一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置的製作方法
2023-09-10 20:47:55 1
專利名稱：一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及提升機輕載電流振蕩控制技術領域，尤其是涉及一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置。
背景技術：
礦井提升機是礦井井下和地面的工作機械，其電控系統包括動力制動系統與晶閘管動力制動系統兩種，大量採用的是晶閘管動力制動系統。在應用過程中，晶閘管-直流電動機系統(V-M系統)在輕載運行時，實際系統中晶閘管整流器和電動機電樞迴路會出現電流連續和電流斷續兩種情況，產生電流振蕩影響系統穩定性。一般，當礦井提升機輕載運行，電樞電流在8% -10%額定電流以下時,可能就會出現斷續。電流連續和電流斷續這兩種情況的動態參數完全不同，在電流斷續的情況下，機械特性變軟，電流調節器採用常規的PI調節器不能適應斷續電流下的系統特性要求。通常，V-M系統通過增加整流相數和設置平波電抗器來減少電流振蕩，但是在實際系統中不可能無限制增加整流相數，同樣平波電 抗器的電感量也不可能太大，這樣的話不僅電路結構複雜還會增加投資費用，並且電抗器體積和重量也會增加。另外，目前也有一些系統採用自適應預測算法，但是該種方法計算複雜、運算量大、不宜於數位化實現，並且模擬電路本身也是一大難題，不適用於電流諧波檢測。
發明內容
本發明的目的在於提供一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置，以解決現有的V-M系統結構複雜、不宜於數位化實現的技術問題。為達到上述目的，本發明提供一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置，包括速度檢測電路、電流檢測電路、第一光電隔離電路、第二光電隔離電路和主處理器，主處理器進一步包括DSP處理器、電源電路、時鐘電路、看門狗電路和JTAG電路，其中速度檢測電路安裝在礦井提升機的轉子上，用以測量轉子的轉速，並將測得的電壓信號轉化為弱電信號；電流檢測電路安裝在礦井提升機的轉子上，用以測量轉子的電流，並將採集的電流信號轉化為弱電信號；第一光電隔離電路分別連接速度檢測電路和DSP處理器；第二光電隔離電路分別連接電流檢測電路和DSP處理器；DSP處理器用以對數據進行處理，使輸出電流的控制角發生變化，使電流斷續情況下的機械特性變硬，消除因斷流引起的電流振蕩；電源電路與DSP處理器連接，用以為DSP處理器提供運行電壓；時鐘電路與DSP處理器連接，用以為DSP處理器提供外部時鐘源；看門狗電路與DSP處理器連接，用以監控DSP處理器的電源，實現DSP處理器的手動復位；JTAG電路與DSP處理器連接，用以對DSP處理器進行分析設置斷點並進行硬體實時調試。依照本發明較佳實施例所述的一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置，其DSP處理器進一步包括電流控制初始化模塊用以設定時能狀態、運行方式、電壓電流的額定值、零點相位等變量的設定值；電流值獲得模塊與電流控制初始化模塊相連，用以輸出真實且有效的電流值；PI電流控制模塊與電流值獲得模塊相連，用以對輸入信號進行比例積分控制；
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電流給定模塊■ 與PI電流控制模塊相連，用以給定有一定範圍要求的電流值，輸出平滑、且有限幅的電流值；以及，電流預控制模塊分別與電流給定模塊和PI電流控制模塊相連，用以計算超前控制角。依照本發明較佳實施例所述的一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置，其速度檢測電路採用倍加福編碼器AVM58N-011K1R0GN-1213。依照本發明較佳實施例所述的一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置，其電流檢測電路採用LEM傳感器LA28。