礦井提升機變頻調速控制的關鍵技術

曲寶瑋

（山西華融龍宮煤業有限責任公司，山西 忻州 034114）

引言

礦井提升機（MH）是連接礦井和地面的重要運輸通道，在煤、礦石等材料的提升中被廣泛應用。在使用過程中，工作人員需要操作運輸機上井和下井運輸，控制設備升降和其他功能。可見，該設備在礦業工作中非常重要。提高MH 的性能不僅能夠提高經濟效益，還能進一步保障生產安全。由于MH 的使用功率較大，其生產工藝必須保障設備能夠安全運轉，相關技術必須受到礦山企業和技術人員的重視。

1 礦井提升機變頻調速控制原理

礦產企業的安全問題是國家高度關注的問題。國家安全生產監督管理總局對礦井提升機系統的規格提出了明確規定：礦井提升機應配備控制系統，并帶有行程、速度的檢測和顯示、松繩保護、過卷過放保護、故障狀態記憶等多個基本功能。通過礦產企業多年的實際工作和技術進步，科研工作者研制出功能較為完善的提升機控制系統，推動了礦井提升機的自動化控制技術的發展[1]。以多繩摩擦輪提升系統為例，提升機控制系統的工作原理框圖見圖1。

圖1 提升機控制系統原理

2 調速與行程控制的要求

礦井提升機的主要作用有礦物采掘、人員上下井、運輸作業設備、檢查運行等，但是，在實現上述各種功能時，其升降速率并不一致，因此需要對其驅動裝置進行平穩和精確的調整。在提高轉速的精確性方面，通常需要較低靜差率S 的提升機（例如，在高轉速時S＜1%），以減小系統減速器的行程偏差。這使得爬行的路程縮短，甚至不需要爬行段[2]。這樣就減少了起重時間，提高了起重性能，同時又確保了車輛的安全、精確。

行程控制也就是位置控制，可確保提升容器在指定位置精確地停止。其作用是以提升機的行程為基礎，來決定其轉速。在提升機的控制系統中，對不同的傳感器進行測量，例如：轉角脈沖變換、罐籠速度和位置、鋼絲繩打滑等，對罐體進行精確定位，并給出相應的控制指令。提升機可以有多種不同的工作速率，在一次起重作業中，相應的提升容器在井口的定位處會出現速度曲線，而且每個轉速信號給出的時間是不一樣的。當采用基于時間的自動控制方式時，必須為每一確定的轉速設定多個減速器，使提升系統的控制精細化；如果使用人工控制，即使能對給定的信號進行一定幅度的調控，也很難對其減速的瞬間和減慢進行有效的控制，使得起重機無法在達到起重系統所需的最優轉速和最優時段到達停車場，導致停車不準確，升降周期發生變化[3]。

3 控制系統硬件設計

3.1 提升機變頻調速控制策略

3.1.1 整流電路

三相A/C 電流通過二極管非可控整流橋被整流為二相D/C。由于其主要的輸出目標是大功率礦井提升機電動機，采用三相橋型全波整流器作為整流[4]。

3.1.2 濾波電容CF

由于該整流回路的輸出是脈動的D/C，因此需要用濾波器電容進行過濾。除對電壓波紋進行穩壓、過濾外，CF還具備整流器與倒相器的解耦功能，以消除他們之間干擾，為感應電動機提供無功功率。所以，中間D/C 電路的電容器需要更大的容量來儲存，這種電容也被稱作能量存儲電容。當系統停轉時，將電阻器R 設定成用于給電容器的放電環。

3.1.3 限流電阻RL與開關SL

因為CF的濾波器容量較大，并且在關閉的瞬間CF的電荷容量較大，為對整流橋進行安全防護，在換流器連接后，在線路中插入一個限流電阻器，使電容CF的充電電壓保持在可接受的限度之內。SL的作用是：在CF的充電達到某個限度后，SL就會被打開，從而使RL發生短路。

3.1.4 逆變橋

該方案中，三橋式六元電源轉換器模組構成三相逆變橋，該電路將二極管整流橋經整流后的D/C 電流反轉為可調節的交流電流，這即是變頻的關鍵環節，也是整個主電路的主要部分。由于MOSFET 具有較高的輸入阻抗值和較小的導電電壓損失，所以本文選擇了FGA25N120 的IGBT 作為電源轉換器[5]。

