一种交流电牵引采煤机电气自动控制系统的抗干扰设计方法

李 峰

（贵州永基矿业投资有限公司纳雍县新房乡康金煤矿，贵州 贵阳 553311）

0 引言

为了提升煤炭资源开采率，减少资源浪费，相关企业利用可靠性高的交流电牵采煤机设备进行能源挖掘，通过电气自动控制，实现煤矿高效开采。目前的电气自动控制系统可以实现对采煤机的牵引控制、操作控制和系统故障诊断及保护，但该系统元器件数量较多且程序复杂，系统变压器和电磁场产生感应后会对系统造成干扰，从而影响系统的控制性能[1]。因此，需要针对电气自动控制系统展开抗干扰设计，提升系统的可靠性。

现阶段，针对控制系统抗干扰设计已经取得了较大进展[2]。如在电机内施加复合控制系统，分别对系统实施不同阶段的干扰抑制，构建Simulink 仿真模型，对电机系统的启动和干扰阶段进行有效分析，经研究发现该控制器可以使系统能够平稳运行，即使加快转速也不会产生波动，有着较强的抗干扰性[3]。针对控制系统的相邻边界抗干扰技术和抗噪声干扰技术也是一种常见的抗干扰方案，这种方案通过对控制系统传感器信号电流处理优化，有效对控制系统的相邻边界抗干扰和抗噪声干扰实施有效处理，最终根据处理结果开展抗干扰性能测试，发现该方法的鲁棒性高[4]。此外，将电气自动化控制系统与PID 控制技术相结合，设计出IMC-PID 控制器，通过该控制器参数对系统稳定性、抗干扰能力等多种影响的分析，也可以实现较为理想的抗干扰性能及控制性能[5]。

然而，在实际应用中发现，由于上述三种方法没有针对交流电牵引采煤机电气自动控制系统结构展开分析，忽略了电气自动控制系统中变压器与电磁场的反应，限制了抗干扰能力。为此，本研究设计一种新的抗干扰方案进行抗干扰设计。

1 系统硬件抗干扰设计

在设计交流电牵引采煤机电气自动控制系统前，需要制定一系列的抗干扰设计方案，用于实现抑制干扰源的目的，并有效切断干扰信息的影响途径。在本研究中，针对系统硬件，分别从主机单元配置、电源模块、电磁模块3 个角度设计抗干扰措施。

1.1 主机单元配置抗干扰

交流电牵引采煤机电气自动控制系统中的主机单元一般为单片机单元，该单元中的复位电路和时钟电路等结构极易受到电路干扰。为此，本研究以RC复位电路为例，完成对主机单元配置的抗干扰设计。通常情况下，上电复位的时间需要达到10 ms，才可以确保单片机电路可靠复位。而在这一过程中，增加复位电容，就会导致系统监视定时器WDT 出现信号复位困难的问题，所以需要在该主机单元中设置型号为MAX705 的监控芯片，令信号低电平复位脉冲宽度达到250 ms，保证系统电路的可靠复位。针对MAX705 监控芯片的特点，为避免系统主机单元杂散电荷的混乱，本研究在主机单元中设置了一个下拉电阻。下拉电阻可以抵消杂散电荷，从而使RC 复位电路信号恢复为低电平复位信号。

1.2 电源模块抗干扰设计

交流电牵引采煤机电气自动控制系统主要以交流电源供电，交流电源多为大功率的电子设备提供电流、电压，也因多种因素影响导致交流电牵引采煤机电气自动控制电源系统内出现大量噪声，使电源系统出现脉冲干扰和持续干扰。为此，针对电源模块，展开如下抗干扰设计：

①在电源输入端加入滤波电路，通过π 型滤波器抑制交流电源中的噪声。

②通过使用隔离变压器，在电路输入端和输出端之间加入绝缘层，从而降低由电源线引入的外部干扰，有效地抑制电源线上的共模干扰。

1.3 电磁模块抗干扰设计

在交流电牵引采煤机电气自动控制系统中，高频变压器长期保持20 kHz 的运行频率。一旦高频变压器处存在漏磁现象，很容易就会对电磁模块产生干扰。为此，针对电磁模块，展开如下抗干扰设计：

