煤矿带式输送机智能软起动控制器设计_徐光泽.pdf

江西煤炭科技2023年第1期摘要：设计基于STM3 2控制器技术的带式输送机智能软起动控制器。重点介绍了以STM3 2 F0 7 1 CBT6控制器为核心的带式输送机软起动控制器设计方案，开发并采用C与ASM混合编程的方法进行软启动设计，实现带式输送机脉冲恒流起动过程。系统仿真及测试结果表明，该软起动控制器满足设计要求，减少了起动过程对机械部件的冲击、平稳性好、安全系数高。关键词：脉冲恒流起动；STM3 2控制器；软起动；带式输送机中图分类号：TD6 3+4.1文献标识码：A文章编号：1 0 0 6-2 5 7 2（2 0 2 3）0 1-0 2 1 7-0 3Design of Intelligent Soft-starting Controller for Belt Conveyor in Coal MineXu Guangze(Ximing Coal Preparation Plant,Shanxi Coking Coal Energy Group Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi 030200)Abstract:The paper introduces an intelligent soft-starting controller for belt conveyor with STM32F071CBT6 controller as thecore,developed with C and ASM mixed programming method to realize the pulse constant current starting process of beltconveyor,whose simulation and test results show that the soft-starting controller meets the design requirements,reduces theimpact of the starting process on the mechanical components with good stability and high safety coefficient.Key words:pulse constant current starting;STM32 controller;soft starting;belt conveyor煤矿带式输送机智能软起动控制器设计徐光泽（山西焦煤能源集团股份有限公司西铭矿选煤厂，山西太原0 3 0 2 0 0）煤矿带式输送机运行过程中遇到紧急情况时会紧急停车，重启时为满载起动；起动过程中必须保证起动的平稳性，避免输送带与煤料间发生相对运动而触发滚料现象；直接起动的大电流对电网以及机械部件的冲击力较大，会增加输送带张力，加速输送带的磨损，影响机械部件使用寿命1-2。因此，研究并设计适合煤矿带式输送机软起动的智能控制器非常必要。拟采用基于S T M 3 2微控制器技术，设计带式输送机智能软起动控制器，以脉冲恒流软起动控制模式，产生较大转矩，使设备能够正常起动，达到带式输送机起动过程智能化的目的。该技术对提升带式输送机的起动过程安全性，延长设备使用寿命，具有重要意义。1软起动模式选择带式输送机软起动时产生的电网谐波小、冲击电流小、电动机的温升不高、起动耗时时间短、对设备机械部件产生的冲击力小。煤矿带式输送机软起动时，需限制机头、机尾电动机起动电流Ism，一般设置为电动机额定电流的1.5 4.5倍，当Ism设定值较大时，起动转矩大；当Ism设定值较小时，起动转矩小。煤矿带式输送机软起动模式可分为斜坡恒流软起动、脉冲恒流软起动两种。斜坡恒流软起动即控制起动电流以一定的速率平稳地增加，当起动电流增大到所设定的电流限定值Ism时，就将起动电流保持恒定值至起动结束；该起动模式一般用于空载或者轻载起动过程或者起动转矩随转速增加而增大的设备，如水泵等。脉冲恒流软起动初始起动电流大于Ism，依靠产生的转矩克服设备摩擦进而使得设备起动；设备起动后起动电流下降至Ism并保持恒定3-4。该起动模式适用于重载起动，如输送机、磨煤机的带载起动。本设计采用脉冲恒流软起动控制。2硬件设计带式输送机智能软起动控制器硬件设计以S T M 3 2控制器为核心，主要电路包括S T M 3 2最小系统电路、信号输入电路、调制信号电路、信号输出电路等。输入电源由低压差线性稳压器将5 V转换为3.3 V，为主控芯片供电。2.1STM32最小系统电路S T M 3 2最小系统电路需满足该控制器最低工作要求，由电源、时钟、调试、复位以及控制芯片五部分组成。时钟即晶振电路为主控芯片提供系统时钟，为所有外设设备工作提供“心跳节拍”。调试接口可采用S WD或者J T A G方式，其中S WD模式可靠性更好。复位为硬件按键复位，采用电容滤2 1 7江西煤炭科技2023年第1期波防抖。主控芯片即S T M 3 2 F 0 7 1 C B T 6微控制器。2.2信号输入电路信号输入原理如图1所示。该电路负责处理带式输送机软起动过程中的控制信号和故障信号，如机头、机尾电动机起动、停止、加速、减速等控制信号以及电机过压、电机过流、输送带打滑等故障信号。输入信号经T L P 5 2 1可控光电耦合器后输入至S T M 3 2控制器的G P I O A以及G P I O B口。