立井提升機液壓制動系統及其控制器研究

左大偉

(西山煤電建筑工程集團有限公司 礦建第一分公司 ，山西 太原 030052)

0 引言

煤炭是重要的能源之一，我國的煤炭消費在一次能源中占比超過60%。立井提升機是連接煤礦井上井下的橋梁，不僅關系到煤炭和物料運輸通道的暢通，更關系到人員上、下井的安全。調查表明：在立井提升機故障中，由制動系統產生的故障占大部分，因此制動系統控制技術是保障立井提升機安全運行的重要技術。為此，本文對立井提升機液壓制動系統和控制器進行研究。

1 液壓制動系統組成及結構

液壓制動系統結構框圖如圖1所示，具體分為狀態監測模塊、主控制器、制動執行機構和傳感器部分。在對盤式制動閥常見故障進行分析的基礎上，總結出立井提升機制動系統各關鍵參數，然后開發出一種狀態監測裝置，監測對象包括油溫、油壓、電機電流、制動盤偏擺量、空動時間和閘瓦間隙等。狀態監測裝置將上述狀態量傳送給主控單片機，主控單片機一方面控制電液比例溢流閥和電磁換向閥，通過相關傳感器返回實際參數，實現閉環控制，另一方面通過RS485通信將狀態信息和控制信息發送給監控計算機，監控計算機再進行進一步處理與存儲，方便主控人員調取查看。電液比例溢流閥和電磁換向閥是立井提升機制動系統的被控對象。

圖1 液壓制動系統結構框圖

1.1 電液比例溢流閥

通過連續調節電液比例溢流閥的閥口開度，可以得到連續變化的液壓站出油壓力。為了能夠達到連續調節的目的，主控單片機發出的控制信號為PWM波，經過功率放大和MOSFET反接卸荷電路，驅動電液比例溢流閥動作。為了實現閉環控制和過流保護功能，通過電液比例溢流閥負載回路中串接的采樣電阻對電液比例閥的電流進行采樣。圖2 為電液比例溢流閥控制結構框圖。

圖2 電液比例溢流閥控制結構框圖

1.2 電磁換向閥

立井提升機液壓站的油路通常通過電磁換向閥進行開合控制，因此電磁換向閥的驅動與保護非常重要。電磁換向閥的工作原理是利用了電磁鐵，頻繁動作的電磁鐵耗能較多，因此設計中采用延時PWM波占空比的方式，降低電磁換向閥線圈保持電流，在保證可靠開啟和關閉的情況下達到了節約電能的目的。圖3為電磁換向閥控制結構框圖，主控單片機通過信號給定電路向PWM驅動芯片發送控制信號，PWM驅動芯片通過驅動主電路控制電磁換向閥的開度，狀態反饋電路檢測電磁換向閥的開度，返回給主控單片機，實現閉環控制。PWM驅動芯片的外圍電路有3組：振蕩頻率設置電路實現PWM載波頻率的調節，頻率越高，則控制平滑度越好，但是頻率過高會使得MOSFET開關損耗過大，因此需設置合適的載波頻率；延時電路能夠調節PWM波的時間，達到降低電磁換向閥線圈電流的作用；保護電路是保護MOSFET不在干擾信號的作用下意外導通。此外，電磁換向閥和PWM驅動芯片需要外部電源對其供電。

2 控制器結構及硬件設計

立井提升機液壓制動系統的主控制器是整個控制系統的核心，通過狀態監測裝置發送的相關參數，經控制器程序處理后，完成對比例溢流閥和電磁換向閥的控制。圖4為控制器結構框圖。

圖3 電磁換向閥控制結構框圖

圖4 控制器結構框圖

如圖4所示，控制器的硬件包括主控單片機、電流采樣與過流保護電路、模數轉換電路、功率放大電路、485通信電路和電源電路等。

2.1 主控單片機

AT89S8253是Atmel公司生產的一種低功耗、高性能8位單片機處理器，具有12 kB Flash程序存儲器和2 kB數據存儲器。AT89S8253采用高密度且非易失性存儲器制造，與常用80C51系列單片機產品完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適用于常規編程器。在嵌入式應用控制系統中，AT89S8253是一種高靈活、高效率的微處理器。

