一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置的制作方法

xiaoxiao2020-9-9  4

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专利名称:一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置的制作方法
技术领域
本发明涉及提升机轻载电流振荡控制技术领域,尤其是涉及一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置。
背景技术
矿井提升机是矿井井下和地面的工作机械,其电控系统包括动力制动系统与晶闸管动力制动系统两种,大量采用的是晶闸管动力制动系统。在应用过程中,晶闸管-直流电动机系统(V-M系统)在轻载运行时,实际系统中晶闸管整流器和电动机电枢回路会出现电流连续和电流断续两种情况,产生电流振荡影响系统稳定性。一般,当矿井提升机轻载运行,电枢电流在8% -10%额定电流以下时,可能就会出现断续。电流连续和电流断续这两种情况的动态参数完全不同,在电流断续的情况下,机械特性变软,电流调节器采用常规的PI调节器不能适应断续电流下的系统特性要求。通常,V-M系统通过增加整流相数和设置平波电抗器来减少电流振荡,但是在实际系统中不可能无限制增加整流相数,同样平波电 抗器的电感量也不可能太大,这样的话不仅电路结构复杂还会增加投资费用,并且电抗器体积和重量也会增加。另外,目前也有一些系统采用自适应预测算法,但是该种方法计算复杂、运算量大、不宜于数字化实现,并且模拟电路本身也是一大难题,不适用于电流谐波检测。

发明内容
本发明的目的在于提供一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置,以解决现有的V-M系统结构复杂、不宜于数字化实现的技术问题。为达到上述目的,本发明提供一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置,包括速度检测电路、电流检测电路、第一光电隔离电路、第二光电隔离电路和主处理器,主处理器进一步包括DSP处理器、电源电路、时钟电路、看门狗电路和JTAG电路,其中速度检测电路安装在矿井提升机的转子上,用以测量转子的转速,并将测得的电压信号转化为弱电信号;电流检测电路安装在矿井提升机的转子上,用以测量转子的电流,并将采集的电流信号转化为弱电信号;第一光电隔离电路分别连接速度检测电路和DSP处理器;第二光电隔离电路分别连接电流检测电路和DSP处理器;DSP处理器用以对数据进行处理,使输出电流的控制角发生变化,使电流断续情况下的机械特性变硬,消除因断流引起的电流振荡;电源电路与DSP处理器连接,用以为DSP处理器提供运行电压;时钟电路与DSP处理器连接,用以为DSP处理器提供外部时钟源;看门狗电路与DSP处理器连接,用以监控DSP处理器的电源,实现DSP处理器的手动复位;JTAG电路与DSP处理器连接,用以对DSP处理器进行分析设置断点并进行硬件实时调试。依照本发明较佳实施例所述的一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置,其DSP处理器进一步包括电流控制初始化模块用以设定时能状态、运行方式、电压电流的额定值、零点相位等变量的设定值;电流值获得模块与电流控制初始化模块相连,用以输出真实且有效的电流值;PI电流控制模块与电流值获得模块相连,用以对输入信号进行比例积分控制;
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电流给定模块■ 与PI电流控制模块相连,用以给定有一定范围要求的电流值,输出平滑、且有限幅的电流值;以及,电流预控制模块分别与电流给定模块和PI电流控制模块相连,用以计算超前控制角。依照本发明较佳实施例所述的一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置,其速度检测电路采用倍加福编码器AVM58N-011K1R0GN-1213。依照本发明较佳实施例所述的一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置,其电流检测电路采用LEM传感器LA28。依照本发明较佳实施例所述的一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置,其第一光电隔离电路和第二光电隔离电路均采用6N137型快速光耦隔离芯片。依照本发明较佳实施例所述的一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置,其DSP处理器采用TI公司的TMS320F28335芯片。依照本发明较佳实施例所述的一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置,其电源电路采用TI公司的TPS76801和TPS75933。依照本发明较佳实施例所述的一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置,其时钟电路采用30MHz有源晶振。依照本发明较佳实施例所述的一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置,其看门狗电路采用MAX708芯片。本发明采用电压前馈技术和电流断续前馈控制技术,在PI控制之前加入预控制环节,当V-M系统轻载运行,出现机械特性变软的断流现象时,将采样信号经光电隔离电路将轻载时电机的转速和电流信号送入DSP处理器中进行处理,使输出电流的控制角发生变化,从而使机械特性变硬,有效消除因断流引起的电流振荡现象。与现有技术相比,本发明具有以下优点I、本发明通过数字化方法实现,功能实现集中体现在DSP处理器的软件程序上,因此结构简单、便于实现,且投资小。2、本发明采用数字化方法实现,不会出现模拟电路存在的模拟量漂移、器件特性受环境(如温度、湿度等)影响大等缺点,因此精度高、可靠性强。3、本发明采用电压前馈技术和电流断续前馈控制技术,算法成熟且运算量较小,易于数字化实现。4、该装置不仅可以应用在晶闸管-直流电动机系统中,还可以应用在直流脉宽调速系统中,适用范围广泛。


