采煤機自動化電磁調速控制系統的研究

宋宇奇

（晉能控股煤業集團晉華宮礦， 山西 大同 037000）

引言

采煤機為煤炭自動化開采的關鍵設備，在開采過程中，由于煤層工作面地質條件的復雜性，對采煤機的牽引系統要求操作簡便、具備較大的截割功率及較小的體積。開采過程中煤層的條件變化多樣，電牽引采煤機廣泛使用，對采煤機的截割系統要進行實時的調速[1]，以滿足不同的功率需求。針對截割系統的調速控制，對電磁調速系統進行研究，采用集成度較高的一體電機，減少占用的空間，保證采煤機較大的牽引力，較好的可控性能，提高采煤機的適應能力及使用范圍[2]，提高采煤作業的自動化水平。

1 采煤機電磁調速系統的設計

采煤機工作過程中，通過調整截割部滾筒的上下位置進行煤層的截割，當煤層條件發生變化時，采煤機受到的截割阻力隨之變化，這時通過調節牽引速度來保持采煤機的恒功率運行。電磁調速系統作為控制部，對截割機構及牽引機構進行協調控制[3]，同時對兩部分進行電流保護。電磁調速系統的結構如圖1 所示，由主控制器、操作站、信號監測站及遙控器共同組成，系統采用CAN 通信的方式進行通訊。主控制器接收來自監測站及操作站的信息，并進行處理，發出控制指令，操作站獲取主控制器的命令發出操作指令，通過LCD 設備顯示系統當前的運行狀態。

圖1 控制系統結構圖

控制系統采用CAN 總線的形式進行通信，這是煤礦控制系統網絡化發展的趨勢。CAN 總線作為高可靠性的總線控制方式，可以方便地將分布在不同位置的功能模塊進行連接。CAN 總線可以根據各功能模塊的優先級對總線進行數據訪問，支持遠程的數據請求，并可以對全系統的數據進行兼容，具有較大的靈活性。

電磁調速系統采用嵌入式技術實現，以STM32為微控制器，其原理如圖2 所示。STM32 微控制器作為電磁調速系統的CPU，通過軸角編碼器獲得滑差離合器磁極的轉動速度，計算出響應的偏差值，通過控制表的對比，將電流通過D/A 進行輸出，從而通過驅動電路控制滑差離合器的電流，在負載一定的工況下，調節電流的大小即可實現對轉速的調節，從而實現調節采煤機截割轉速的目的。

圖2 電磁調速系統原理圖

采煤機電磁調速系統通過調節電磁滑差離合器的電流實現對電機速度的調節，所采用的電機為鼠籠式異步電動機，電磁滑差離合器的電樞部分與電動機的轉動軸相連，磁極部分連接在負載軸上，相互之間沒有機械連接，從而通過電流值調節轉速的大小。

依據采集到的滑差離合器的速度調節電機速度，速度采集的準確性對系統的控制性能具有重要的影響。采用數字測量的方式對速度值進行測量，保證測量的準確性。在離合器的輸出軸上安裝軸編碼器，在工作過程中，輸出軸每轉動一圈，則輸出512個脈沖型號，采煤機電磁調速電機的輸出轉速為1 320 r/min，可以快速地將電動機的輸出轉速進行采集反饋，電磁調速系統的控制不需要快速調整。采用M 法進行測速，通過一定時間內測量的編碼器的輸出脈沖數進行計算響應時間內的平均轉速，作為對系統速度的反饋值，從而保證速度測量的準確性，并且可以減少數據傳輸的量及頻率，提高系統的可靠性。

2 采煤機電磁調速系統的仿真研究

煤層開采過程復雜多變，對于控制系統的響應速度及準確性具有較高的要求，對所建立的電磁調速系統的控制性能進行仿真研究。依據電磁調速系統的結構及原理建立電磁調速系統的Simulink 仿真模型如圖3 所示，給定控制值為150 r/s，通過偏差示波器查看控制系統的偏差曲線，對系統的階躍響應變化進行仿真分析，得到如圖4 所示的階躍響應曲線。

圖3 電磁調速系統仿真模型

從圖4 中可以看出，采用電磁調速控制系統的響應速度快，在系統的啟動過程中啟動平穩，能夠有效抑制系統的超調量，從而提高了截割系統的穩態性能，提高了系統響應的魯棒性。電磁調速系統的控制范圍寬，響應速度快，保證了采煤機牽引行走的穩定，增加了采煤機的爬坡能力，可以提高采煤機在傾斜煤層中開采作業的能力，提高了電機的安全可靠性，延長了電機的使用壽命，對采煤機的可靠運行提供了有效的保證。

圖4 電磁調速控制系統的階躍響應

3 結語

采煤機在進行煤巖截割的過程中，由于煤巖的復雜性，對采煤機的調速系統的控制性能具有較高的要求。采用STM32 微控制器，設計了電磁調速系統，通過M 法數字測量的方式對電磁滑差離合器的速度進行采集，保證了速度測量的準確性，依據模糊控制的決策對電磁滑差離合器的激勵電流進行調節，通過離合器與電動機之間的連接，實現了對截割電機速度的調節，使其適應不同煤巖變化的截割。針對所建立的電磁調速系統，采用Simulink 建立仿真模型，對其控制性能進行仿真分析，結果表明，電磁調速系統的階躍響應速度快，啟動過程平穩，具有較強的系統穩態性能，可以增強采煤機的爬坡能力，保證牽引行走的穩定性，提高了采煤機的適應性及可靠性。通過電磁調速控制系統，可以提高采煤機的生產效率，為煤礦的自動化開采提供了基礎，具有廣泛的使用意義。