2.2 電流采樣與過流保護電路

在比例溢流閥線圈回路串聯一個采樣電阻，其阻值盡量小以降低其對線圈阻抗的影響。取采樣電阻的電壓經光耦隔離和信號調理電路對其進行功率放大與濾波后，輸出到模數轉換電路，進而轉化為單片機能夠接收的數字信號。圖5是過流保護電路原理圖，電液比例溢流閥線圈過流保護電路實際是一個電壓比較電路，電流采樣電路轉換后的電壓信號經過一個電壓比較電路，與預設電壓進行比較，若出現過流信號，則過流保護輸出信號EC變大，EC經光耦和功率放大后可控制MOSFET關斷，保護電路。

2.3 模數轉換電路

狀態監測裝置中的電壓傳感器、電流傳感器以及電液比例閥控制裝置中的角加速度傳感器信號，經信號調理電路處理后，轉化為合適大小的模擬信號，這些模擬信號不能直接被單片機接收，需經過模數轉換電路進行處理，轉換成單片機能夠接收的數字信號。本系統采用的模數轉換芯片為ADS7852Y，其具有8路信號輸入通道，其中1路～6路為狀態監測裝置電壓電流通道，7路為滾筒角速度通道，8路為電液比例閥角加速度通道。ADS7852Y輸出精度可達12位，供電電源為5 V。

圖5 過流保護電路原理圖

2.4 功率放大電路

單片機發出的PWM控制信號需經過功率放大電路驅動MOSFET，進而通過比例閥感性負載控制電液比例溢流閥，功率放大電路電氣連接框圖如圖6所示。選用IR2100作為功率放大芯片，其高低電平輸入通道HIN、LIN各自獨立，且邏輯電平為5 V～15 V，無需單獨配置電源。控制信號PWM_H、PWM_L經光耦芯片HCPL-817-30LE隔離輸入到功率放大芯片IR2100，控制MOSFET反接卸荷式電路，MOSFET開通時系統運行；MOSFET關閉時,比例閥感性負載承受反壓電流下降。

圖6 功率放大電路電氣連接框圖

2.5 485通信電路

485通信電路采用RSM485CT芯片，其內部電源相互隔離，具有接口與總線保護功能，供電電源為5 V，傳輸波特率為9 600 b/s。

2.6 電源電路模塊

根據各電路供電需求，控制器的電源為直流+5 V、+7.5 V和+24 V三種，各類型用電負載見表1。

表1 控制器各類型負載

3 控制器軟件設計

控制器的軟件包括控制器主程序、信號采樣子程序、模數轉換子程序、數據處理子程序、外部ROM存儲子程序、模糊控制子程序、PWM波占空比子程序和RS485通信子程序等。本文僅對控制器主程序和PWM波占空比調節子程序進行說明。

3.1 控制器主程序

控制器的主程序流程如圖7所示，程序開始，系統首先完成初始化與自檢，然后通過電壓傳感器、電流傳感器和角加速度傳感器進行數據采集(設定采集數據為5次，以保證數據的有效性)，當獲取5次采集數據之后，將數據進行模數轉換并在ROM中存檔，然后進行制動信號判斷，若制動信號為“是”則進入模糊控制子程序，然后通過調節占空比改變比例溢流閥的開度，若制動信號為“否“則不動作。所有的動作信號通過485通信子程序向上位機傳達。

圖7 控制器主程序流程

3.2 PWM波占空比調節子程序

圖8為PWM波占空比調節子程序流程，將主控芯片單片機內部定時器1(T0)設置為T2模式，即自動重裝模式。n為計數器計數值，N為占空比計數值，T為周期計數值。當到達給定計時時間后，計數器計數值n加1，并將其與給定占空比計數值比較，若小于則輸出高電平，否則輸出低電平。一個周期結束后重置計數器計數值為1，最后判斷標志位結束子程序。

4 結論

立井提升機是井上井下運輸通道的關鍵設備，其安全可靠運行不僅關系到煤炭和物料運輸的暢通，還關系到井下工作人員的生命安全。本文對礦用立井提升機液壓制動系統控制技術進行了研究，以提高設備維護人員對其工作原理的認知，對煤礦安全生產具有重要意義。

圖8 PWM波占空比調節子程序流程