一種礦用云臺(tái)攝像儀本安型電機(jī)的設(shè)計(jì)

張松陽

（北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京100013）

0 引 言

隨著煤礦自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，我國大部分礦區(qū)基本實(shí)現(xiàn)了綜采工作面少人或無人化生產(chǎn)[1]，地面操作人員可以在監(jiān)控中心通過工作面視頻畫面，隨時(shí)掌握工作面設(shè)備的運(yùn)行情況，并可通過遠(yuǎn)程操作臺(tái)對(duì)工作面設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控[2-3]。云臺(tái)攝像儀相比固定攝像儀來說，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)中的液壓支架、采煤機(jī)等設(shè)備進(jìn)行隨動(dòng)監(jiān)視與目標(biāo)追蹤功能[4-5]，因此，研究礦用云臺(tái)攝像儀具有重要的意義。本文針對(duì)礦用云臺(tái)攝像儀的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和電感電路能量控制進(jìn)行了理論計(jì)算與研究，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路板和保護(hù)電路板。

1 電機(jī)工作原理

礦用本安型云臺(tái)攝像儀可以水平旋轉(zhuǎn)180°，所采用的電機(jī)為兩相四線制步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)接線如圖1所示。它有兩組線圈，每組線圈有2個(gè)接頭，分別是A+、A-和B+、B-。該攝像儀步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要有4部分組成。①電機(jī)控制系統(tǒng)，由主板上的單片機(jī)構(gòu)成，單片機(jī)發(fā)出控制指令，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和角度；②電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板構(gòu)成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片接收到單片機(jī)的指令后，輸出驅(qū)動(dòng)電流，直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；③電機(jī)電路保護(hù)系統(tǒng)，由電機(jī)保護(hù)電路板構(gòu)成，保障在發(fā)生斷路故障時(shí)，步進(jìn)電機(jī)儲(chǔ)存的能量可以及時(shí)釋放，如圖2所示；④步進(jìn)電機(jī)，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)。每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。

圖1 電機(jī)接線示意Fig.1 Motor wiring

圖2 驅(qū)動(dòng)電路原理Fig.2 Driving circuit principle

2 電機(jī)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

由于電機(jī)內(nèi)部有兩組線圈，所以該電路為電感性電路。根據(jù)電感性電路的特點(diǎn)，在出現(xiàn)斷路故障時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生很大的反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，以阻止電流突變，因此在斷點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生很高的電壓，容易發(fā)生輝光放電，產(chǎn)生電火花。

為了防止該情況的發(fā)生，采用續(xù)流保護(hù)原理，在電感線圈兩端并聯(lián)多個(gè)對(duì)接穩(wěn)壓二極管，當(dāng)切斷電機(jī)外部電路時(shí)，原有的電流通過穩(wěn)壓二極管形成回路，電流變化率減小，降低線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于電機(jī)在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)流過線圈的電流方向不同，所以采用對(duì)接穩(wěn)壓二極管的方式，保證無論在什么情況下，都有穩(wěn)壓二極管處于反接狀態(tài)。穩(wěn)壓二極管采用1N4742型齊納二極管，齊納電壓12 V，反向擊穿時(shí)的電流為0.25 mA，最大反向電流為76 mA，最大耗散功率為1 W。

以A組線圈舉例，假設(shè)正常情況下，電流由A+端流入線圈，由A-端流出。在斷路故障剛剛發(fā)生的時(shí)候，電機(jī)保護(hù)電路存在2種續(xù)流回路，此時(shí)電流變化率數(shù)值很大，電感線圈所產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)遠(yuǎn)大于12 V，使得原本處于反接狀態(tài)的穩(wěn)壓二極管D1、D2、D3和D10、D11、D12反向擊穿，形成續(xù)流回路，釋放電感儲(chǔ)存的能量，如圖3所示。