依照本發明較佳實施例所述的一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置，其第一光電隔離電路和第二光電隔離電路均採用6N137型快速光耦隔離晶片。依照本發明較佳實施例所述的一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置，其DSP處理器採用TI公司的TMS320F28335晶片。依照本發明較佳實施例所述的一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置，其電源電路採用TI公司的TPS76801和TPS75933。依照本發明較佳實施例所述的一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置，其時鐘電路採用30MHz有源晶振。依照本發明較佳實施例所述的一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置，其看門狗電路採用MAX708晶片。本發明採用電壓前饋技術和電流斷續前饋控制技術，在PI控制之前加入預控制環節，當V-M系統輕載運行，出現機械特性變軟的斷流現象時，將採樣信號經光電隔離電路將輕載時電機的轉速和電流信號送入DSP處理器中進行處理，使輸出電流的控制角發生變化，從而使機械特性變硬，有效消除因斷流引起的電流振蕩現象。與現有技術相比，本發明具有以下優點I、本發明通過數位化方法實現，功能實現集中體現在DSP處理器的軟體程序上，因此結構簡單、便於實現，且投資小。2、本發明採用數位化方法實現，不會出現模擬電路存在的模擬量漂移、器件特性受環境(如溫度、溼度等)影響大等缺點，因此精度高、可靠性強。3、本發明採用電壓前饋技術和電流斷續前饋控制技術，算法成熟且運算量較小，易於數位化實現。4、該裝置不僅可以應用在晶閘管-直流電動機系統中，還可以應用在直流脈寬調速系統中，適用範圍廣泛。
圖I是本發明的一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置的電路原理結構框圖；圖2是本發明實施例的一種主處理器的電路原理圖；圖3是本發明實施例的一種DSP處理器的電流控制結構原理圖。
具體實施例方式以下結合附圖，具體說明本發明。
請參閱圖I至圖3，一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置，包括速度檢測電路101、電流檢測電路103、第一光電隔離電路105、第二光電隔離電路107和主處理器109，主處理器109進一步包括DSP處理器111、電源電路113、時鐘電路115、看門狗電路117和JTAG電路119。速度檢測電路101採用的是倍加福編碼器AVM58N-011K1R0GN-1213，其安裝在礦井提升機201上，用以測量出直流電機轉子的轉速，並將測得的電壓信號轉化為弱電信號。電流檢測電路103採用的是LEM傳感器LA28，其也安裝在礦井提升機201上，用以測量轉子 的電流，並將採集的電流信號轉化為弱電信號。第一光電隔離電路105和第二光電隔離電路107採用的是6N137型快速光耦隔離晶片，第一光電隔離電路105分別與速度檢測電路101和DSP處理器111連接，第二光電隔離電路107分別與電流檢測電路103和DSP處理器111連接。速度檢測電路101和電流檢測電路103測出礦井提升機201的轉矩和電流，分別送入第一光電隔離電路105和第二光電隔離電路107，輸出信號經第一光電隔離電路105和第二光電隔離電路107送入DSP處理器111中進行處理。DSP處理器111上還分別連接有電源電路113、時鐘電路115、看門狗電路117和JTAG電路119。如圖2所示，其為本發明實施例的一種主處理器的電路原理圖，其中，Ul是DSP處理器111的電路圖、U2a、U2b是電源電路113、U3是時鐘電路115、U4是看門狗電路117、U5是JTAG電路119。在本發明的一實施例中，DSP處理器111採用的是TI公司的TMS320F28335晶片，電源電路113的U2a和U2b採用的分別是TI公司的TPS76801和TPS75933，時鐘電路115採用的是30MHz有源晶振，具體採用TMS320F28335外部時鐘源，看門狗電路117採用的是MAX708晶片。