基于ARM的矿井提升机电控系统设计

张志宏

（山煤集团煤业管理有限公司晋东南分公司， 山西 长治 046600）

引言

对于采用竖井进行矿井生产的煤矿中，提升机发挥着不可替代的作用，而能够控制提升机使其正常工作的电控系统也发挥着更为重要的作用。一个性能先进，运行稳定的控制系统直接关系到矿井的生产效率以及矿井的生产安全。传统上使用的控制系统是由交流电驱动的，但是由于交流电存在比较大的弊端，因此采用变频器调速技术以及ARM控制技术的原理来进行控制[1]。

1 控制系统整体结构设计

基于ARM的嵌人式矿井提升机控制系统能够通过与通信总线与驱动部分的变频器实现信息交互，以达到控制电机的目的。同时在整个系统的不同部位安放有各种传感器，用于采集电气以及机械方面的数据。比如说电压、电流、高度、载荷、速度等。传感器将采集到的数据传输到主控制器，控制器根据具体的算法策略来决定下一步的动作。基于ARM的嵌人式矿井提升机控制系统整体结构如图1所示。

2 主控制器硬件结构

如图2所示为整个控制器的硬件结构图。通过图中我们可以看出整个系统包括以下几大模块[2]：CPU/存储模块、通信模块、通用IO模块、电源模块、程序下载接口模块等。其中通信模块主要包括三种通信方式分别是：串口通信、CAN总线、以太网通信等。主控制器外部还有一些人际交互的硬件设备包括LCD显示器、键盘与各种传感器等。其中键盘主要是起到控制和参数调整的作用。

图1 控制系统整体结构

图2 主控制器硬件结构图

2.1 控制芯片选型

由于本系统需要的控制处理数据量较大，并且对控制速度要求较高所以本文选择恩智浦公司主打的LPC系列微控制器具体的型号是LPC1788。本芯片采用ARM的公版架构已Cortex-M3为内核的一款主频为120 MHz的32位处理器。本处理器内部带有丰富的通信方式和存储空间，其中程序的存储空间为512 kB,程序的运行空间即SRAM为96 kB，其中支持的通信方式包括串口、以太网、CAN、USB等。这款处理器最大的优点就是内部集成了LCD控制器，色域较广。

2.2 串口通信

本系统采用RS485方式与变频器之间实现通信。LPC1788内部提供5个符合工业标准的串行收发（UART）接口，通过MAX13085芯片设计成标准RS-485接口，可以与带有MODBUS协议的综保及PLC进行通信。由于井下的环境比较复杂，所以要求我们设计的通信接口必须具有较强大的抗干扰能力，所以在线路上加入了光电隔离模块和数据缓存器模块。有时候串口会处于空闲状态，为了节省有限度CPU资源这里加入了通讯使其能控制接口，当串口处于空闲状态时可以通过CPU上的EN485_2端口输出低电平来切断串口与下位机的通信。由于485是通过差分信号来通信的所以在H和L两条线中间通过电容连接起来可以滤除总线上的电磁干扰。使通信更加稳定。

3 变频调速技术的发展应用

矿用提升机的运行需要严格按照规定的速度路线来实行，主要是由于提升机的运行速度快，质量大，工作状况需要不停的变化所以只有按照预定的速度曲线运行才能实现安全稳定运行，一旦提升机失去控制将会造成巨大的损失，甚至会威胁到工作人员的生命安全。

变频器的工作原理就是将工频的交流电变化为可以变化频率的交流电。由于交流电的频率不同所以就可以通过频率来控制电机的转速，这样便可以达到无极调速的目的。但有一点不同的是由于提升机的惯性比较大，所以当变频器将频率降低时电机不会同步的把转速也降低，这中间会有一个缓冲的过程。而在这个缓冲的过程中电机会处于发电阶段，一直到电机的速度降为所需要的值或者是停止。变频器的调节速度以及控制电机的功能可以使提升机实现恒定的加速度或者是恒定的减速度。除了能够精确控制电机还能够在一定程度上对电机起到保护作用，包括过电流、过电压以及过载等；与传统串联电阻的方法比起来更加节能。并且由于其集成化程度较高，避免了许多故障的发生，运行稳定。

3.1 交-直-交变频

传统的交直交变频器是将交流电经过整流后变化为直流电，然后通过逆变器来实现将直流电变为可控频率的交流电。如图3所示，由于这种方式存在一个中间变化直流的过程，所以这种变频方式被称为间接式变频器[3]。

目前可以应用的整流逆变电路方式比较多，可以实现可控或者是不可控。目前这两种方式最经典的电路分别是由二极管整流桥组成的不可控整流电路以及由能够实现功率控制期间组成的脉宽调制逆变器，如图4所示。

交变频器在整流后的滤波环节有两种，一种是电压源驱动的，一种是电流源驱动的。图4由于中间是利用电容来滤波的所以是电压源型的。而电流源型的标志是中间的滤波环节是由电感来实现的，如图5所示。

图4 PWM型变频器

图5 交-直-交电流源型变频器

3.2 交-交变频

如图6所示为不经过直流变化的变频器原理图。只包括1个变化过程便可将三相交流的工频电源直接变换为频率可以任意调节的交流电源，不需要过多的中间环节，所以这种变频器被称为直接式变频器[4]。

图6 交-交变频器

就变频器的使用特点来划分，间接式变频器也就是交直交变频器只要用于低电压的供电驱动场合，比如说380 V或者是220 V。而直接式变压器也就是交交变频器主要是用于高压场合的供电，一般用在大型矿井想提升机系统中。

4 软件设计

如下页图7所示，首先是系统上电后的自我检查过程，自检过程大体可以分为两部分，首先是检查控制器内部有没有故障，各个模块工作是否正常。当内部检查完毕后就要对整个提升机的系统进行检查，包括电气参数是否正常，分布在各个地方的传感器信号是否正常，目前提升机所处的位置等一系列问题。如果这些检查都没有问题，就进行下一步的系统初始化，根据系统内部存储或者是人机交互的参数设置进行配置系统的参数。其中包括LCD显示驱动、键盘驱动、通信模块等的驱动的初始化等。当初始化完成后就要进入到运行的主程序，根据传感器采集回来的参数分析后将控制信息实时的下发到变频器，由变频器来控制电机。同时系统还必须将工作的实时状况显示到人机界面上。除此之外还负责将信息传递到地面的监控中心。当有故障出现时首先是判断故障的级别，然后根据级别进行下一步处理，是只有声光报警还是需要停机。

图7 主程序控制流程图

5 结语

ARM嵌入式控制系统加变频器的矿井提升机控制方案在矿井下的普遍使用，大幅提高了矿井的生产效率，有效减少了事故发生的概率，尤其是在运行稳定性方面能够做到较长时间内没有故障发生，另外，由于变频器的使用使电能的利用率大大增加，并且取得了非常明显的经济效益。