礦井電機車的控制系統(tǒng)設計解析

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摘要：以DSPIC30F6010A單片機為核心，設計了一種電機車變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，并從硬件和軟件兩方面對系統(tǒng)的構(gòu)成要素和主要特性進行逐一分析，最后針對其實際應用效果進行分析。結(jié)果表明所設計控制系統(tǒng)可以有效調(diào)控電機車運行，是確保電機車安全、穩(wěn)定、低能耗運行的重要保障。

關鍵詞：電機車;控制系統(tǒng);設計分析;軟件程序

引言

井下軌道電機車作為煤礦生產(chǎn)作業(yè)過程中所不可或缺的關鍵核心運輸裝備，其依據(jù)速度調(diào)控方式的差異可分為直流牽引電阻調(diào)速、直流牽引斬波調(diào)速和交流牽引變頻調(diào)速三大類別。其中交流牽引電機車作為新型的機車類型，相較于傳統(tǒng)的直流牽引電機車具有質(zhì)量輕、體積小、運行穩(wěn)定性佳、作業(yè)維護簡便、無需配設滑環(huán)與換向裝置，防爆性能優(yōu)良的諸多優(yōu)勢，加之變頻調(diào)速技術良好的節(jié)能效果?？梢哉f，在交流牽引電機車必將成為今后井下電機車的主流形式。因此結(jié)合其運行特征和使用需求，探究有效的電機車交流變頻控制方案，構(gòu)建性能優(yōu)良的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。

1控制系統(tǒng)設計分析

基于DSPIC30F6010A型十六位單片機，設計研發(fā)一種電機車交流變頻控制系統(tǒng)。系統(tǒng)運行時有蓄電池供應直流電壓，并經(jīng)由三相逆變控制單元將直流電調(diào)控成頻率可控的三相交流電。整個系統(tǒng)的主要構(gòu)成組件囊括蓄電池、充電及電容模塊、三相逆變電橋、電流傳感組件、驅(qū)動模塊、檢測模塊、單片機控制電路等[1-2]。

2DSPIC30F6010A型單片機控制系統(tǒng)

DSPIC30F6010A單片機控制電路為系統(tǒng)功能得以有效實現(xiàn)的關鍵核心，整個控制電路囊括五大構(gòu)成部分：一是由DSPIC30F6010A型單片機、速度檢測電路、數(shù)字輸入信號端等構(gòu)成的DSP（數(shù)字信號處理）數(shù)字系統(tǒng)，其可以有效開展各類數(shù)字運算、子模塊調(diào)控以及電機車啟停運行、點動運行、多段速設定等功效；二是運行模擬量接口電路，其構(gòu)成組件包括電流電壓檢測模塊、溫度監(jiān)測模塊、運行速度設定模塊等，功效是為DSP系統(tǒng)采集數(shù)字信息；三是IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）驅(qū)動電路，該電路能夠?qū)腄SP系統(tǒng)中輸出的SPWM（脈沖寬度調(diào)制）訊號轉(zhuǎn)換為能夠調(diào)控IGBT系統(tǒng)的脈沖訊號。此外，當IGBT系統(tǒng)出現(xiàn)過載或短路現(xiàn)象時，該驅(qū)動電路課自行向DSP系統(tǒng)發(fā)送故障訊號；四是CAN（現(xiàn)場總線）通訊電路；五是液晶顯示模塊和鍵盤錄入模塊，其中錄入模塊能夠借助外接的鍵盤設備對系統(tǒng)的運行設定各類參數(shù)，譬如控制電機車的啟動或停止，設定電機車運行維持在某一速度值等，而液晶顯示模塊核心功能便是對電機車運行中的各項運行參數(shù)進行設定，同時對運行中存在的故障數(shù)據(jù)進行記錄[3-4]。

3軟件系統(tǒng)分析

所設計控制系統(tǒng)配套軟件程序主要包含作業(yè)操控主程序、捕捉中斷程序、定時中斷服務程序、異步通訊中斷程序、總線通訊中斷程序等子程序。主程序的核心功能是完成系統(tǒng)運行的初始化和設定相應運行參數(shù)，同時確保數(shù)據(jù)寄存裝置的有效初始化以及各類中斷功能運行的有效性。異步通訊中斷程序的核心功能是實現(xiàn)同錄入鍵盤之間的有效對接，一方面實時接收鍵盤所傳輸?shù)南到y(tǒng)運行指令，另一方面將控制系統(tǒng)運行的各項參數(shù)和故障信息等實時傳輸至鍵盤進行顯示，便于操作者了解運行狀況[5]。捕獲中斷程序的核心功能是實現(xiàn)對占空比同周期寄存裝置內(nèi)部的數(shù)據(jù)更新，并解算出相應的占空比，完成脈沖寬度調(diào)制波的產(chǎn)生于輸出。定時中斷服務程序的核心功能主要有三點：一是對系統(tǒng)外界端口的各類子信號進行采樣作業(yè)，一般包括電機啟停信號、運動方向信號、速度信號、故障信號以及復位信號等；二是針對運行時電路中的直流電壓、三相電流、電路溫度等數(shù)據(jù)進行采樣和分析；三是針對電機開展缺相檢查、轉(zhuǎn)矩跟蹤與補償解算、V/F曲線求解、穩(wěn)壓求解、死區(qū)補償求解、相位累加求解、寄存裝置數(shù)值求解、過載過流求解等[6]。

4系統(tǒng)運行效果分析

當電機車空載啟動時，其電流波形如圖3-1所示，電機車可在5s內(nèi)實現(xiàn)有效的啟動操作，并進入運行穩(wěn)定狀態(tài)。同時結(jié)合圖片內(nèi)容可知，電機啟動時其啟動電流波形穩(wěn)定性保持良好。此時電流值約為125A，電壓值約為180V均處于安全運行區(qū)間范圍內(nèi)，同時由圖片波形狀態(tài)可知，電機運行穩(wěn)定，安全5結(jié)語本次設計基于DSPIC30F6010A型單片機開展，所設計電機車控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，模塊區(qū)分鮮明，功能設置合理，能夠結(jié)合具體的實際使用需求設定相應的運行參數(shù)，從而確保了電機車在不同作業(yè)環(huán)境下使用的有效性。加之所配套軟件程序功能眾多，具備良好可移植性，極大地方便了不同型號電機車的使用需求。

參考文獻

[1]宗劍.礦山牽引電機車控制系統(tǒng)的研究[D].上海：上海大學，2014.

[2]郎立國.電機車自動定位運行控制系統(tǒng)設計[D].大連：大連海事大學，2006.

[3]鄧永紅，趙立永，黃成玉.基于DSP礦用蓄電池電機車交流牽引控制系統(tǒng)的研究[J].華北科技學院學報，2012（1）：55-59.

[4]鄧永紅，潘玉民，張全柱，等.礦用電機車交流牽引控制系統(tǒng)的研究[J].煤炭工程，2012（9）：19-121.

[5]任傳敏，盛況，賀志超，等.蓄電池電機車變頻控制系統(tǒng)的設計[J].江西煤炭科技，2010（2）：83-85.

[6]栗忠魁，阮毅，宗劍，等.直流架線式礦用電機車變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設計[J].電機與控制應用，2011（5）：27-30；35.

[7]趙立永，劉紅梅.礦用電機車儲存與再生雙向DC/DC變流器控制系統(tǒng)的研究[J].華北科技學院學報，2015（6）：6-60.

[8]李瑞金.礦用開關磁阻電機車控制系統(tǒng)設計[J].工礦自動化，2015（9）：22-25.

作者:趙樹欣 單位:山西汾西礦業(yè)集團高陽煤礦