檢測並經光電隔離後的轉速和電流信號分別送至DSP處理器111的ADDINA0端子和ADDINA1端子，之後由DSP進行處理。圖2中，電源電路113的U2a、U2b為DSP處理器111提供I. 9V和3. 3V的電壓，I. 9V與VDD管腳相連，為其提供內核電源；3. 3V與VDDIO管腳相連，提供I/O電源。時鐘電路115為DSP處理器111的TMS320F28335外部時鐘源，管腳4經電阻R2和電容C1、C2接3. 3V電源，管腳2接地，管腳3經電阻Rl與DSP主處理器111的管腳X1/XCLKIN相連。看門狗電路117使用的是微處理器電源監控晶片MAX708SESA,其管腳I、3接開關SI，輸出信號由管腳7連接DSP處理器111的管腳又^§，可以實現DSP處理器111的5手動復位。JTAG接口電路119的管腳1、2、3、5和7分別與DSP處理器111的TMS、管腳管腳TDI、+5V電源、管腳TDO相連，管腳9和管腳11相連，並與DSP處理器111的管腳TCK相連，管腳4、8、10、12相連接地。管腳13和14分別與DSP處理器111的管腳EMUO和EMUl相連，JTAG接口電路119可以實現分析設置斷點並進行硬體實時調試功能。本發明的DSP處理器111對V-M系統的輸入電壓和電流進行預，以優化PI調節器的特性，使電流斷續情況下的機械特性變硬。請參閱圖3，其為本發明實施例的一種DSP處理器的電流控制結構原理圖，DSP處理器111包括電流控制初始化模塊U6、電流值獲得模塊U7、PI電流控制模塊U8、電流給定模塊U9、電流預控制模塊UlO。SIC是電流控制初始化模塊U6，電流控制初始化模塊U6的輸入量是系統的設定值，設定使能狀態、運行方式、電壓電流的額定值、零點相位等變量。在此系統中，還在此模塊中加入了故障診斷和保護功能，增加了系統的可靠性。電流控制初始化模塊U6連接著電流值獲得模塊U7，CAV是電流值獲得模塊U7，SIC. QC與CAV. IC相連，SIC. YRC與CAV. RRC相連。電流值獲得模塊U7的輸出為真實且有效的電流值。CPI是PI電流控制模塊U8，對輸入信號進行比例積分控制。電流值獲得模塊U7獲得的值作為反饋真實值與PI電流控制模塊U8連接，即CAV. YA與CPI.X相連，CAV. YAL與CPI. LL相連，CAV. YAO與CPI. LU相連。CSP是電流給定模塊U9，電流給 定模塊U9用來給定有一定範圍要求的電流值，其輸出端CSP. YCW輸出的是平滑、且有限幅的電流值。CPC是電流預控制模塊U10，它可以計算超前控制角。電流給定模塊U9的輸出連接在PI電流控制模塊U8上，電流預控制模塊UlO作為前饋環節加在PI電流控制模塊U8前，即圖3中CSP. YCff與CPC. W和CPI. W均相連，CPC. Y與CPI. CPC相連。電流預控制模塊UlO計算的超前控制角，加在PI電流控制模塊U8的輸入端，可以優化PI調節器的控制特性。最終，PI電流控制模塊U8的輸出CPI. Y是觸發角a的控制角。本發明採用電壓前饋技術和電流斷續前饋控制技術，在PI控制之前加入預控制環節，當V-M系統輕載運行，出現機械特性變軟的斷流現象時，將採樣信號經光電隔離電路將輕載時電機的轉速和電流信號送入DSP處理器中進行處理，使輸出電流的控制角發生變化，從而使機械特性變硬，有效消除因斷流引起的電流振蕩現象。與現有技術相比，本發明具有以下優點I、本發明通過數位化方法實現，功能實現集中體現在DSP處理器的軟體程序上，因此結構簡單、便於實現，且投資小。2、本發明採用數位化方法實現，不會出現模擬電路存在的模擬量漂移、器件特性受環境(如溫度、溼度等)影響大等缺點，因此精度高、可靠性強。3、本發明採用電壓前饋技術和電流斷續前饋控制技術，算法成熟且運算量較小，易於數位化實現。4、該裝置不僅可以應用在晶閘管-直流電動機系統中，還可以應用在直流脈寬調速系統中，適用範圍廣泛。