煤矿辅助运输车辆智能调速控制系统设计

刘建军 李志勇

摘 要：针对煤矿辅助运输车辆传感器易损坏、控制系统失调的问题，设计了一款基于无速度传感器的辅助运输车辆智能调速控制系统。根据MRAS系统基本原理，采用李亚普诺夫稳定性方案对实际车速进行预测。基于LPC1788 ARM芯片搭建智能调速控制系统硬件设计方案，并完成基于RealView MDK平台的软件设计，并在实验室环境下完成小功率三相异步电动机的电压、空载、负载试验。结果表明：设计并实现的智能调速控制系统运行稳定，无失真、畸变现象，预测电动机转速输出稳定，跟随性好。

关键词：MRAS;智能调速;辅助运输车辆

中图分类号：TD529 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）19-0050-03

Abstract： Aiming at the problems of sensor damage and control system imbalance of coal mine auxiliary transportation vehicle， an intelligent speed regulation control system of auxiliary transportation vehicle based on speed sensor is designed in this paper. According to the basic principles of the MRAS system， the Lyapunov stability scheme is used to predict the actual vehicle speed. Build the hardware design scheme of the intelligent speed control system based on the LPC1788 ARM chip， and complete the software design based on the RealView MDK platform. The voltage， no-load， and load experiments of a low-power three-phase asynchronous motor were completed in a laboratory environment. The results show that the designed and implemented intelligent speed control system operates stably， without distortion and distortion， and predicts that the motor speed output is stable and has good followability.

Keywords： MRAS;intelligent speed regulation;auxiliary transportation vehicle

煤礦辅助运输车辆是煤矿生产中的重要运输装置，多采用直流电动机进行调速控制，具有启动转矩大、过载能力强、恒功率运行等优点。但是，其在实际运行过程中也存在诸多问题[1-3]：第一，直流电动机的维护、维修成本较高，换向器、碳刷等易损易耗器件的更换频率大，故障率高;第二，调速时，电阻器上的电能损耗大，电能浪费严重，且存在发热的安全隐患;第三，换挡时操控性差，只能逐级换挡，且换向、调速间无闭锁控制，存在安全隐患;第四，与变频调速相比，系统的稳定性、精确性差。综合考虑上述问题，采用交流电动机变频控制技术实现辅助运输车辆智能调速成为发展趋势。本文基于煤矿辅助运输车辆的恶劣、复杂运行环境，采用无速度传感器的模型自适应方案估算、预测三相异步电动机实际转速，建立以LPC1788芯片为核心的智能变频调速软硬件系统，实现煤矿辅助运输车辆的智能调速。

1 智能调速的基本原理

煤矿辅助运输车辆运行环境恶劣，常常出现传感器进水、碰撞以及人为损坏等现象，造成运输车的实时速度无法正确反馈，导致调速控制系统失灵。为解决上述问题，采用无速度传感器矢量控制技术设计煤矿辅助运输车辆智能调速控制系统。同时，采用模型参考自适应控制系统（Model Reference Adaptive System，MRAS）对辅助运输车辆的电动机的磁链与转速进行预测，保证系统性能。模型参考自适应控制系统（MRAS）的原理如图1所示[4-5]，为并联参数辨识结构（输出误差结构）。其中，[U]为系统输入矢量，[X]为过程参考模型状态矢量，[Y]为并联估计模型状态矢量。[X]与[Y]比较后将输出误差值矢量[V]传入辨识算法模块[X]，根据算法模型修正并联估计模型，使输出矢量[Y]无限逼近[X]，输出误差无限逼近0。图1中的辨识算法常用的自适应定律有李亚普诺夫稳定性设计方案、波波夫稳定性设计方案两种。

模型自适应系统的电动机定子、转子电压矢量方程可表示为：

将式（1）作为过程参考模型，式（2）作为并联估计模型。式（1）中的[ψs]为前者状态矢量，式（2）中的电动机转子电流矢量[ir]为不可预测量，[ψr]为后者状态矢量。因此，将式（2）转换为式（3）：

根据MRAS系统要求，图1中的参考模型、可调模型针对的是同一状态矢量，即[ψr]，将[ψs]、[ψr]看作一个整体进行分析，则式（3）可进一步转换为式（4）[6]：

式中：[Lr]、[Lm]为不变参数。根据式（4）预测辅助运输车的车速，当运输车速度较高时，有弱静差和超调，进行PID调节时，需要选择较小的[Kp]、[Ki]值，以减小弱静差和超调引起的误差;当运输车速度较低时，需要选择较大的[Kp]、[Ki]值，以缩短系统收敛时间，并延长系统的响应时间。总的来说，选择MRAS系统预测运输车车速时，[Kp]、[Ki]值应随车速的变化而实时变化。

