煤礦輔助運輸車輛智能調速控制系統設計

劉建軍 李志勇

摘 要：針對煤礦輔助運輸車輛傳感器易損壞、控制系統失調的問題，設計了一款基于無速度傳感器的輔助運輸車輛智能調速控制系統。根據MRAS系統基本原理，采用李亞普諾夫穩定性方案對實際車速進行預測。基于LPC1788 ARM芯片搭建智能調速控制系統硬件設計方案，并完成基于RealView MDK平臺的軟件設計，并在實驗室環境下完成小功率三相異步電動機的電壓、空載、負載試驗。結果表明：設計并實現的智能調速控制系統運行穩定，無失真、畸變現象，預測電動機轉速輸出穩定，跟隨性好。

關鍵詞：MRAS;智能調速;輔助運輸車輛

中圖分類號：TD529 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）19-0050-03

Abstract： Aiming at the problems of sensor damage and control system imbalance of coal mine auxiliary transportation vehicle， an intelligent speed regulation control system of auxiliary transportation vehicle based on speed sensor is designed in this paper. According to the basic principles of the MRAS system， the Lyapunov stability scheme is used to predict the actual vehicle speed. Build the hardware design scheme of the intelligent speed control system based on the LPC1788 ARM chip， and complete the software design based on the RealView MDK platform. The voltage， no-load， and load experiments of a low-power three-phase asynchronous motor were completed in a laboratory environment. The results show that the designed and implemented intelligent speed control system operates stably， without distortion and distortion， and predicts that the motor speed output is stable and has good followability.

Keywords： MRAS;intelligent speed regulation;auxiliary transportation vehicle

煤礦輔助運輸車輛是煤礦生產中的重要運輸裝置，多采用直流電動機進行調速控制，具有啟動轉矩大、過載能力強、恒功率運行等優點。但是，其在實際運行過程中也存在諸多問題[1-3]：第一，直流電動機的維護、維修成本較高，換向器、碳刷等易損易耗器件的更換頻率大，故障率高;第二，調速時，電阻器上的電能損耗大，電能浪費嚴重，且存在發熱的安全隱患;第三，換擋時操控性差，只能逐級換擋，且換向、調速間無閉鎖控制，存在安全隱患;第四，與變頻調速相比，系統的穩定性、精確性差。綜合考慮上述問題，采用交流電動機變頻控制技術實現輔助運輸車輛智能調速成為發展趨勢。本文基于煤礦輔助運輸車輛的惡劣、復雜運行環境，采用無速度傳感器的模型自適應方案估算、預測三相異步電動機實際轉速，建立以LPC1788芯片為核心的智能變頻調速軟硬件系統，實現煤礦輔助運輸車輛的智能調速。

1 智能調速的基本原理

煤礦輔助運輸車輛運行環境惡劣，常常出現傳感器進水、碰撞以及人為損壞等現象，造成運輸車的實時速度無法正確反饋，導致調速控制系統失靈。為解決上述問題，采用無速度傳感器矢量控制技術設計煤礦輔助運輸車輛智能調速控制系統。同時，采用模型參考自適應控制系統（Model Reference Adaptive System，MRAS）對輔助運輸車輛的電動機的磁鏈與轉速進行預測，保證系統性能。模型參考自適應控制系統（MRAS）的原理如圖1所示[4-5]，為并聯參數辨識結構（輸出誤差結構）。其中，[U]為系統輸入矢量，[X]為過程參考模型狀態矢量，[Y]為并聯估計模型狀態矢量。[X]與[Y]比較后將輸出誤差值矢量[V]傳入辨識算法模塊[X]，根據算法模型修正并聯估計模型，使輸出矢量[Y]無限逼近[X]，輸出誤差無限逼近0。圖1中的辨識算法常用的自適應定律有李亞普諾夫穩定性設計方案、波波夫穩定性設計方案兩種。

模型自適應系統的電動機定子、轉子電壓矢量方程可表示為：

將式（1）作為過程參考模型，式（2）作為并聯估計模型。式（1）中的[ψs]為前者狀態矢量，式（2）中的電動機轉子電流矢量[ir]為不可預測量，[ψr]為后者狀態矢量。因此，將式（2）轉換為式（3）：

根據MRAS系統要求，圖1中的參考模型、可調模型針對的是同一狀態矢量，即[ψr]，將[ψs]、[ψr]看作一個整體進行分析，則式（3）可進一步轉換為式（4）[6]：

式中：[Lr]、[Lm]為不變參數。根據式（4）預測輔助運輸車的車速，當運輸車速度較高時，有弱靜差和超調，進行PID調節時，需要選擇較小的[Kp]、[Ki]值，以減小弱靜差和超調引起的誤差;當運輸車速度較低時，需要選擇較大的[Kp]、[Ki]值，以縮短系統收斂時間，并延長系統的響應時間。總的來說，選擇MRAS系統預測運輸車車速時，[Kp]、[Ki]值應隨車速的變化而實時變化。

