m。發電機主要參數見表1。

圖3 外轉子永磁同步發電機模型

表1 發電機的主要參數

對發電機的空載狀態進行仿真，將零電流激勵作為激勵源，仿真得到電機空載磁通密度分布云圖如圖4所示，電機空載時三相感應電動勢波形如圖5所示。

圖4 電機空載磁通密度分布云圖

空載時發電機的三相感應電動勢波形呈良好的正弦性，峰值為9.3V左右，有效值達到6.8 V。

空載時發電機的磁通密度分布合理，基本磁路無飽和，齒部磁通密度最高，其峰值達到1.98T。圖4表明DW315—50硅鋼片可達到較優的使用性能。

圖5 電機空載時三相感應電動勢波形

4 供電模塊設計

速度監測系統的供電模塊電路如圖6所示。三相整流部分采用三相橋式整流電路。因STM32芯片和1602液晶電路電壓需求為3.3V，故采用LM1086—3.3V穩壓模塊使整流后的電壓穩定為3.3V，并在LM1086穩壓模塊前后分別用兩對電容濾波[17]。圖中VD7作為穩壓模塊的續流保護。

圖6 速度監測系統的供電模塊電路

5 速度監測系統的仿真驗證

因現有的仿真軟件無法對發電機與單片機進行聯合仿真，故本文用兩款軟件進行仿真，將得到的結果進行連接。首先用Ansys Simplorer軟件（電機聯合仿真軟件）將發電機模型和外電路進行聯合仿真，得到發電機負載時的輸出電壓波形，并將波形圖以Excel形式輸出并保存。然后在Proteus軟件（單片機仿真軟件）的激勵源選項中，選擇自定義激勵源，將上述的Excel數據通過軟件自帶的轉換功能轉化為自定義激勵源。最后用此激勵源作為輸入對速度監測部分進行仿真，實現了兩款軟件仿真數據的連接。

取發電機轉速450r/min為仿真值，根據式（2）計算液晶屏應輸出線速度為0.895m/s，現對系統進行仿真，驗證仿真結果與理論計算結果的一致性。

5.1 電機與外電路聯合仿真

因為Ansys Simplorer軟件不能仿真單片機，而且缺少穩壓集成模塊，本文將單片機模塊用一個恒功率負載CPL來代替，LM1086穩壓模塊用3.3V的穩壓管代替。發電機與外電路聯合仿真電路如圖7所示。

圖7 發電機與外電路聯合仿真電路

因圖7中三相負載對稱，發電機三相的輸出電壓波形只存在相位差，其他都相同，所以只需設置一塊電壓表VM1。仿真得出發電機負載時一相的輸出電壓波形如圖8所示。

圖8 發電機負載時一相輸出電壓波形

發電機負載輸出電壓波形滿足整形為方波信號的要求，峰值約8.8V，有效值6V，滿足供電需求。

5.2 基于Proteus的電路仿真

在Proteus軟件中，因為軟件默認單片機已供電，故對供電模塊和單片機速度監測部分分別進行仿真。將圖8得到的發電機負載時輸出電壓波形分別輸入供電模塊和單片機模塊進行仿真。供電模塊仿真電路如圖9所示。

圖9中，在穩壓模塊前后各安放了一個電壓表，表VM1示數在7.5V左右波動，波動值為±0.5V，通過穩壓模塊及再次濾波后，表VM2示數在3.3V左右波動，波動值為±0.1V，兩次濾波的效果明顯，信號波動越來越小。表VM2的示數表明供電模塊可以給單片機供電。

對于速度監測模塊的仿真，因發電機輸出的三相頻率是相同的，只取單相輸入即可測得頻率。速度監測模塊整體仿真如圖10所示。圖11為仿真得到的示波器波形圖，即整形得到的方波信號。

圖9 供電模塊仿真電路

圖10 速度監測模塊整體仿真

圖11 方波信號波形

從圖11可以看出，整形后方波波形良好，沒有畸變，可以輸入單片機I/O口。

對于速度監測部分的仿真，圖10中LM1602液晶屏顯示的速度為0.895m/s，基本無波動，偶爾波動幅度為±0.01m/s。原因為發電機輸出的電壓信號不呈絕對的正弦性，導致交流整形后出現誤差，但誤差在可接受范圍內。

綜上可知，帶式輸送機速度監測系統的仿真結果與理論計算值基本一致。

6 結論

針對遠距離運輸的帶式輸送機速度監測及其供電問題，本文設計了一臺小型外轉子永磁同步發電機為基于STM32單片機的速度監測系統供電，并通過檢測發電機輸出的交流信號頻率，計算出輸送帶傳輸速度。本文選取發電機額定轉速為仿真值，對系統進行仿真，仿真得出的值與理論計算值基本一致，證明了本文設計的速度監測系統的可行性。本文利用一臺測速發電機和配套系統既實現了對輸送機速度的監測，又解決了現有監測技術所存在的供電問題。同時，本文提出的自供電監測方式可為其他遠距離帶式輸送機運行狀態的監測、保護和其他配套系統的供電方式提供參考。

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Research on the self-powered belt conveyor speed monitoring system

SUI Miao ZONG Ming

(School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870)

Aiming at the problem that the existing speed monitoring system of long-distance belt conveyor is too long, which leads to excessive cost, this paper designs a self-powered speed monitoring system of belt conveyor. The idler of conveyor is used to drive the generator to generate electricity, while the generator supplies power to the monitoring system. The system measures the frequency of the generator output electricity, and calculates the linear velocity of idler and conveyor belt through the relationship between generator frequency and rotating speed. At first, the speed monitoring system based on STM32 single-chip microcomputer is designed, then an outer-rotor permanent magnet synchronous generator is designed, and the power supply circuit of the monitoring system is designed. Then, the generator and the external circuit are simulated jointly by Ansys Simplorer software, and the output voltage waveforms of the generator under load are obtained. The voltage waveform is given to the power supply module and speed monitoring system by Proteus software for simulation, which verifies the feasibility of the system.

belt conveyor; outer-rotor permanent magnet synchronous generator; speed monitoring

2021-01-26

2021-02-07

隋 淼（1996—），男，碩士研究生，主要研究方向為帶式輸送機參數監測系統。