煤礦井下電動車自動化驅(qū)動控制器的電路設計

張 敏

（神木市煤礦信息統(tǒng)計服務中心，陜西 神木 719300）

煤礦井下電動車是礦井作業(yè)的重要設備，為了滿足自動化、高效率作業(yè)的要求，必須使用配套的驅(qū)動控制器。基于閉環(huán)控制原理的自動化驅(qū)動控制器利用各類傳感器采集電動車運行期間的各種工況，以采集數(shù)據(jù)為輸入量，輸入DSP芯片中進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析，對電動車運行工況進行動態(tài)監(jiān)測。同時，DSP芯片還能根據(jù)分析結(jié)果發(fā)出相應的控制指令，利用驅(qū)動控制器使電動車保持理想的運行狀態(tài)，確保煤礦井下高效作業(yè)。

1 煤礦井下電動車自動化驅(qū)動控制器的整體架構(gòu)

該文設計的煤礦井下電動車自動化驅(qū)動控制器由主回路、控制回路、開關電源和信號采集模塊組成。其中，信號采集模塊與前端多種類型的傳感器（如速度傳感器、溫度傳感器等）連接，可采集蓄電池電壓與電流信號、蓄電池溫度信號以及剩余電量信號等。將信號輸入控制回路中，依次完成降噪、光耦隔離等一系列處理后，通過功率驅(qū)動模塊驅(qū)動煤礦井下電動車。驅(qū)動控制器的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 驅(qū)動控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

2 驅(qū)動控制器的電路設計

2.1 運動控制芯片

該文選用的運動控制芯片為TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812芯片，該芯片具備強大的數(shù)字信號處理能力，每秒可處理1億條指令，提高了系統(tǒng)響應速度和實時控制水平。芯片CPU的主頻可達148MHz，具有高頻低耗的特點，工作電壓僅需3.3V。采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，集成化程度較高，抗干擾能力較強，可在煤礦井下復雜環(huán)境中穩(wěn)定和精確地控制電動車。內(nèi)置128kB的Flash，1kB的ROM和4kB的ROM，能滿足基本的存儲需求，包括48個可編程的通信串口，支持芯片與外部傳感器、電源等多種電氣設備間完成信息交換。

2.2 主回路

驅(qū)動控制器的主回路由包括2個部分，其一是阻容吸收電路，其二是三相逆變電路，如圖2所示。主回路負責執(zhí)行運動控制芯片發(fā)出的功率流動變換指令，使電機的輸出電流完成從直流向交流的變化。

圖2 主回路電路圖

當電路出現(xiàn)開路時，會產(chǎn)生較大的瞬時感性負載，進而在開路區(qū)域形成自感電動勢。如果不采取能量吸收措施，很有可能出現(xiàn)負載絕緣擊穿現(xiàn)象，進而導致驅(qū)動控制器的硬件損壞[1]。因此，該文在設計系統(tǒng)主回路過程中增加了一個阻容吸收回路，可以吸收自感電動勢，并抑制由過電壓產(chǎn)生的瞬間震蕩，削弱電路開路對電氣設備和電子線路產(chǎn)生的影響。三相逆變電路的功能是防止主回路出現(xiàn)過壓、欠壓、過流和過熱等情況。

2.3 故障檢測電路

考慮煤礦井下作業(yè)環(huán)境較惡劣，驅(qū)動控制器投入使用后，受環(huán)境影響可能會出現(xiàn)短路、斷路等故障。為了保護電路中的重要元件，該文設計了故障檢測電路。當自動化驅(qū)動控制器啟動運行后，故障檢測電路同步上電，實時采集驅(qū)動控制器的運行數(shù)據(jù)并進行分析。如果檢測到異常數(shù)據(jù)，就會進行故障報警，并基于數(shù)據(jù)分析結(jié)果采取故障隔離等措施，將故障造成的不良影響降至最低。該文設計的故障檢測電路如圖3所示。

圖3 故障檢測電路圖

將3種信號進行“與（&）”運算后，以運算結(jié)果為輸入量，輸入DSP系統(tǒng)中。其中，IPM功率板上嵌入了光電隔離模塊，其功能是在驅(qū)動單元發(fā)生電氣故障后立即斷開驅(qū)動單元和數(shù)字控制單元間的連接通道，控制電氣故障影響范圍。

2.4 緩沖吸收電路

智能功率模塊（IPM）由絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和驅(qū)動電路、保護電路共同構(gòu)成，具有開關速度快、驅(qū)動延時小等優(yōu)勢。但是當功率器件關斷時，電路中會產(chǎn)生一個較大的浪涌電壓，造成IPM出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象。考慮浪涌電壓具有瞬時、高壓的特性，如果直接作用于功率器件，很有可能導致器件燒毀。因此該文在IGBT和驅(qū)動電路間設計了一個緩沖吸收電路。關斷浪涌電壓和二極管恢復浪涌電壓均可以通過緩沖吸收電路進行吸收，從而確保自動化驅(qū)動控制器運行安全。

根據(jù)緩沖吸收回路結(jié)構(gòu)的不同，通常有RC緩沖回路、充放電型RCD緩沖回路和放電阻止型緩沖回路3種類型。從實際應用效果來看，RC緩沖回路的電路結(jié)構(gòu)比較簡單，但是需要使用大容量的IGBT，造價較高，增加了成本；充放電型RCD緩沖回路的吸收能力較強，但是緩沖電阻的損耗較大，在高頻開關中很少使用；放電阻止型緩沖回路在抑制浪涌電壓方面有明顯優(yōu)勢，并且基本沒有損耗。因此該文設計驅(qū)動控制器時選擇放電阻止型緩沖回路[2]，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 IGBT關斷緩沖吸收回路

