一種交流電牽引采煤機電氣自動控制系統的抗干擾設計方法

李 峰

（貴州永基礦業投資有限公司納雍縣新房鄉康金煤礦，貴州 貴陽 553311）

0 引言

為了提升煤炭資源開采率，減少資源浪費，相關企業利用可靠性高的交流電牽采煤機設備進行能源挖掘，通過電氣自動控制，實現煤礦高效開采。目前的電氣自動控制系統可以實現對采煤機的牽引控制、操作控制和系統故障診斷及保護，但該系統元器件數量較多且程序復雜，系統變壓器和電磁場產生感應后會對系統造成干擾，從而影響系統的控制性能[1]。因此，需要針對電氣自動控制系統展開抗干擾設計，提升系統的可靠性。

現階段，針對控制系統抗干擾設計已經取得了較大進展[2]。如在電機內施加復合控制系統，分別對系統實施不同階段的干擾抑制，構建Simulink 仿真模型，對電機系統的啟動和干擾階段進行有效分析，經研究發現該控制器可以使系統能夠平穩運行，即使加快轉速也不會產生波動，有著較強的抗干擾性[3]。針對控制系統的相鄰邊界抗干擾技術和抗噪聲干擾技術也是一種常見的抗干擾方案，這種方案通過對控制系統傳感器信號電流處理優化，有效對控制系統的相鄰邊界抗干擾和抗噪聲干擾實施有效處理，最終根據處理結果開展抗干擾性能測試，發現該方法的魯棒性高[4]。此外，將電氣自動化控制系統與PID 控制技術相結合，設計出IMC-PID 控制器，通過該控制器參數對系統穩定性、抗干擾能力等多種影響的分析，也可以實現較為理想的抗干擾性能及控制性能[5]。

然而，在實際應用中發現，由于上述三種方法沒有針對交流電牽引采煤機電氣自動控制系統結構展開分析，忽略了電氣自動控制系統中變壓器與電磁場的反應，限制了抗干擾能力。為此，本研究設計一種新的抗干擾方案進行抗干擾設計。

1 系統硬件抗干擾設計

在設計交流電牽引采煤機電氣自動控制系統前，需要制定一系列的抗干擾設計方案，用于實現抑制干擾源的目的，并有效切斷干擾信息的影響途徑。在本研究中，針對系統硬件，分別從主機單元配置、電源模塊、電磁模塊3 個角度設計抗干擾措施。

1.1 主機單元配置抗干擾

交流電牽引采煤機電氣自動控制系統中的主機單元一般為單片機單元，該單元中的復位電路和時鐘電路等結構極易受到電路干擾。為此，本研究以RC復位電路為例，完成對主機單元配置的抗干擾設計。通常情況下，上電復位的時間需要達到10 ms，才可以確保單片機電路可靠復位。而在這一過程中，增加復位電容，就會導致系統監視定時器WDT 出現信號復位困難的問題，所以需要在該主機單元中設置型號為MAX705 的監控芯片，令信號低電平復位脈沖寬度達到250 ms，保證系統電路的可靠復位。針對MAX705 監控芯片的特點，為避免系統主機單元雜散電荷的混亂，本研究在主機單元中設置了一個下拉電阻。下拉電阻可以抵消雜散電荷，從而使RC 復位電路信號恢復為低電平復位信號。

1.2 電源模塊抗干擾設計

交流電牽引采煤機電氣自動控制系統主要以交流電源供電，交流電源多為大功率的電子設備提供電流、電壓，也因多種因素影響導致交流電牽引采煤機電氣自動控制電源系統內出現大量噪聲，使電源系統出現脈沖干擾和持續干擾。為此，針對電源模塊，展開如下抗干擾設計：

①在電源輸入端加入濾波電路，通過π 型濾波器抑制交流電源中的噪聲。

②通過使用隔離變壓器，在電路輸入端和輸出端之間加入絕緣層，從而降低由電源線引入的外部干擾，有效地抑制電源線上的共模干擾。

1.3 電磁模塊抗干擾設計

在交流電牽引采煤機電氣自動控制系統中，高頻變壓器長期保持20 kHz 的運行頻率。一旦高頻變壓器處存在漏磁現象，很容易就會對電磁模塊產生干擾。為此，針對電磁模塊，展開如下抗干擾設計：