以上公開的僅為本發明的幾個具體實施例，但本發明並非局限於此，任何本領域的技術人員能思之的變化，都應落在本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置，其特徵在於，包括速度檢測電路、電流檢測電路、第一光電隔離電路、第二光電隔離電路和主處理器，所述主處理器進一步包括DSP處理器、電源電路、時鐘電路、看門狗電路和JTAG電路，其中 所述速度檢測電路安裝在礦井提升機的轉子上，用以測量轉子的轉速，並將測得的電壓信號轉化為弱電信號； 所述電流檢測電路安裝在礦井提升機的轉子上，用以測量轉子的電流，並將採集的電流信號轉化為弱電信號； 所述第一光電隔離電路分別連接所述速度檢測電路和所述DSP處理器； 所述第二光電隔離電路分別連接所述電流檢測電路和所述DSP處理器； 所述DSP處理器用以對數據進行處理，使輸出電流的控制角發生變化，使電流斷續情 況下的機械特性變硬，消除因斷流引起的電流振蕩； 所述電源電路與所述DSP處理器連接，用以為所述DSP處理器提供運行電壓； 所述時鐘電路與所述DSP處理器連接，用以為所述DSP處理器提供外部時鐘源；所述看門狗電路與所述DSP處理器連接，用以監控所述DSP處理器的電源，實現DSP處理器的手動復位； 所述JTAG電路與所述DSP處理器連接，用以對所述DSP處理器進行分析設置斷點並進行硬體實時調試。
2.如權利要求I所述的一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置，其特徵在於，所述DSP處理器進一步包括 電流控制初始化模塊用以設定時能狀態、運行方式、電壓電流的額定值、零點相位等變量的設定值； 電流值獲得模塊與所述電流控制初始化模塊相連，用以輸出真實且有效的電流值； PI電流控制模塊與所述電流值獲得模塊相連，用以對輸入信號進行比例積分控制；電流給定模塊與所述PI電流控制模塊相連，用以給定有一定範圍要求的電流值，輸出平滑、且有限幅的電流值；以及， 電流預控制模塊分別與所述電流給定模塊和PI電流控制模塊相連，用以計算超前控制角。
3.如權利要求I所述的一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置，其特徵在於，所述速度檢測電路採用倍加福編碼器AVM58N-011K1R0GN-1213。
4.如權利要求I所述的一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置，其特徵在於，所述電流檢測電路採用LEM傳感器LA28。
5.如權利要求I所述的一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置，其特徵在於，所述第一光電隔離電路和第二光電隔離電路均採用6N137型快速光耦隔離晶片。
6.如權利要求I所述的一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置，其特徵在於，所述DSP處理器採用TI公司的TMS320F28335晶片。
7.如權利要求I所述的一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置，其特徵在於，所述電源電路採用TI公司的TPS76801和TPS75933。
8.如權利要求I所述的一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置，其特徵在於，所述時鐘電路採用30MHz有源晶振。
9.如權利要求I所述的一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置，其特徵在於，所述看門狗電路採用MAX708晶片。
全文摘要
一種解決礦井提升機輕載運行電流振蕩的非線性控制裝置，包括速度檢測電路、電流檢測電路、第一光電隔離電路、第二光電隔離電路和主處理器，主處理器包括DSP處理器、電源電路、時鐘電路、看門狗電路和JTAG電路。速度檢測電路經第一光電隔離電路與DSP處理器連接，電流檢測電流經第二光電隔離電路與DSP處理器連接；速度檢測電路和電流檢測電路分別測量轉子的轉速和電流，並將測得的信號轉化為弱電信號；DSP處理器對數據進行處理，使輸出電流的控制角發生變化，以消除因斷流引起的電流振蕩；電源電路、時鐘電路、看門狗電路以及JTAG電路分別連接至DSP處理器。本發明能夠有效解決礦井提升機輕載運行時的振蕩問題，且結構簡單、精度高、易於數位化實現。
文檔編號B66B1/32GK102745560SQ20121012637
公開日2012年10月24日 申請日期2012年4月26日 優先權日2011年8月18日
發明者吳瑋, 姜建國, 左東升, 徐亞軍, 戴鵬, 王貴峰, 羅* 申請人:上海交通大學