2 硬件設計

根據MRAS智能調速原理，設計煤礦輔助運輸車輛調速系統硬件。根據輔助運輸車惡劣、復雜的運行環境，重點考慮大啟動轉矩、強過載能力要求，設計的硬件方案如圖2所示。由圖2可知，設計的硬件主要包括蓄電池、升壓電路、數字/模擬濾波電路、驅動電路、線電壓檢測電路、溫度檢測電路、霍爾電流傳感器、信號處理電路以及鍵盤控制電路等。硬件系統的核心為LPC1788 ARM芯片[7-8]。LPC1788 ARM芯片的CAN總線通信口用于處理運輸車上位機顯示信號;I/O口用于處理控制指令信號、故障信號以及鍵盤控制信號;A/D接口用于處理運輸車輛調速系統的線電壓、溫度、電流等傳感器信號;脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）接口用于處理脈寬調制信號，并經驅動電路后將信號傳送至功率變換器進行處理，控制三相異步電動機運行。驅動電路選用的芯片為IR2110，開通時延為120 ns，關斷時延為94 ns;工作頻率最高可達500 kHz;具備獨立的高低端輸入通道以及光耦、電磁隔離能力。輔助運輸車輛智能調速系統硬件設計的電路分為弱電控制電路板和強電驅動電路板兩部分，并通過導電排進行連接，提升系統的可靠性和抗干擾能力。

3 軟件設計

根據煤礦輔助運輸車輛智能調速硬件設計方案，在RealView MDK開發環境中完成LPC1788 ARM芯片內部編程，實現智能調速功能，軟件設計框圖見圖3。首先，對LPC1788 ARM芯片硬件引腳分配的寄存器進行定義，并管理、調用各個具體的功能模塊;其次，在LPC1788 ARM芯片內移植μC/OS-Ⅱ操作系統，并完成操作系統的初始化工作;最后，結合LPC1788 ARM芯片自帶的電機控制算法以及MRAS系統速度預測方案編寫輔助運輸車輛智能調速軟件系統。在進行系統軟件編程時，采用多線程模塊化編程方案。根據調速方案將軟件系統分為7部分，即電壓、電流等模擬信號采集模塊，故障信號輸入檢測模塊，控制指令輸入檢測模塊，溫度檢測模塊，CAN總線通信處理模塊，串行通信處理模塊，鍵盤及上位機顯示處理模塊，并分別啟動7個線程，加快數據處理速度。

4 系統試驗

4.1 試驗條件

在實驗室環境下對設計的輔助運輸車輛智能調速系統機型進行試驗。選用的三相異步電動機的額定功率為40 W，額定電壓為380 V，額定電流為0.2 A，額定轉速為1 430 r/min，采用星形連接。采用USB接口+ULINK仿真器+JTAG接口將設計的硬件電路板與筆記本電腦連接，通過筆記本電腦輸入控制指令，完成對車輛的控制。輔助運輸車輛的外部電流、電壓、溫度、車速等傳感器信號經接口電路后傳送至LPC1788 ARM芯片內部;輸出的PWM信號經光耦隔離、驅動電路后傳送至功率變換器。采用示波器觀察電動機的電壓、轉速輸出波形。

4.2 試驗分析

第一，測試電動機在不同運行頻率時的電壓波形，運行頻率分別為20 Hz、30 Hz、50 Hz、60 Hz、80 Hz和90 Hz。實際觀察示波器輸出發現，未出現嚴重失真、畸變現象，僅有少量毛刺。

第二，測試電動機空載運行時的轉速波形。通過示波器觀察，轉速波形較平滑、穩定并快速跟隨實際轉速值變化。

第三，測試電動機負載運行時的轉速波形。在運行頻率為50 Hz、轉速為1 470 r/min，運行頻率為30 Hz、轉速為890 r/min的條件下，施加相同的阻力，測量電動機運行時的實際轉速波形。通過示波器觀察，實際轉速波形輸出穩定，未出現失真，具有穩定、良好的動態跟隨性。

5 結語

采用無速度傳感器的MRAS系統預測煤礦輔助運輸車輛的實際電動機轉速，完成基于LPC1788 ARM芯片的智能調速控制系統的硬件、軟件設計，引入μC/OS-Ⅱ操作系統管理軟件各功能模塊，實現多線程數據處理方案，提升調速系統的響應時間，最后在實驗室條件下完成智能調速控制方案試驗。利用示波器對三相異步電動機的運行電壓、轉速波形進行分析發現，未出現嚴重失真、畸變現象，轉速輸出穩定，跟隨性好。

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