基于ARM控制平臺的礦井提升機調速控制系統應用研究

王先科，劉歡歡

(河南省煤炭科學研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

礦井開采工作面的提升系統是開采工藝中關鍵的運輸環節。提升系統的主要設備——提升機是連接礦井內外的運輸設備。提升機不僅承擔著運送煤炭物料的重任，還對一線作業人員的上下井進行運送。提升機性能的優越性關系到煤炭開采生產的效率和安全性。由于提升機的工作面覆蓋并延伸至礦井內外，配備了大型且復雜的機電系統，具有多個電氣系統組成才能保證提升機各類工藝動作的準確性。提升機在面對惡劣的工況環境時，通過長時間運轉后很容易發生超速、過卷等故障，對礦井的安全生產造成了威脅。《煤礦安全規程》對提升機在運行過程中的管理、監測以及后期的維護保養作出了強制性安全規定[1]。為了提高提升機的工作安全性和穩定性，有必要設計出一套控制系統對提升機的速度進行控制，并且及時了解工作運行參數，便于技術人員進行實時控制。針對提升機的異步電動機設計出變頻調速控制系統，能夠及時讀取提升機異常的數據信息，例如過卷、過放現象[2]。技術人員可通過變頻調速控制系統對提升機進行安全范圍內的調速控制，確保整體開采過程處于合理的速度范圍內，該系統對于在工程現場的實踐應用具有較大的價值。

1 變頻調速控制原理

1.1 變頻調速技術要求

(1)行程控制要求。礦井提升機根據不同的分類方式可分為多種型號類型，例如，根據鋼絲繩的裹卷形式可分為纏繞式和摩擦式。以常見的多繩摩擦式提升機為研究對象，由于提升機受到礦井工作面的空間限制，在提升行程位移方面具有一定的限制性，需對行程提出更加具體的要求。提升機控制系統原理如圖1所示，提升機在執行不同工序任務時的瞬時速度是不同的。

圖1 礦井提升機調速控制系統原理

為了提高對行程的控制精度，尤其是減小提升機在減速過程中的誤差，需要對圖1中的閘控電路的脈沖變換信號進行精準控制。對提升機在減速階段的每個速度點進行監測，根據速度變化逐漸增大信號采集的頻率，當提升機鋼絲繩通過輸出檢測傳感器時，都會給定一個速度信號。通過系統控制算法對2個檢測點的時間間隔數據，計算出鋼絲繩通過的行程，實時的調節電動機的轉速，實現對提升機行程的控制。

(2)狀態監測要求。通過提升機狀態的監測，實現后臺的調速操作是變頻調速控制系統的核心[3]。當提升機的工作狀態出現異常時，變頻調速控制系統能夠對異步電動機轉速進行及時的調控。配合礦井深度檢測器，預先判斷提升滾筒的加速、減速、停車的位置，要求調速系統不僅能直接調節電動機，還能間接對提升機內部電流、溫度進行監測，根據提升機不同的工作狀態實現變頻控制，減小能耗的輸出。

1.2 控制速度閉環PID 控制

為了提高對提升機控制速度的精確性，采用PID控制算法。該算法可以有效去除外界環境的干擾，實現閉環調速控制。 PID控制算法在ARM數字平臺下實現，利用ARM技術模塊，同時對滾筒位置信息和PID算法反饋信息進行計算[4]。閉環PID算法能有效減小載荷波動、電流波動等干擾因素的影響，并且擴大了變頻調速系統的工作范圍，尤其在提升機加速和減速的初期階段能夠有效提升平穩性。 PID速度控制邏輯如圖2所示。

圖2 PID速度控制邏輯

由圖2可知，變頻調速控制系統由轉速和電流的雙向調節，提升機參數的輸出不再是鋸齒形的數據線，而是一條平滑的拋物線，調速誤差得以無限減小。該閉環控制算法能將前饋控制與抗干擾性相結合，有效減小了系統的隨機誤差。

2 硬件設計

2.1 總體硬件方案設計

提升機變頻調速控制系統拋棄常規性以PLC作為中央核心處理器的設計規律，采用ARM處理器實現數字控制平臺[5]。ARM相對于PLC在能耗、編程控制、后期功能拓展方面更加具有優勢。面對復雜的礦井環境，ARM嵌入式處理器也能保證對各類信號數據實現準確的監控和收集。因此，在硬件設計方面以ARM作為中央核心，在此基礎之上拓展其他的硬件設施和功能。

2.2 功能模塊硬件設計

2.2.1 總體結構

調速控制系統的硬件設計主要包括驅動電路、檢測電路、保護電路的設計。每個電路系統都配置微控制器、A/D轉換接口、電流電壓檢測端，通過ARM嵌入式處理器對電路中的變頻器實現矢量控制。根據驅動電路、檢測電路、保護電路系統的直接聯系，設計硬件原理框架如圖3所示。