2 硬件设计

根据MRAS智能调速原理，设计煤矿辅助运输车辆调速系统硬件。根据辅助运输车恶劣、复杂的运行环境，重点考虑大启动转矩、强过载能力要求，设计的硬件方案如图2所示。由图2可知，设计的硬件主要包括蓄电池、升压电路、数字/模拟滤波电路、驱动电路、线电压检测电路、温度检测电路、霍尔电流传感器、信号处理电路以及键盘控制电路等。硬件系统的核心为LPC1788 ARM芯片[7-8]。LPC1788 ARM芯片的CAN总线通信口用于处理运输车上位机显示信号;I/O口用于处理控制指令信号、故障信号以及键盘控制信号;A/D接口用于处理运输车辆调速系统的线电压、温度、电流等传感器信号;脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）接口用于处理脉宽调制信号，并经驱动电路后将信号传送至功率变换器进行处理，控制三相异步电动机运行。驱动电路选用的芯片为IR2110，开通时延为120 ns，关断时延为94 ns;工作频率最高可达500 kHz;具备独立的高低端输入通道以及光耦、电磁隔离能力。辅助运输车辆智能调速系统硬件设计的电路分为弱电控制电路板和强电驱动电路板两部分，并通过导电排进行连接，提升系统的可靠性和抗干扰能力。

3 软件设计

根据煤矿辅助运输车辆智能调速硬件设计方案，在RealView MDK开发环境中完成LPC1788 ARM芯片内部编程，实现智能调速功能，软件设计框图见图3。首先，对LPC1788 ARM芯片硬件引脚分配的寄存器进行定义，并管理、调用各个具体的功能模块;其次，在LPC1788 ARM芯片内移植μC/OS-Ⅱ操作系统，并完成操作系统的初始化工作;最后，结合LPC1788 ARM芯片自带的电机控制算法以及MRAS系统速度预测方案编写辅助运输车辆智能调速软件系统。在进行系统软件编程时，采用多线程模块化编程方案。根据调速方案将软件系统分为7部分，即电压、电流等模拟信号采集模块，故障信号输入检测模块，控制指令输入检测模块，温度检测模块，CAN总线通信处理模块，串行通信处理模块，键盘及上位机显示处理模块，并分别启动7个线程，加快数据处理速度。

4 系统试验

4.1 试验条件

在实验室环境下对设计的辅助运输车辆智能调速系统机型进行试验。选用的三相异步电动机的额定功率为40 W，额定电压为380 V，额定电流为0.2 A，额定转速为1 430 r/min，采用星形连接。采用USB接口+ULINK仿真器+JTAG接口将设计的硬件电路板与笔记本电脑连接，通过笔记本电脑输入控制指令，完成对车辆的控制。辅助运输车辆的外部电流、电压、温度、车速等传感器信号经接口电路后传送至LPC1788 ARM芯片内部;输出的PWM信号经光耦隔离、驱动电路后传送至功率变换器。采用示波器观察电动机的电压、转速输出波形。

4.2 试验分析

第一，测试电动机在不同运行频率时的电压波形，运行频率分别为20 Hz、30 Hz、50 Hz、60 Hz、80 Hz和90 Hz。实际观察示波器输出发现，未出现严重失真、畸变现象，仅有少量毛刺。

第二，测试电动机空载运行时的转速波形。通过示波器观察，转速波形较平滑、稳定并快速跟随实际转速值变化。

第三，测试电动机负载运行时的转速波形。在运行频率为50 Hz、转速为1 470 r/min，运行频率为30 Hz、转速为890 r/min的条件下，施加相同的阻力，测量电动机运行时的实际转速波形。通过示波器观察，实际转速波形输出稳定，未出现失真，具有稳定、良好的动态跟随性。

5 结语

采用无速度传感器的MRAS系统预测煤矿辅助运输车辆的实际电动机转速，完成基于LPC1788 ARM芯片的智能调速控制系统的硬件、软件设计，引入μC/OS-Ⅱ操作系统管理软件各功能模块，实现多线程数据处理方案，提升调速系统的响应时间，最后在实验室条件下完成智能调速控制方案试验。利用示波器对三相异步电动机的运行电压、转速波形进行分析发现，未出现严重失真、畸变现象，转速输出稳定，跟随性好。

参考文献：

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