3.1.5 續流二極管

IGBT 組件中，續流二極管VD7-VD12 與各換流器并聯，其主要作用是將無功電流送至D/C 供電；在逆變橋運行時，在相同的橋臂上，有兩根倒相器不間斷地導通、關斷，因此VD7-VD12 持續電流二極管為其供電。

圖2 是AC 電機的主回路，它是一種電力轉換和驅動電動機的電力主要線路。

圖2 主電路

3.2 ARM處理器選型

LPC2131 是由ARM 技術公司授權的PHILIP 公司研發的一款以ARM7TDMI-S 內核為核心的馮諾依曼結構，其硬件性能如下：

1）微型LQFP64 封裝，通用16/32 位ARM7TDMI-S 微控制器。

2）在系統/在程序設計（ISP/IAP）中實施芯片內Boot 加載軟件。

3）EmbeddeDICE-RT 以及內置的追蹤界面可以實現對運行的代碼進行即時的糾錯和高速度的追蹤。

4）8 個10 比特的A/D 變換電路包括16 個模數信號，其變換速度在2.44 US 以內。

5）2 個32 比特定時/計數（4 路捕獲和4 路比較通道）、PWM單元。

6）多個串行接口，包含2 個16C550 的工業級UART、2 個高速I2C、SPI 和SSP。

7）向量中斷控制器。可配置優先級和向量地址。

3.3 基于ARM7-LPC2131 的數字化變頻控制系統

依據礦井提升機的變頻調速控制系統的工作特點，按照硬件的設計原則，給出相應的控制系統硬件原理結構框圖如圖3 所示。

圖3 系統硬件原理結構框圖

4 控制系統軟件設計

4.1 軟件功能與ARM開發流程

在構建了礦井提升機控制系統硬件平臺，并對其進行了硬件功能模塊的選擇和設計后，還要依據控制系統的各項功能進行相應的“制”，從而實現對該系統的軟件開發。圖4 是以軟件方案為基礎的ARM開發過程。

圖4 ARM 開發流程

4.2 矢量控制算法

控制系統軟件的設計要求是根據電動機的設定速度與反饋測量的電機速度進行對比，從而實現對電機的實時調節。同時，系統的穩定性和實時性都有很高的需求。該軟件能夠充分反映出該系統的運行性能，而帶有反饋的軟件控制更是實現了較好的實時性，大大地改善了系統的控制準確率。

基于矢量控制原理，對電動機的兩相定子電流和轉速進行取樣，采用克拉克轉換和帕克轉換，通過速度調節器、磁場d 軸、力矩q 軸的穩壓器生成一個電壓的空間矢量，采用ARM技術對電力主回路逆變橋進行控制，生成了一種用于驅動電機工作的空間向量PWM波。通過定時下溢中斷來實現對電流取樣和轉速取樣。片內的模數轉換器收集I2 傳感器傳出的信號，視為電流環內反饋的信號；再通過計算，了解轉子在磁場中的角度，旋轉磁場轉矩分量等，同時接收速度指令，對比實際轉速，實現電流和速度的控制結構，再對空間矢量進行計算，得出不同開關電壓情況，傳出六路PWM 信號，信號到達驅動板后，系統作出響應。矢量相關的模塊能夠判斷出電壓矢量值以及位置，對電壓進行實時調整，維持安全載波頻率，再輸出PWM改變后的波形，其流程如圖5 所示。

圖5 矢量控制算法流程圖

5 結語

在使用礦井提升機變頻調速控制技術的過程中，技術人員要深入了解技術原理，根據實際需求，選擇合適的設備技術。在硬件設計中，要優化控制策略，選取合適的處理器。在軟件設計時，要規范操作流程，做好矢量控制，提升設備抗干擾性，保證提升機運行質量，保證在復雜環境中能夠長時間運行。

[5] 王征.PLC 技術的礦井提升機變頻調速控制系統設計[J].內蒙古煤炭經濟，2020（14）：52-53.