一种矿用云台摄像仪本安型电机的设计

张松阳

（北京天地玛珂电液控制系统有限公司，北京100013）

0 引 言

随着煤矿自动化技术的不断发展，我国大部分矿区基本实现了综采工作面少人或无人化生产[1]，地面操作人员可以在监控中心通过工作面视频画面，随时掌握工作面设备的运行情况，并可通过远程操作台对工作面设备进行远程遥控[2-3]。云台摄像仪相比固定摄像仪来说，可以实现对运动中的液压支架、采煤机等设备进行随动监视与目标追踪功能[4-5]，因此，研究矿用云台摄像仪具有重要的意义。本文针对矿用云台摄像仪的步进电机驱动控制系统的驱动电路、保护电路和电感电路能量控制进行了理论计算与研究，设计了相应的驱动电路板和保护电路板。

1 电机工作原理

矿用本安型云台摄像仪可以水平旋转180°，所采用的电机为两相四线制步进电机，电机接线如图1所示。它有两组线圈，每组线圈有2个接头，分别是A+、A-和B+、B-。该摄像仪步进电机驱动控制系统主要有4部分组成。①电机控制系统，由主板上的单片机构成，单片机发出控制指令，控制电机转动方向和角度；②电机驱动系统，由电机驱动电路板构成，电机驱动芯片接收到单片机的指令后，输出驱动电流，直接驱动步进电机转动；③电机电路保护系统，由电机保护电路板构成，保障在发生断路故障时，步进电机储存的能量可以及时释放，如图2所示；④步进电机，将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步。

图1 电机接线示意Fig.1 Motor wiring

图2 驱动电路原理Fig.2 Driving circuit principle

2 电机保护电路设计

由于电机内部有两组线圈，所以该电路为电感性电路。根据电感性电路的特点，在出现断路故障时，线圈会产生很大的反向感应电动势，以阻止电流突变，因此在断点处会产生很高的电压，容易发生辉光放电，产生电火花。

为了防止该情况的发生，采用续流保护原理，在电感线圈两端并联多个对接稳压二极管，当切断电机外部电路时，原有的电流通过稳压二极管形成回路，电流变化率减小，降低线圈产生的感应电动势。由于电机在正转和反转时流过线圈的电流方向不同，所以采用对接稳压二极管的方式，保证无论在什么情况下，都有稳压二极管处于反接状态。稳压二极管采用1N4742型齐纳二极管，齐纳电压12 V，反向击穿时的电流为0.25 mA，最大反向电流为76 mA，最大耗散功率为1 W。

以A组线圈举例，假设正常情况下，电流由A+端流入线圈，由A-端流出。在断路故障刚刚发生的时候，电机保护电路存在2种续流回路，此时电流变化率数值很大，电感线圈所产生的反向电动势远大于12 V，使得原本处于反接状态的稳压二极管D1、D2、D3和D10、D11、D12反向击穿，形成续流回路，释放电感储存的能量，如图3所示。

图3 保护电路原理Fig.3 Principle of protection circuit

为防止电机内部出现断路时保护电路无法发挥作用的情况出现，将电机、驱动电路和保护电路整体浇封保护，固定电路，确保内部不会出现断路；同时确保排空内部空气，与外部易爆炸气体隔绝，即使内部出现断路，也无法引燃易爆炸气体。

3 电感电路能量计算

电机电感以及保护电路等效电路如图4所示。

图4 电机电感等效电路Fig.4 Inductance equivalent circuit of motor

已知电机电感9 mH，等效电阻11Ω，流过电流峰值0.5 A，以下计算以极端情况为例，在电感流过峰值电流0.5 A时，电感回路开路。

根据电感感应电动势计算公式，可以得出公式（1）：

式中：L为电感值，数值为9 mH；I为电感电流；U为其上的电压；t为所经过的时间。

又由图可知，感应电动势初始阶段被钳位在齐纳二极管击穿电压、导通电压、等效内阻电压之和：

式中：UD1为二极管的正向导通电压，约等于1.2 V；UD2为稳压管反向导通电压，约等于12 V；R0为等效内阻，约等于11Ω。

由公式（1）、（2）可得公式（3）：

利用matlab软件进行绘图，如图5所示。

图5 电流释放曲线Fig.5 Current release curve

由图5可知，在300 us左右，电流释放到零，能量释放完成。

4 感应电动势测试

给电机施加电压，使电机电流保持在0.5 A，手动断开供电端回路，用示波器探头抓取电感电流流向负端的感应电动势曲线，如图6所示。

图6 感应电动势测试曲线Fig.6 Test curve of induced electromotive force

经过实际测试，感应电动势电压被钳位在14.2 V，在342 us时间内感应电动势下降到0，即能量释放完成，与理论计算的电流下降到0时间相同，证明理论计算正确，再根据如下的公式计算释放的能量。

u在释放时间内约等于一条直线，按照极值14.2 V计算，i为上述理论计算曲线，t=342 us，计算Q≈1.214 mJ。

而电感储存能量按照如下公式进行计算：

根据已知L=9 mH，i=0.5 A，计算Q=1.125 mJ。

经过如上证明，电感两端感应电动势被保护电路钳位在14.2 V，初始电流0.5 A，并在342 us内下降到0，感应电动势在电流为0时消失。理论计算的能量释放时间与实际测试能量释放时间基本一致，同时保护电路能完全将电感储存的能量释放完成。本设计采用的保护电路可以有效保护驱动系统在断路时不会被步进电机储存的能量破坏。

5 结 语

针对矿用云台摄像仪的本质安全型电机硬件电路进行了研究分析与设计实现，通过对该摄像仪步进电机驱动控制系统的驱动电路、保护电路和电感电路能量控制的计算分析，设计了驱动电路板和保护电路板。测试结果表明，能量释放时间与实际测试能量释放时间基本一致，同时保护电路能完全将电感储存的能量释放完成，使得保护电路可以有效保护驱动系统在断路时不会被步进电机储存的能量破坏。