圖3 變頻調速系統硬件原理框架

2.2.2 驅動電路設計

驅動電路是實現提升機快速運行的系統，在安全范圍內有足夠的電壓和電流輸入至IGBT驅動芯片，通過中間的PWM隔離及驅動電路的橋接，實現了在大電感負載下提升機的快速啟停。 IGBT驅動芯片選用IR2233專用柵極芯片，該芯片內部有獨立的運算放大器，電流不僅可以實現正向輸入，還能模擬反饋輸入的效果。同時在安全方面，該芯片具有電流保護和欠電壓關閉的功能，可以同時關閉8個輸出通道。IR2233芯片的一共有16個管腳[6]，包括邏輯輸入故障、輸出放大器、輸入浮動電源等管腳功能。系統驅動電路如圖4所示。

圖4 驅動電路

2.2.3 檢測電路設計

檢測電路是提升機變頻控制系統按照一定頻率檢測電路運行狀態的關鍵電路系統。檢測電路主要分為電流檢測、電壓檢測、溫度檢測以及速度檢測。選用TBC06DS型號的電流傳感器，產生電流霍爾效應。通過運算放大器將電流信號編譯為定子電流檢測線路能夠讀取的信息。 同時電流檢測線路與電壓檢測線路要進行融合，實現光偶的隔離調整。電壓采樣線路是通過影響對電壓進行檢測，去除濾波雜質，最終完成電感和電容的濾波處理。速度檢測電路是變頻調速控制系統的關鍵電路。通過旋轉編碼器對2個脈沖序列的脈沖數進行確定，旋轉編碼器的選用型號為OMRON E6B2[7]，當提升機的電動機旋轉軸開始運行時，就會同時產生相位差為正交關系的2個脈沖信號。旋轉編碼器就會通過脈沖信號的方向，確定電動機速度變化情況。

LM75溫度測量電路如圖5所示。LM75為溫度傳感器，能夠將溫度的模擬信號轉換為數字信號，實現A/D轉換。轉換后的信號通過I2C總線傳送到各寄存器內，由LM75的各個邏輯地址管腳分配信號數據存儲地址。整個溫度檢測電路配置4個LM75，確保檢測信號的存儲地址不發生沖突。

圖5 LM75溫度檢測電路示意

2.3 硬件可靠性設計

變頻調速控制系統的硬件可靠性主要是提高對抗電子干擾的能力。主要包括4個方面：①電源線的合理設計。提高電源線的去耦能力，在設計電源線時應增加瓷片旁路電容。②提高地線抗電磁干擾的能力。選擇多點接地并保持接地點的間距在3 mm以上。當信號頻率達到10 MHz 時，將地線設計為閉環回路[8]。③合理對元器件進行布局。盡量使得同組元器件形成聚合效應，減小不同組之間的相互干擾。④設置去藕電容。集成電路都已經安裝0.01 pF的瓷片電容，如 RAM、ROM元件，增大抗噪性并減小電源參數變化過大所造成的不穩定。

3 軟件設計

3.1 軟件總體方案設計

(1)系統程序開發流程。變頻調速控制系統的軟件應該與硬件相匹配，充分發揮硬件設計的可靠性，并且能夠便于礦井技術人員的使用。采用有一套穩定可靠的工藝操作系統驅動硬件運行，經過對比，選用μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統作為軟件的開發環境。系統源文件程序在ARM平臺下運行，通過C語言進行編譯。ARM將獲得內部存儲器地址的尋址范圍，合理分配數據存儲的空間。經過調試程序以后生成執行文件，采用JTAG接口導入至Flash獨立運行，系統開發流程如圖6所示。

圖6 ARM系統程序開發流程示意

(2)速度控制算法方案。為了提高變頻調速控制系統的精確性，將速度信號的控制手段設計為閉環調速方式，有效的避免了速度變化、電流波動的外界干擾。通過采用積分分離的PID控制算法，可將信號反饋值進行穩定控制。調速范圍在提升機的起、制動階段獲得了更大的極限控制量，當提升機單位時間內速度幅值變化較大時，電動機的速度控制容易產生較大的誤差。當誤差進行積累時，就會影響后期的速度控制計算。采用PID控制算能夠有效的減小速度、控制偏差，通過積分分離的速度控制方式，能夠對速度偏差進行數值補償，如圖7所示。

圖7 PID控制算法流程示意

3.2 基于μC/OS-Ⅱ平臺的軟件設計

3.2.1 μC/OS-Ⅱ軟件結構

μC/OS-Ⅱ軟件平臺是針對于工業系統應用開發的新型軟件結構。μC/OS-Ⅱ軟件包括底層編譯程序、應用層、硬件操作層。通過應用層主要實現信號的收集、算法的優化執行、程序定義等功能。當應用層出現異常數據時，硬件操作者就會發出報警信號，重新對閉環算法進行優化。μC/OS-Ⅱ軟件是由多個檢測任務構成，包括9個具體任務。μC/OS-Ⅱ軟件不僅具備檢測任務執行命令，還將外接外部的驅動程序和應用接口，如圖8所示。

圖8 μC/OS-Ⅱ軟件結構示意

3.2.2 程序任務

(1)信號采集任務由電流、電壓、溫度信號為主要的采集對象，通過A/D轉換模塊將數據寄存至存儲器內。傳感器的輸入電壓為1.56V，根據電流的走向判斷正負采樣值，信號模塊在接收數據信號時。要注意 A/D轉換后的數字量是否能夠對機器識別。