图1智能软起动控制器信号输入电路原理2.3信号调制电路信号调制电路如图2所示，以N E 5 5 5振动器为核心，O P 7 7运算放大器、电容、电阻以及二极管组成信号检测电路 并经运算放 大器后输入 至S T M 3 2控制器的G P I O B口5-6。设置N E 5 5 5振荡器的振荡频率为7k H z。图2智能软起动控制器信号调制电路原理2.4信号输出电路智能软起动控制器数字量信号输出电路如图3所示，用于处理控制输出信号和故障报警信号。一次可输出8路数字量信号并经光电隔离栅后输入至S T M 3 2控制器的G P I O F.6-G P I O F.1 3。T L P 5 2 1为可控光电耦合器，可直接驱动继电器进而完成控制信号和故障报警信号的输出流程。图3智能软起动控制器数字量输出电路原理3软件设计智能软起动控制器的软件主要由主控制程序块、中断程序块以及子程序块三部分组成。基于K e i l软件开发平台，主要采用C编程实现；S T M 3 2控制器底层硬件控制部分采用A S M编写。3.1主控制程序块软件流程智能软起动控制器主程序控制块流程如图4所示，循环周期为1 0m s并与“三机”设备同步信号同步。系统上电后首先完成系统初始化工作。关闭中断信号，当有中断信号达到时先触发自检流程。自检流程正常后开启中断处理流程并依次完成S T M 3 2控制器三相电流信号采集、矢量变换、闭环自适应计算等。S T M 3 2控制器可接收的机头、机尾电流给定值为i*d、q，电压给定值为u*d、q。图4智能软起动控制器主程序流程3.2中断程序中断程序主要完成保护现场、校准基准定时器值、缺相保护、读取A/D转换数据并处理、3 s/2 s转换、由磁链观测器模型求解磁通、电流3 s/2 r变换、磁链闭环调节运算、速度闭环调节运算、直接电流闭环调节运算、数据存储以及恢复现场等功能。其中，3 s/2 r是从三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的变换，是矢量控制系统中常用的坐标变换，具体过程为：首先经过三相静止坐标系到两相静止坐标系的3 s/2 s变换，再通过两相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的2 s/2 r旋转变换得到3 s/2 r变换。4仿真与测试4.1系统仿真为验证煤矿带式输送机智能软起动控制器的正确性和适用性，基于仿真平台进行系统仿2 1 8江西煤炭科技2023年第1期2 2 1-2 2 2.6 王连生，李继军，李晓龙.带式输送机集中控制系统开发与应用J.北京：煤炭科学技术，2 0 1 7，4 5（S2）：9 2-9 5.作者简介：高 博（1 9 8 7），男，河北定州人，2 0 2 1年毕业于北京科技大学电气工程及其自动化专业，机电助理工程师，现从事煤矿通风安全和机电管理工作。收稿日期：2 0 2 2-1 1-0 2编辑：许敦昂真，对起动时的速度以及电流进行分析。仿真时设 置 的 电 动 机 参 数 为：PN=2.2k W，UN=3 8 0 V，nN=14 5 0r/m i n，p=2，J=0.0 8 9k g.m2，Rs=3.1 2，Rr=2.6 1，Lm=2 8 4.5 5m H，Ls=2 9 4.8 6m H，Lr=3 0 5.4 8m H。速度给定值及实际值波形，根据波形可以看出：速度响应快、超调小，调节时间短，系统具有较好的速度控制性能，如图5所示。带载启动时A、B相电流的波形。由图可以看出，启动过程平稳，如图6所示。图5带式输送机软起动速度波形图6带式输送机软启动时A、B相电流波形4.2试验测试为验证该智能软起动控制器实际应用效果，在实验室条件下完成应用测试。实际观察发现，带式输送机空载、重载起动过程平稳、启动时间长、输送带张力波传播速度小、起动速度提升缓慢，保证了带式输送机安全、平稳运行。5结论以煤矿带式输送机为研究对象，重点介绍了智能软起动控制器的硬件、软件设计思路和方法，基于S T M 3 2控制器，采用脉冲恒流起动模式实现了带式输送机智能软起动过程并完成系统仿真与试验测试：1）实现了带式输送机脉冲恒流软起动控制器，达到了起动电流小、平稳性好、安全系数高的目的。2）经仿真和应用测试，该带式输送机软起动控制器满足设计要求，提升了带式输送机的智能化水平，有助于增强带式输送机运行安全系数和运行效率。3）后续将用于现场工业试验。参考文献：1 李隆，崔红伟，廉自生，等.不同软启动时间下重型刮板输送机动态特性J.北京：科学技术与工程，2 0 2 0，2 0（8）：3 0 4 2-3 0 4 7.2 李强.选煤厂皮带输送机变频调速系统设计J.广州：机电工程技术，2 0 2 0，4 9（2）：1 7 0-1 7 1，1 8 5.3 赵松，李建华，魏忠斌.基于AMESim的带式输送机起动过程研究J.哈尔滨：煤矿机械，2 0 1 9，4 0（1）：4 9-5 1.4 王中华.矿井煤流输送系统优化控制关键技术研究D.徐州：中国矿业大学，2 0 1 4.5 钱科.矿用大功率带式输送机软起动及功率平衡分析J.哈尔滨：煤矿机械，2 0 1 9，4 0（9）：9 2-9 4.6 王腾，夏护国.重型刮板输送机驱动方式比较分析J.北京：煤炭科学技术，2 0 1 3，4 1（9）：1 5 4-1 5 8，1 6 2.作者简介：徐光泽（1 9 8 9），男，浙江温州人，2 0 1 5年毕业于中北大学电气工程及其自动化专业，电气工程师，电工技师，现从事选煤厂设备电气设计与维护工作。收稿日期：2 0 2 2-0 5-1 9编辑：许敦昂（上接2 1 6页）2 1 9