設計緩沖吸收回路時，吸收電容優(yōu)先考慮無感電容，其目的是在最大程度上降低吸收電容工作期間產(chǎn)生的寄生電感。同時，吸收電容的引線必須盡可能短，以保證IGBT的集電極電流較小，防止出現(xiàn)過高的感應電壓。

2.5 檢測電路

為了掌握驅(qū)動控制器的各項參數(shù)，該文設計了檢測電路，可以利用前端多種類型的傳感器實時采集并反饋各項參數(shù)，包括環(huán)境參數(shù)（如溫度、瓦斯?jié)舛鹊龋┖凸r參數(shù)（蓄電池剩余電量、電機輸出電壓與輸出電流等）。

2.5.1 電流檢測電路

電流檢測與控制是改變轉(zhuǎn)矩的必要前提，因此在驅(qū)動控制器中，電流傳感器是不可或缺的重要零件。為了使驅(qū)動控制器表現(xiàn)出良好的性能，所用的電流傳感器應當滿足精度高、速度快2個基本特性。理論上來說，從采集電流信號到將該信號反饋給CPU，所用時間不超過10ms。常用的電流檢測方法有光耦檢測、互感器檢測和電阻檢測等，該文選擇抗干擾能力較強的電阻檢測[3]。另外，直接從驅(qū)動控制器內(nèi)部電路中采集的電流信號會攜帶少量的高頻成分，可能會干擾檢測結(jié)果的精確性。因此，該文設計電流檢測電路時加入了一個單向的低通濾波器，可以保證輸入DSP芯片的電流信號具有較高的質(zhì)量。

2.5.2 剩余電量檢測電路

對自動化驅(qū)動控制器來說，保持蓄電池的電量健康是完成驅(qū)動控制的必要條件。為了更直觀、準確地檢測出蓄電池的剩余電量，該文選用SOC（荷電狀態(tài)）這一指標來表示蓄電池當時的工作狀態(tài)。SOC值越大，說明蓄電池剩余電量越多。通過設定SOC的閾值，當實際檢測到的SOC值低于設定閾值后，說明驅(qū)動控制器蓄電池的剩余電量不足，進而發(fā)出警報，提醒工作人員及時充電[4]。該文在設計剩余電量檢測電路時，選用了TI公司研發(fā)的BQ2016芯片來處理檢測數(shù)據(jù)，并將處理結(jié)果以百分比的形式呈現(xiàn)，直觀地展示剩余電量。該芯片具有尺寸小、動態(tài)電流范圍廣以及支持自動補償測量等特點，可用于鎳鎘電池、鎳氫電池的電量測量。

2.5.3 溫度檢測電路

煤礦井下通風散熱效果較差，再加上電動車負載較大，運行一段時間后電機與蓄電池的溫度會升高。當溫度達到一定值后，電器元件會停止工作，甚至會因高溫而發(fā)生電氣火災，威脅煤礦井下工作人員的安全。因此實時監(jiān)測電動車的溫度參數(shù)是十分必要的。該文設計的溫度檢測電路選用TI公司研發(fā)的XTR500電流發(fā)送器作為核心元件，電阻變化量為0.4Ω/℃，具有便于安裝、準確度高等特點。溫度檢測電路如圖5所示。

圖5 溫度檢測電路圖

如圖5所示，系統(tǒng)輸出的電壓信號先進入一個濾波電路中，能夠有效減少直流電壓中的交流成分，使輸出電壓的波形更平滑，并削弱信號干擾[5]。經(jīng)濾波處理后的電壓信號再通過電平轉(zhuǎn)換后輸入DSP芯片中。

2.6 故障保護電路

當系統(tǒng)檢測到故障即將發(fā)生或者正在發(fā)生后，除了發(fā)出警報提醒設備管理人員外，還要求立即隔離損壞器件，避免對正常器件造成聯(lián)鎖影響。為了達到這一目的，該文設計了故障保護電路，滿足自動化驅(qū)動控制器可靠和安全運行的需求。故障保護電路的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 故障保護電路圖

在驅(qū)動控制器的主回路中，需要重點保護的元件是功率驅(qū)動管。根據(jù)以往的設備維修經(jīng)驗，導致功率驅(qū)動管故障的主要原因是過流和過壓。因此該文設計故障保護電路時，重點對預防過流和預防過壓2個方面采取了保護措施。IGBT驅(qū)動板會對3路IGBT信號進行電壓檢測，并將實際電壓值與保護閾值進行比較。如果某一路的實際電壓值超過保護閾值，則自動關斷該線路，同時發(fā)出報警信號，并點亮相應的二極管，提醒設備管理人員故障所在位置，為下一步進行故障維修提供依據(jù)。

3 結(jié)語

煤礦井下作業(yè)設備的自動化、智能化發(fā)展是一種必然趨勢，在減輕井下作業(yè)人員工作壓力的同時，還能起到保障作業(yè)安全、提高作業(yè)效率等作用。電動車是煤礦井下作業(yè)的常用設備，該文結(jié)合電動車的運行需要，設計了一種自動化驅(qū)動控制器，可根據(jù)遠程指令或預設程序，自動驅(qū)動電動車完成作業(yè)任務。該文設計的驅(qū)動控制器支持溫度檢測、故障檢測和剩余電量檢測，前端傳感器檢測的信號輸入DSP芯片中，由芯片做出數(shù)據(jù)分析、處理，然后自動生成指令并發(fā)送至前端執(zhí)行器，從而對驅(qū)動控制器進行自動調(diào)節(jié)，能夠適應復雜的井下工況，具有廣泛的應用前景。