(2)要實現速度的快速檢測任務。通常將檢測周期設置為4 ms，將速度脈沖信號設置為正交關系，可實現脈沖信號4倍幅值的放大[9]。PID閉環控制的中斷周期由于提升機運行的慣性過大，對于定子電流的獲取需要采用增量式旋轉編碼器。

3.3 程序抗干擾分析

由于礦井開采所使用的電氣設備較多，在空氣中出現了各類干擾電磁波。外界的干擾源雖然不會直接對軟件造成破壞，但是會通過硬件設施的損壞使得系統運行產生異常。因此，軟件的抗干擾具有一定的隨機性。軟件的抗干擾主要有3個方法[10-15]：①通過軟件內部的程序進行干擾攔截。設置軟件陷阱使得程序出現虛假運行，此時的軟件運行就會停滯，通過假中斷程序將命令指針回歸至初始狀態。②采用安全冗余抗干擾技術。除了濾波措施外，采用時間冗余技術將電流采樣只進行數據重新初始化，可有效的對外界的干擾信號進行消除。③設置看門狗定時器，時刻監測程序的運行狀態，不斷地對程序進行刷新，一旦發現異常，對于程序進行復位。

4 變頻調速系統仿真結果分析

4.1 仿真環境的建立

通過MATLAB仿真軟件中的Simulink模塊，建立提升機變頻調速控制系統的仿真計算模型。按照實際工況條件，對真實的工況參數進行設定。電動機的額定功率為1 300 W、額定轉速為1 600 r/min、綜合電阻為0.813 Ω，為了提高計算效率，設置三相電流的算法步長大小為50 μs。通過對變頻調速控制系統的電流、電壓與速度響應之間的關系以及變頻速度直接控制響應進行仿真計算。

4.2 測試結果分析

4.2.1 變頻調速的電流電壓測試

仿真測試所模擬的三相電源頻率分別為 10、20、35、50 Hz 時，電動機電壓與電流的波形。從這3種頻率下電動機的電壓、電流波形可以看出，控制系統可有效控制變頻器輸出不同頻率的三相電，隨著三相電源頻率的升高，電動機的三相電壓有效值都相應的增加，電流有效值則基本保持不變，輸出電壓、電流波形曲線比較光滑、平穩。電動機空載情況下，從啟動到停止的過程中，電動機電壓、電流有效值的變化曲線如圖9、圖10所示。

圖9 變頻調速過程電流波形示意

圖10 變頻調速過程電壓波形示意

由圖9、圖10曲線可以看出，電壓電流對于速度的變化做出了較好的響應，速度發生變化時，電壓電流相應發生改變，穩態下的曲線毛刺較少。該實驗有效驗證了系統對三相異步電動機的變頻控制的方案是可行的。

4.2.2 變頻速度測試

由于變頻的速度控制測試對變頻調速控制系統的試驗效果有重大意義，因此采用仿真計算與測試平臺相結合的方式進行驗證[16-20]。變頻速度測試的電氣平臺如圖11所示，速度測試平臺包括交流電動機和 TC-3C 提升機安全性能檢測儀。

圖11 變頻速度測試的電氣平臺

TC-3C提升機安全性能檢測儀是新型提升機綜合測試儀器，該儀器可對提升機運行速度、制動系統、系統總變位質量等安全性能和運行狀態進行科學診斷、測試、檢查和調整。本測試利用該平臺來模擬變頻調速過程并測試電動機輸出轉速。實測電動機輸出轉速曲線如圖12所示。

圖12 變頻驅動過程電動機輸出轉速曲線

從圖12可以看出，實測曲線與Simulink模塊中速度曲線變化趨勢基本一致，有著高度的擬合程度，進一步驗證了所設計的控制系統能有效實現對三相異步電動機的變頻調速。仿真和測試的結果表明控制系統可有效控制提升機的變頻調速過程，系統能產生正確的驅動波形并且驅動電動機正常工作；隨著電源頻率的升高，電動機三相電壓有效值相應的增加，電流有效值基本保持不變，輸出電流、電壓波形曲線比較光滑平穩，有效驗證了系統對三相異步電動機的變頻控制；電動機輸出轉速曲線與理論設計的Simulink模塊中速度曲線基本一致，證明了控制系統具有優良的調速性能。

5 結語

面對復雜惡劣的開采工作環境，提升機在變頻調速控制方面缺少有力的調控手段，無法有效地對工況信息進行分析、決策、反饋。為了實現提升機的變頻調速功能，快速響應外界環境變化，采用ARM的數字化平臺設計出提升機變頻調速控制系統的硬件和軟件組成，通過PID算法對調速實現閉環控制，減小了干擾信號的影響，尤其在提升機的變頻啟停方面有了更強的控制力。通過MATLAB軟件對系統進行仿真計算，結果顯示變頻調速系統對異步電動機實現了變頻控制，具有精準的調速性能，為提升機智能化電氣系統開發提供了依據。