圖3 保護(hù)電路原理Fig.3 Principle of protection circuit

為防止電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)斷路時(shí)保護(hù)電路無法發(fā)揮作用的情況出現(xiàn)，將電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路整體澆封保護(hù)，固定電路，確保內(nèi)部不會(huì)出現(xiàn)斷路；同時(shí)確保排空內(nèi)部空氣，與外部易爆炸氣體隔絕，即使內(nèi)部出現(xiàn)斷路，也無法引燃易爆炸氣體。

3 電感電路能量計(jì)算

電機(jī)電感以及保護(hù)電路等效電路如圖4所示。

圖4 電機(jī)電感等效電路Fig.4 Inductance equivalent circuit of motor

已知電機(jī)電感9 mH，等效電阻11Ω，流過電流峰值0.5 A，以下計(jì)算以極端情況為例，在電感流過峰值電流0.5 A時(shí)，電感回路開路。

根據(jù)電感感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算公式，可以得出公式（1）：

式中：L為電感值，數(shù)值為9 mH；I為電感電流；U為其上的電壓；t為所經(jīng)過的時(shí)間。

又由圖可知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)初始階段被鉗位在齊納二極管擊穿電壓、導(dǎo)通電壓、等效內(nèi)阻電壓之和：

式中：UD1為二極管的正向?qū)妷?，約等于1.2 V；UD2為穩(wěn)壓管反向?qū)妷海s等于12 V；R0為等效內(nèi)阻，約等于11Ω。

由公式（1）、（2）可得公式（3）：

利用matlab軟件進(jìn)行繪圖，如圖5所示。

圖5 電流釋放曲線Fig.5 Current release curve

由圖5可知，在300 us左右，電流釋放到零，能量釋放完成。

4 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)試

給電機(jī)施加電壓，使電機(jī)電流保持在0.5 A，手動(dòng)斷開供電端回路，用示波器探頭抓取電感電流流向負(fù)端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線，如圖6所示。

圖6 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)試曲線Fig.6 Test curve of induced electromotive force

經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電壓被鉗位在14.2 V，在342 us時(shí)間內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)下降到0，即能量釋放完成，與理論計(jì)算的電流下降到0時(shí)間相同，證明理論計(jì)算正確，再根據(jù)如下的公式計(jì)算釋放的能量。

u在釋放時(shí)間內(nèi)約等于一條直線，按照極值14.2 V計(jì)算，i為上述理論計(jì)算曲線，t=342 us，計(jì)算Q≈1.214 mJ。

而電感儲(chǔ)存能量按照如下公式進(jìn)行計(jì)算：

根據(jù)已知L=9 mH，i=0.5 A，計(jì)算Q=1.125 mJ。

經(jīng)過如上證明，電感兩端感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)被保護(hù)電路鉗位在14.2 V，初始電流0.5 A，并在342 us內(nèi)下降到0，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在電流為0時(shí)消失。理論計(jì)算的能量釋放時(shí)間與實(shí)際測(cè)試能量釋放時(shí)間基本一致，同時(shí)保護(hù)電路能完全將電感儲(chǔ)存的能量釋放完成。本設(shè)計(jì)采用的保護(hù)電路可以有效保護(hù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在斷路時(shí)不會(huì)被步進(jìn)電機(jī)儲(chǔ)存的能量破壞。

5 結(jié) 語

針對(duì)礦用云臺(tái)攝像儀的本質(zhì)安全型電機(jī)硬件電路進(jìn)行了研究分析與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)該攝像儀步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和電感電路能量控制的計(jì)算分析，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路板和保護(hù)電路板。測(cè)試結(jié)果表明，能量釋放時(shí)間與實(shí)際測(cè)試能量釋放時(shí)間基本一致，同時(shí)保護(hù)電路能完全將電感儲(chǔ)存的能量釋放完成，使得保護(hù)電路可以有效保護(hù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在斷路時(shí)不會(huì)被步進(jìn)電機(jī)儲(chǔ)存的能量破壞。