基于数字控制的矿用电动挖掘机直流调速系统.pdf

2 0 0 7 年l 己 月 第2 6 卷 第l 己 期 基于数字控 制的矿用 电动挖 掘机直流调速 系统 丁松年 黄良沛。 宾光富。 1 ． 中冶陕压重工设备有限公司 富平7 1 1 7 1 1 ；2 ． 湖南科技大学机电工程学院 湘潭4 1 1 2 0 1 摘要 本文针对传统的挖掘机电控系统存在技术落后 、 故障高、 动态效率低、 运行成本高、 耗能高等缺点， 设计了一套基于数 字控制的挖掘机直流调速系统， 系统采用小功率的C T M7 5 R驱动器， 驱动 1 2只大功率晶闸管组成的正反全控桥主回路， 在 控制回路中将电压反馈与电流反馈信号接入 c T _ M7 5 R驱动器， 利用驱动器内部丰富的软件功能， 编程实现电压与电流的综 合反馈。相比国内外电动挖掘机数字直流调速系统， 该装置具有价格低、 调速性能好、 维护方便以及节能显著等优点。 关键词 M7 5 R驱动器 ； 数字控制； 直流调速； 电动挖掘机 中图分类号 T M 9 3 0 ． 1 2 文献标识码 A S pe e d r e g u l a t i n g d e v i c e s o f e l e c t r o e x c a v a t o r b a s e d o n d i g i t a l c o n t r o l Di n g S o n g n i a n Hu a n g Li a n g p e i 。Bi n Gu a n g f u 。 1 ． S h a n y a He a v y P r o j e c t E q u i p me n t L i mit e d C o mp a n y o f C h i n a Me t a l l u r g y G r o u p ， Xi ’a n 7 1 1 7 1 1 ； 2 ． S c h o o l o f El e c t r o me c h a n i c a l En g i n e e r i n g ， Hu n a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ， Xi a n g t a n 4 1 1 2 0 1 Ab s t r a c t Tr a d i t i o n a l e l e c t r o e x c a v a t o r c o n t r o l s y s t e ms h a v e s o me d i s a d v a n t a g e s s u c h a s d a t e d t e c h n o l o g y ， h i g h f a i l u r e ， l o w e f f i c i e n c y 。 h i g h r u n c o s t a n d S O o n 。 t h u s a d i g i t a l c o n t r o l DC s p e e d r e g u l a t i n g d e v i c e i s d e s i g n e d a n d d e v e l o p e d f o r e l e c t r o -e x c a v a t o r ． I n t h i s s t u d y， s ma l l p o we r CT M7 5 R d i g i t a l d r i v e r wa s u s e d t o d r i v e 1 2 p l a r g e p o we r S CR wh i c h c o n s t r u c t f u l l wa v e b r i d g e ma i n c i r c u i t o f t h e I X； s p e e d r e g u l a t i n g d e v i c e ， f u r t h e r mo r e v o l t a g e f e e d b a c k a n d c u r r e n t f e e d b a c k a r e c o n n e c t e d wi t h CT-M 7 5 d r i v e r i n t h e c o n t r o l c i r c u i t 。 a n d s y n t h e t i c f e e d b a c k c o n t r o l c o mb i n e d v o l t a g e wi t h c u r r e n t i S r e a l i z e d b y me a n s o f CTM 7 5 s o f t wa r e f u n c t i o n ． C omp a r e d wi t h o t h e r I X； s p e e d r e g u l a t i n g d e v i c e s f o r e l e c t r o - e x c a v a t o r ． t h i s d e v i c e p r o v i d e s l o w pr i c e ， e x c