（1）由于漏磁現象可能導致對電磁模塊的干擾，因此，在電磁模塊和高頻變壓器外增加屏蔽殼體，對高頻變壓器進行漏磁屏蔽。

（2）在電磁模塊的輸入端和輸出端增加濾波電路，在電路中設置加裝抗干擾濾波器，濾除因漏磁而引入的高頻噪聲，防止噪聲進一步傳播。

2 實驗與分析

為了驗證上述設計的交流電牽引采煤機電氣自動控制系統抗干擾設計方法的整體有效性，設計如下實驗。

實驗以蒙特卡洛仿真的方式開展，以型號為MG2×40/200-BW 的交流電牽引采煤機為對象，該設備的滾筒轉數為82 r/min，最大牽引力為90 kN，實物如圖1 所示。

圖1 實驗用交流電牽引采煤機

針對交流電牽引采煤機的電氣自動控制系統展開抗干擾設計。設定系統的控制參數見表1。

表1 系統仿真參數

實驗中，對交流電牽引采煤機的電氣自動控制系統設置不同類型的干擾，包括寬帶干擾、已知耦合干擾、有界干擾以及電磁輻射干擾。

2.1 寬帶干擾、電磁輻射干擾下系統的誤比特率分析

在電氣自動控制系統中，帶通高斯白噪聲會對系統寬帶造成干擾影響，這是一種覆蓋較寬頻率范圍的干擾。為了驗證在寬帶干擾環境下的抗干擾效果，在控制過程中，加載20 dB 的帶通高斯白噪聲，并逐步將噪聲強度提高到120 dB。分析干擾環境下系統的誤比特率，計算式如下：

式中，Pb表示誤比特率，Q表示干擾程度值，N0表示功率譜密度，Eb表示碼元能量，J0表示干擾信號的單邊功率譜密度。

為了驗證方法的效果，對交流電牽引采煤機電氣自動控制系統抗干擾前后的帶寬干擾誤比特率開展有效測試，其測試結果如圖2 所示。

圖2 寬帶干擾環境下系統的誤比特率分析

分析圖2 中的數據發現，對交流電牽引采煤機電氣自動控制系統開展抗干擾設計后，寬帶干擾誤比特率有著明顯的下降，說明本文所提方法的抗干擾有效性強。

在此基礎上，在電氣自動控制過程中，增加脈沖型電磁輻射干擾，頻率為2 ～10 MHz，幅度范圍在0.1 ～10 V/m 之間，分析在電磁干擾環境下系統的誤比特率，結果如圖3 所示。

圖3 電磁輻射干擾環境下系統的誤比特率分析

根據圖3 測試結果發現，未應用本文方法實施抗干擾設計前，電磁輻射干擾對系統帶來的影響較大，導致系統的誤比特率較高；而采用本文所提方法實施抗干擾設計后，降低了電磁輻射干擾對系統造成的干擾影響，使系統的誤比特率下降，說明采用本文所提方法后，系統抗干擾能力增強。

2.2 系統輸出狀態分析

在上述實驗分析的基礎上，分析系統輸出狀態的平穩性，以此來分析本文方法的應用性能。本節實驗中，共設置了兩類干擾，一類為系統中的已知耦合干擾，第二類干擾為系統有界干擾。其中：

已知耦合干擾是由于兩個電路之間的耦合效應產生的干擾，通常具有確定的傳播路徑和模式。實驗中，設置已知耦合干擾的幅度為0.5 V，頻率范圍為1500 Hz。

有界干擾是指在一定范圍內變化的干擾信號，具有確定的上下界。實驗中，設置有界干擾的最大幅度為2 V，最小幅度為-2 V，頻率范圍在50 ～100 Hz 之間。

在上述兩種干擾下，系統的輸出狀態如圖4 所示。

圖4 不同干擾下的系統狀態對比曲線

對比圖4 可以發現，無論是在已知耦合干擾環境中，還是在有界干擾環境中，應用本文所提方法后，系統輸出狀態曲線較抗干擾前更加平穩，可見本文所提方法具有更高的抗干擾控制精度。

3 結語

針對電氣自動控制系統因受到環境干擾而產生的不穩定的問題，本研究提出針對交流電牽引采煤機電氣自動控制系統的抗干擾設計方法。在系統硬件中，該方法對主機單元配置、電源模塊、電磁模塊三部分設計了抗干擾措施；在系統軟件中，該方法主要針對以程序數字量和程序模擬量實施濾波抗干擾設計。

從實驗測試的結果可以看出，該方法的抗干擾性能較好，應用該方法后，交流電牽引采煤機電氣自動控制系統的誤比特率明顯降低，系統輸出狀態曲線更加平穩。