基于ARM的礦井提升機電控系統設計

張志宏

（山煤集團煤業管理有限公司晉東南分公司， 山西 長治 046600）

引言

對于采用豎井進行礦井生產的煤礦中，提升機發揮著不可替代的作用，而能夠控制提升機使其正常工作的電控系統也發揮著更為重要的作用。一個性能先進，運行穩定的控制系統直接關系到礦井的生產效率以及礦井的生產安全。傳統上使用的控制系統是由交流電驅動的，但是由于交流電存在比較大的弊端，因此采用變頻器調速技術以及ARM控制技術的原理來進行控制[1]。

1 控制系統整體結構設計

基于ARM的嵌人式礦井提升機控制系統能夠通過與通信總線與驅動部分的變頻器實現信息交互，以達到控制電機的目的。同時在整個系統的不同部位安放有各種傳感器，用于采集電氣以及機械方面的數據。比如說電壓、電流、高度、載荷、速度等。傳感器將采集到的數據傳輸到主控制器，控制器根據具體的算法策略來決定下一步的動作。基于ARM的嵌人式礦井提升機控制系統整體結構如圖1所示。

2 主控制器硬件結構

如圖2所示為整個控制器的硬件結構圖。通過圖中我們可以看出整個系統包括以下幾大模塊[2]：CPU/存儲模塊、通信模塊、通用IO模塊、電源模塊、程序下載接口模塊等。其中通信模塊主要包括三種通信方式分別是：串口通信、CAN總線、以太網通信等。主控制器外部還有一些人際交互的硬件設備包括LCD顯示器、鍵盤與各種傳感器等。其中鍵盤主要是起到控制和參數調整的作用。

圖1 控制系統整體結構

圖2 主控制器硬件結構圖

2.1 控制芯片選型

由于本系統需要的控制處理數據量較大，并且對控制速度要求較高所以本文選擇恩智浦公司主打的LPC系列微控制器具體的型號是LPC1788。本芯片采用ARM的公版架構已Cortex-M3為內核的一款主頻為120 MHz的32位處理器。本處理器內部帶有豐富的通信方式和存儲空間，其中程序的存儲空間為512 kB,程序的運行空間即SRAM為96 kB，其中支持的通信方式包括串口、以太網、CAN、USB等。這款處理器最大的優點就是內部集成了LCD控制器，色域較廣。

2.2 串口通信

本系統采用RS485方式與變頻器之間實現通信。LPC1788內部提供5個符合工業標準的串行收發（UART）接口，通過MAX13085芯片設計成標準RS-485接口，可以與帶有MODBUS協議的綜保及PLC進行通信。由于井下的環境比較復雜，所以要求我們設計的通信接口必須具有較強大的抗干擾能力，所以在線路上加入了光電隔離模塊和數據緩存器模塊。有時候串口會處于空閑狀態，為了節省有限度CPU資源這里加入了通訊使其能控制接口，當串口處于空閑狀態時可以通過CPU上的EN485_2端口輸出低電平來切斷串口與下位機的通信。由于485是通過差分信號來通信的所以在H和L兩條線中間通過電容連接起來可以濾除總線上的電磁干擾。使通信更加穩定。

3 變頻調速技術的發展應用

礦用提升機的運行需要嚴格按照規定的速度路線來實行，主要是由于提升機的運行速度快，質量大，工作狀況需要不停的變化所以只有按照預定的速度曲線運行才能實現安全穩定運行，一旦提升機失去控制將會造成巨大的損失，甚至會威脅到工作人員的生命安全。

變頻器的工作原理就是將工頻的交流電變化為可以變化頻率的交流電。由于交流電的頻率不同所以就可以通過頻率來控制電機的轉速，這樣便可以達到無極調速的目的。但有一點不同的是由于提升機的慣性比較大，所以當變頻器將頻率降低時電機不會同步的把轉速也降低，這中間會有一個緩沖的過程。而在這個緩沖的過程中電機會處于發電階段，一直到電機的速度降為所需要的值或者是停止。變頻器的調節速度以及控制電機的功能可以使提升機實現恒定的加速度或者是恒定的減速度。除了能夠精確控制電機還能夠在一定程度上對電機起到保護作用，包括過電流、過電壓以及過載等；與傳統串聯電阻的方法比起來更加節能。并且由于其集成化程度較高，避免了許多故障的發生，運行穩定。

3.1 交-直-交變頻

傳統的交直交變頻器是將交流電經過整流后變化為直流電，然后通過逆變器來實現將直流電變為可控頻率的交流電。如圖3所示，由于這種方式存在一個中間變化直流的過程，所以這種變頻方式被稱為間接式變頻器[3]。

目前可以應用的整流逆變電路方式比較多，可以實現可控或者是不可控。目前這兩種方式最經典的電路分別是由二極管整流橋組成的不可控整流電路以及由能夠實現功率控制期間組成的脈寬調制逆變器，如圖4所示。

交變頻器在整流后的濾波環節有兩種，一種是電壓源驅動的，一種是電流源驅動的。圖4由于中間是利用電容來濾波的所以是電壓源型的。而電流源型的標志是中間的濾波環節是由電感來實現的，如圖5所示。

圖4 PWM型變頻器

圖5 交-直-交電流源型變頻器

3.2 交-交變頻

如圖6所示為不經過直流變化的變頻器原理圖。只包括1個變化過程便可將三相交流的工頻電源直接變換為頻率可以任意調節的交流電源，不需要過多的中間環節，所以這種變頻器被稱為直接式變頻器[4]。

圖6 交-交變頻器

就變頻器的使用特點來劃分，間接式變頻器也就是交直交變頻器只要用于低電壓的供電驅動場合，比如說380 V或者是220 V。而直接式變壓器也就是交交變頻器主要是用于高壓場合的供電，一般用在大型礦井想提升機系統中。

4 軟件設計

如下頁圖7所示，首先是系統上電后的自我檢查過程，自檢過程大體可以分為兩部分，首先是檢查控制器內部有沒有故障，各個模塊工作是否正常。當內部檢查完畢后就要對整個提升機的系統進行檢查，包括電氣參數是否正常，分布在各個地方的傳感器信號是否正常，目前提升機所處的位置等一系列問題。如果這些檢查都沒有問題，就進行下一步的系統初始化，根據系統內部存儲或者是人機交互的參數設置進行配置系統的參數。其中包括LCD顯示驅動、鍵盤驅動、通信模塊等的驅動的初始化等。當初始化完成后就要進入到運行的主程序，根據傳感器采集回來的參數分析后將控制信息實時的下發到變頻器，由變頻器來控制電機。同時系統還必須將工作的實時狀況顯示到人機界面上。除此之外還負責將信息傳遞到地面的監控中心。當有故障出現時首先是判斷故障的級別，然后根據級別進行下一步處理，是只有聲光報警還是需要停機。

圖7 主程序控制流程圖

5 結語

ARM嵌入式控制系統加變頻器的礦井提升機控制方案在礦井下的普遍使用，大幅提高了礦井的生產效率，有效減少了事故發生的概率，尤其是在運行穩定性方面能夠做到較長時間內沒有故障發生，另外，由于變頻器的使用使電能的利用率大大增加，并且取得了非常明顯的經濟效益。