图I是本发明的一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置的电路原理结构框图;图2是本发明实施例的一种主处理器的电路原理图;图3是本发明实施例的一种DSP处理器的电流控制结构原理图。
具体实施例方式以下结合附图,具体说明本发明。
请参阅图I至图3,一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置,包括速度检测电路101、电流检测电路103、第一光电隔离电路105、第二光电隔离电路107和主处理器109,主处理器109进一步包括DSP处理器111、电源电路113、时钟电路115、看门狗电路117和JTAG电路119。速度检测电路101采用的是倍加福编码器AVM58N-011K1R0GN-1213,其安装在矿井提升机201上,用以测量出直流电机转子的转速,并将测得的电压信号转化为弱电信号。电流检测电路103采用的是LEM传感器LA28,其也安装在矿井提升机201上,用以测量转子 的电流,并将采集的电流信号转化为弱电信号。第一光电隔离电路105和第二光电隔离电路107采用的是6N137型快速光耦隔离芯片,第一光电隔离电路105分别与速度检测电路101和DSP处理器111连接,第二光电隔离电路107分别与电流检测电路103和DSP处理器111连接。速度检测电路101和电流检测电路103测出矿井提升机201的转矩和电流,分别送入第一光电隔离电路105和第二光电隔离电路107,输出信号经第一光电隔离电路105和第二光电隔离电路107送入DSP处理器111中进行处理。DSP处理器111上还分别连接有电源电路113、时钟电路115、看门狗电路117和JTAG电路119。如图2所示,其为本发明实施例的一种主处理器的电路原理图,其中,Ul是DSP处理器111的电路图、U2a、U2b是电源电路113、U3是时钟电路115、U4是看门狗电路117、U5是JTAG电路119。在本发明的一实施例中,DSP处理器111采用的是TI公司的TMS320F28335芯片,电源电路113的U2a和U2b采用的分别是TI公司的TPS76801和TPS75933,时钟电路115采用的是30MHz有源晶振,具体采用TMS320F28335外部时钟源,看门狗电路117采用的是MAX708芯片。检测并经光电隔离后的转速和电流信号分别送至DSP处理器111的ADDINA0端子和ADDINA1端子,之后由DSP进行处理。图2中,电源电路113的U2a、U2b为DSP处理器111提供I. 9V和3. 3V的电压,I. 9V与VDD管脚相连,为其提供内核电源;3. 3V与VDDIO管脚相连,提供I/O电源。时钟电路115为DSP处理器111的TMS320F28335外部时钟源,管脚4经电阻R2和电容C1、C2接3. 3V电源,管脚2接地,管脚3经电阻Rl与DSP主处理器111的管脚X1/XCLKIN相连。看门狗电路117使用的是微处理器电源监控芯片MAX708SESA,其管脚I、3接开关SI,输出信号由管脚7连接DSP处理器111的管脚又^§,可以实现DSP处理器111的5手动复位。JTAG接口电路119的管脚1、2、3、5和7分别与DSP处理器111的TMS、管脚管脚TDI、+5V电源、管脚TDO相连,管脚9和管脚11相连,并与DSP处理器111的管脚TCK相连,管脚4、8、10、12相连接地。管脚13和14分别与DSP处理器111的管脚EMUO和EMUl相连,JTAG接口电路119可以实现分析设置断点并进行硬件实时调试功能。本发明的DSP处理器111对V-M系统的输入电压和电流进行预,以优化PI调节器的特性,使电流断续情况下的机械特性变硬。请参阅图3,其为本发明实施例的一种DSP处理器的电流控制结构原理图,DSP处理器111包括电流控制初始化模块U6、电流值获得模块U7、PI电流控制模块U8、电流给定模块U9、电流预控制模块UlO。SIC是电流控制初始化模块U6,电流控制初始化模块U6的输入量是系统的设定值,设定使能状态、运行方式、电压电流的额定值、零点相位等变量。在此系统中,还在此模块中加入了故障诊断和保护功能,增加了系统的可靠性。电流控制初始化模块U6连接着电流值获得模块U7,CAV是电流值获得模块U7,SIC. QC与CAV. IC相连,SIC. YRC与CAV. RRC相连。电流值获得模块U7的输出为真实且有效的电流值。CPI是PI电流控制模块U8,对输入信号进行比例积分控制。电流值获得模块U7获得的值作为反馈真实值与PI电流控制模块U8连接,即CAV. YA与CPI.X相连,CAV. YAL与CPI. LL相连,CAV. YAO与CPI. LU相连。CSP是电流给定模块U9,电流给 定模块U9用来给定有一定范围要求的电流值,其输出端CSP. YCW输出的是平滑、且有限幅的电流值。CPC是电流预控制模块U10,它可以计算超前控制角。电流给定模块U9的输出连接在PI电流控制模块U8上,电流预控制模块UlO作为前馈环节加在PI电流控制模块U8前,即图3中CSP. YCff与CPC. W和CPI. W均相连,CPC. Y与CPI. CPC相连。电流预控制模块UlO计算的超前控制角,加在PI电流控制模块U8的输入端,可以优化PI调节器的控制特性。最终,PI电流控制模块U8的输出CPI. Y是触发角a的控制角。本发明采用电压前馈技术和电流断续前馈控制技术,在PI控制之前加入预控制环节,当V-M系统轻载运行,出现机械特性变软的断流现象时,将采样信号经光电隔离电路将轻载时电机的转速和电流信号送入DSP处理器中进行处理,使输出电流的控制角发生变化,从而使机械特性变硬,有效消除因断流引起的电流振荡现象。