（1）由于漏磁现象可能导致对电磁模块的干扰，因此，在电磁模块和高频变压器外增加屏蔽壳体，对高频变压器进行漏磁屏蔽。

（2）在电磁模块的输入端和输出端增加滤波电路，在电路中设置加装抗干扰滤波器，滤除因漏磁而引入的高频噪声，防止噪声进一步传播。

2 实验与分析

为了验证上述设计的交流电牵引采煤机电气自动控制系统抗干扰设计方法的整体有效性，设计如下实验。

实验以蒙特卡洛仿真的方式开展，以型号为MG2×40/200-BW 的交流电牵引采煤机为对象，该设备的滚筒转数为82 r/min，最大牵引力为90 kN，实物如图1 所示。

图1 实验用交流电牵引采煤机

针对交流电牵引采煤机的电气自动控制系统展开抗干扰设计。设定系统的控制参数见表1。

表1 系统仿真参数

实验中，对交流电牵引采煤机的电气自动控制系统设置不同类型的干扰，包括宽带干扰、已知耦合干扰、有界干扰以及电磁辐射干扰。

2.1 宽带干扰、电磁辐射干扰下系统的误比特率分析

在电气自动控制系统中，带通高斯白噪声会对系统宽带造成干扰影响，这是一种覆盖较宽频率范围的干扰。为了验证在宽带干扰环境下的抗干扰效果，在控制过程中，加载20 dB 的带通高斯白噪声，并逐步将噪声强度提高到120 dB。分析干扰环境下系统的误比特率，计算式如下：

式中，Pb表示误比特率，Q表示干扰程度值，N0表示功率谱密度，Eb表示码元能量，J0表示干扰信号的单边功率谱密度。

为了验证方法的效果，对交流电牵引采煤机电气自动控制系统抗干扰前后的带宽干扰误比特率开展有效测试，其测试结果如图2 所示。

图2 宽带干扰环境下系统的误比特率分析

分析图2 中的数据发现，对交流电牵引采煤机电气自动控制系统开展抗干扰设计后，宽带干扰误比特率有着明显的下降，说明本文所提方法的抗干扰有效性强。

在此基础上，在电气自动控制过程中，增加脉冲型电磁辐射干扰，频率为2 ～10 MHz，幅度范围在0.1 ～10 V/m 之间，分析在电磁干扰环境下系统的误比特率，结果如图3 所示。

图3 电磁辐射干扰环境下系统的误比特率分析

根据图3 测试结果发现，未应用本文方法实施抗干扰设计前，电磁辐射干扰对系统带来的影响较大，导致系统的误比特率较高；而采用本文所提方法实施抗干扰设计后，降低了电磁辐射干扰对系统造成的干扰影响，使系统的误比特率下降，说明采用本文所提方法后，系统抗干扰能力增强。

2.2 系统输出状态分析

在上述实验分析的基础上，分析系统输出状态的平稳性，以此来分析本文方法的应用性能。本节实验中，共设置了两类干扰，一类为系统中的已知耦合干扰，第二类干扰为系统有界干扰。其中：

已知耦合干扰是由于两个电路之间的耦合效应产生的干扰，通常具有确定的传播路径和模式。实验中，设置已知耦合干扰的幅度为0.5 V，频率范围为1500 Hz。

有界干扰是指在一定范围内变化的干扰信号，具有确定的上下界。实验中，设置有界干扰的最大幅度为2 V，最小幅度为-2 V，频率范围在50 ～100 Hz 之间。

在上述两种干扰下，系统的输出状态如图4 所示。

图4 不同干扰下的系统状态对比曲线

对比图4 可以发现，无论是在已知耦合干扰环境中，还是在有界干扰环境中，应用本文所提方法后，系统输出状态曲线较抗干扰前更加平稳，可见本文所提方法具有更高的抗干扰控制精度。

3 结语

针对电气自动控制系统因受到环境干扰而产生的不稳定的问题，本研究提出针对交流电牵引采煤机电气自动控制系统的抗干扰设计方法。在系统硬件中，该方法对主机单元配置、电源模块、电磁模块三部分设计了抗干扰措施；在系统软件中，该方法主要针对以程序数字量和程序模拟量实施滤波抗干扰设计。

从实验测试的结果可以看出，该方法的抗干扰性能较好，应用该方法后，交流电牵引采煤机电气自动控制系统的误比特率明显降低，系统输出状态曲线更加平稳。