与现有技术相比,本发明具有以下优点I、本发明通过数字化方法实现,功能实现集中体现在DSP处理器的软件程序上,因此结构简单、便于实现,且投资小。2、本发明采用数字化方法实现,不会出现模拟电路存在的模拟量漂移、器件特性受环境(如温度、湿度等)影响大等缺点,因此精度高、可靠性强。3、本发明采用电压前馈技术和电流断续前馈控制技术,算法成熟且运算量较小,易于数字化实现。4、该装置不仅可以应用在晶闸管-直流电动机系统中,还可以应用在直流脉宽调速系统中,适用范围广泛。以上公开的仅为本发明的几个具体实施例,但本发明并非局限于此,任何本领域的技术人员能思之的变化,都应落在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置,其特征在于,包括速度检测电路、电流检测电路、第一光电隔离电路、第二光电隔离电路和主处理器,所述主处理器进一步包括DSP处理器、电源电路、时钟电路、看门狗电路和JTAG电路,其中 所述速度检测电路安装在矿井提升机的转子上,用以测量转子的转速,并将测得的电压信号转化为弱电信号; 所述电流检测电路安装在矿井提升机的转子上,用以测量转子的电流,并将采集的电流信号转化为弱电信号; 所述第一光电隔离电路分别连接所述速度检测电路和所述DSP处理器; 所述第二光电隔离电路分别连接所述电流检测电路和所述DSP处理器; 所述DSP处理器用以对数据进行处理,使输出电流的控制角发生变化,使电流断续情 况下的机械特性变硬,消除因断流引起的电流振荡; 所述电源电路与所述DSP处理器连接,用以为所述DSP处理器提供运行电压; 所述时钟电路与所述DSP处理器连接,用以为所述DSP处理器提供外部时钟源;所述看门狗电路与所述DSP处理器连接,用以监控所述DSP处理器的电源,实现DSP处理器的手动复位; 所述JTAG电路与所述DSP处理器连接,用以对所述DSP处理器进行分析设置断点并进行硬件实时调试。
2.如权利要求I所述的一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置,其特征在于,所述DSP处理器进一步包括 电流控制初始化模块用以设定时能状态、运行方式、电压电流的额定值、零点相位等变量的设定值; 电流值获得模块与所述电流控制初始化模块相连,用以输出真实且有效的电流值; PI电流控制模块与所述电流值获得模块相连,用以对输入信号进行比例积分控制;电流给定模块与所述PI电流控制模块相连,用以给定有一定范围要求的电流值,输出平滑、且有限幅的电流值;以及, 电流预控制模块分别与所述电流给定模块和PI电流控制模块相连,用以计算超前控制角。
3.如权利要求I所述的一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置,其特征在于,所述速度检测电路采用倍加福编码器AVM58N-011K1R0GN-1213。
4.如权利要求I所述的一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置,其特征在于,所述电流检测电路采用LEM传感器LA28。
5.如权利要求I所述的一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置,其特征在于,所述第一光电隔离电路和第二光电隔离电路均采用6N137型快速光耦隔离芯片。
6.如权利要求I所述的一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置,其特征在于,所述DSP处理器采用TI公司的TMS320F28335芯片。
7.如权利要求I所述的一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置,其特征在于,所述电源电路采用TI公司的TPS76801和TPS75933。
8.如权利要求I所述的一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置,其特征在于,所述时钟电路采用30MHz有源晶振。
9.如权利要求I所述的一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置,其特征在于,所述看门狗电路采用MAX708芯片。
全文摘要
一种解决矿井提升机轻载运行电流振荡的非线性控制装置,包括速度检测电路、电流检测电路、第一光电隔离电路、第二光电隔离电路和主处理器,主处理器包括DSP处理器、电源电路、时钟电路、看门狗电路和JTAG电路。速度检测电路经第一光电隔离电路与DSP处理器连接,电流检测电流经第二光电隔离电路与DSP处理器连接;速度检测电路和电流检测电路分别测量转子的转速和电流,并将测得的信号转化为弱电信号;DSP处理器对数据进行处理,使输出电流的控制角发生变化,以消除因断流引起的电流振荡;电源电路、时钟电路、看门狗电路以及JTAG电路分别连接至DSP处理器。本发明能够有效解决矿井提升机轻载运行时的振荡问题,且结构简单、精度高、易于数字化实现。
文档编号B66B1/32GK102745560SQ20121012637
公开日2012年10月24日 申请日期2012年4月26日 优先权日2011年8月18日
发明者吴玮, 姜建国, 左东升, 徐亚军, 戴鹏, 王贵峰, 罗* 申请人:上海交通大学

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