e l l e n t s p e e d r e g u l a t i n g p e r f o r ma n c e ， c o n v e n i e n t ma i n t e n a n c e a n d p r o mi n e n t e n e r g y e c ono m i z i ng． Ke y wo r d s M 7 5 R d r i v e r s ；d i g i t a l c o n t r o l ；I X；s p e e d r e g u l a t i n g；e l e c t r o e x c a v a t o r O 引 言 电动挖掘机是我国矿山、 水泥行业及水利建设露天工 地用来挖掘矿石和坚硬岩石的大型 自动化设备。目前我 国矿山电动挖掘机调速控制部分基本上还采用 F D直流 电动机调速传动系统 ， 它具有原理简单 ， 技术成熟， 可靠性 较高等优点。但是 F D直流电动机调速控制系统具有结 构复杂， 运行费用高 ， 噪音大等方面的缺陷_ 1 ] ， 主要表现 为 1 由于磁放大器及磁性触发器是采用磁通量饱和的 原理来实现小电流控制大电流， 相对于不断革新的大功率 晶体管元器件 ， 其技术 已是非常的落后 ； 2 F - D直流电动 机调速控制系统结构非常复杂， 控制线路繁多， 维护难度 大 ， 由于元件复杂或线路问题经常发生故障， 维修很不方 便； 3 由于采用 的是交／ 直流发电机组 系统 ， 其能量的转 换为电能先转换为机械能， 机械能再转换为 电能， 存在运 行成本高 ， 电能损耗较大。因此研究新型矿用电动挖掘机 数字直流调速装置具有重要意义。 近两年来 ， 随着国外数字直流调速设备逐渐进入国内 市场， 使得直流传动系统出现 中小容量产品整体化、 数字 化以及加工技术高的特点， 同时产品体积大大减小， 功耗 也相应大大降低 ， 可靠性得到极大提高。目前进入 国内市 场的全数字直流调速设备有很多家， 如德国西 门子的 S I MORE G． K系列 ， 英国欧陆公司的 S S D5 9 0系列 ， 英国 c T 公司的 ME NT ORⅡ系列等。本文采用 M7 5 R驱动器， 组 成直流电动机的调速控制 回路 ； 选用国产大功率可控硅 ， 组成正反全控桥， 作为直流电动机调速 的驱动主 回路 ， 研 制了一套矿用电动挖掘机数字直流调速装置。 作者简介 丁松年 1 9 7 5 一 ， 男， 学士， 工程师， 主要从事重工机电设备制造、 维修与信息管理工作。 中国科技核心期刊 维普资讯 成及工作原理 挖掘机的动力来 自6 ～1 0 k V高压电， 高压电先接入 挖掘机整流变压器原边， 次边为三组独立 的线圈， 分别为 提升、 推压、 回转／ 行走的直流调速装置提供交流电源， 三 2 0 0 7 年I 己 月 第己 5 卷 第1 己 其 目 相交流电经晶闸管可控整流后， 驱动相应的直流电机 行 。电动挖掘机的回转／ 行走 、 提升、 推压电机均为他励 流电机 ， 分别 由三套直流调速系统控制， 每套系统的原理 和结构基本相同， 分别 由主回路、 控制回路 、 励磁 回路等组 成。其主回路电路如图 1 所示。 I Ri6 厂 3 l R3[ ] HZ l R56 [ 3 3 } 。 z z 上z ” 一 一 广 工 l I 厂 Y T ． I n r _／ I ca- Hz， I C5 一 Hz 儿 l HL￡ 广 n L1 I T T i ＼r L’ l Il I I 。 丁 、 1 ． ， 一 Y 工 H Z 2 z H z 4 H Z 6 广 甲 毒 I 上 厂K P 8 l c 2 上 K 忆 H z 1 啪 H Z 8 ■ l T 图 1 直流调速系统主回路 为了扩大电气传动设备或电力电子装置的输出容量 ， 往往要求采用三相整流或逆变系统 ， 三相全控桥式是构成 三相变流装置的最基本单元[ 5 。为了实现电机的快速换 向， 主回路直接采用了 1 2个国产大功率 1 0 0 0 2 5 0 0 A 晶闸管， 组成正反全控桥 GF Q。直流 电动机的调速控制 回路由 C T - M7 5 R驱动器实现， 而直流电动机 的励磁部分 采用恒流源控制。 1 ． 2 系统工作原理 直流调速系统的工作过程可用 图 2来说明。当电机 正转运行时， 在 t ～t 时间， U相 电压较正， V 相电压较 负， M7 5 R驱动器产生触发脉冲 HZ 1和 HZ 4 ， HZ 1使晶闸 管 K P 1导通 ， HZ 4使晶闸管 K P 4导通， 电流从 U相经 KP 1 、 直流电机和 KP 4 ， 回到 V相。在t 。 ～f 时间，U相电 压较正， w 相 电压较负， 驱动 器产生触 发脉 冲 H Z 1和 HZ 6 ， HZ 1 使晶闸管 K P 1 继续导通 ， HZ 6使 晶闸管 K P 6 导通， 由于 w 相 电压较 V相更负 ， 而 K P 6导通将导致 K P 4 承受反向电压而截至 ， 因此电流从 U相经 K P 1 、 直流 电机和 KP 6 ， 回到 w 相。依次类推 ， 在 t 。 ～f 时间， 驱动 器产生脉冲 HZ 3 、 HZ 6 分别触发晶闸管 K P 3 、 K P 6导通 ， 电流从 V相经 KP 3 、 直流电机和 KP 6 ， 回到 w 相； 在 t ～ t 时间， 触发脉冲 HZ 3 、 HZ 2使 晶闸管 KP 3、 KP 2导通 ， 电流从 V相经 KP 3 、 直流电机和 KP 2 ， 回到 U相； 在 t ； ～ 。 时间， 驱动 器产 生脉 冲 HZ 5和 H Z 2分 别触 发 晶闸 管 K P 5 、 KP 2导通， 电流从 w 相经 K P 5 、 直流电机和 KP 2 ， 同 到 U相； 在 t 。 ～f 时 间， 触发脉冲 HZ 5 、 HZ 4分别使晶闸 管 K P 5 、 K P 4 导通， 电流从 w 相经 K P 5 、 直流电机和 K P 4 ， 回到 V相 。 一 5 2一 ≥ 3 崮 亚 相位 角t ／ r a d 图2 直流调速系统可控整流工作过程 当电机反转运行时， 在 t ～ 。 时间， U相电压较正， V 相 电压 较负 ， C T M7 5 R驱 动器 产生 触发 脉 冲 H Z 8和 H Z 9 ， HZ 8 使晶闸管 K P 8 导通 ， HZ 9 使晶闸管 KP 9 导通 ， 电流从 U 相经 KP 8 、 直流 电机和 KP 9 ， 回到 V相 。在 t ～f 。 时间，U相电压较正， w 相电压较负 ， 驱动器分别触 发晶闸管 K P 8 、 K P 1 1 导通， 由于 w 相电压较 V相更负， 而 KP l l 导通将导致 KP 9承受反向电压而截至关断， 电流 从 U相经 KP 8 、 直流电机和 KP 1 1 ， 回到 w 相 。依次类推 可以得到在 t 3 ～ ， t ～ ， t ～ 6 ， t 6 ～ 时间的可控整流电 压波形。M7 5 R驱动器发出 1 2路触发脉冲， 在不同时间 段控制 1 2只晶闸管的开关状态， 即改变晶闸管 的控制角 时， 主回路输出电压 的波形和均值都会产生变化 ， 从而实 现对直流 电动机的供电与调速。 为了适应原 F D系统所使用的电动机在结构上不具 中国科技核心期刊 维普资讯 2 0 0 7 年l 己 月 第己 巨 卷 第l 己 期警镑 0 。 t 0 誊i 有的抗电流冲击 、 波动和换相器灭弧的功能， 在系统的主 回路部分加设了特殊设计的电抗器和浪涌吸收装置， 以保 证系统在十几 A N--千多 A的大范围内电动机能无火花 运行且电流连续 ， 另一方面从硬件保证了高转速小电流实 现 的可 能 。 2 控制 回路 ， 2 ． 1 ME N T OR Ⅱ 简介 ME N T O RⅡ是 C T公 司全数字直流调速装置 ， 容量 从 7 ． 5 7 5 0 k W。该装置集功率单元与控制单元一体 ， 均 采用表面安装技术 ， 结构 紧凑， 体积小 ， 内部功耗低 ， 抗干 扰能力强。装置按功能共分 3部分 1 功率单元 它以 底板散热器为依托 ， 在上面安装 3支 不可逆 或 6支 可 逆 可控硅模块及磁场硅模块 ； 2 功率接 口板 它是一块 整的印刷线路板， 板上除 晶闸管触发脉冲以外， 还有可控 硅的隔离功放、 电压检测 、 电流检测及相序相位检测电路； 3 主控板 由 2 块多层印刷线路板插接在一起， 它是整个 装置的核心， 所有 内部逻辑及运算软件均在这里处理， 2 块处理器分工执行 内部软件。 该装置对外接线主要分为 2 类 1 大电流端子 3 根 主交流进线母排 L ， L ， L。 ；3根磁场电源端子 E ， E 。 ， E。 ； 2根直流电枢引出线母排 A ， Az ；2根直流磁场引出 线端子F ， F ， ； 2 弱电控制端 装置 内有 4排 TB1 ， T B 2 ， T B 3 ， T B 4 控制端 ， 每排 1 O个端子。它们是该装置 与外部设备的联络接 口。这些端子共分 2 类 1 C T公司 出厂时已固定其用途的端子； 2 可 由用户定义其用途 的 可编程端子， 用户可根据实际不同的应用场合 ， 将外部来 的信号送到内部软件 的不 同参数来改变和控制 内部结构 及变量 ， 或将 内部信号送到端子上来控制外部其他设备。 ME NTORⅡ具有一个标准的 RS 4 8 5口， 可与 P C通 信。在微机上可离线或在线对设备里 的参数进行设置改 写， 也可加入一块 MD 2 l 板， 经过 R S 2 3 2 接 口与上位机串 行通信。该装置还有较强的自诊断能力， 可对缺相、 过渡、 过载、 欠磁 、 超速、 电枢开路 、 反馈断线 、 微处理机及软件故 障进行监视和处理， 对电机发热也可进行监视和保护。 另外该装置具有非常丰富的软件功能， 能够方便地实 现电流控制、 速度控制、 位置控制、 S型速度变化控制、 参 数 自整定等。该系统采用 B A S I C语言编程。 2 ． 2 采用 Cr - M7 5 R的控制回路 在能满足挖掘机基本工作要求前提下， 应该尽量使系 统结构简单 ， 元件数量少 ， 使用操作方 便， 维修简单 ， 为此 采用 M7 5 R驱动器作为直流电动机的调速控制 回路， 驱动 器部分接线如下图 3 所示 。将 1 2个脉 冲引出， 用 以触发 主回路的 1 2 个晶闸管 。 电流负反馈 图 3 C TM7 5 R驱动器部分接线图 为了保证电机获得 良好的运行特性 ， 控制回路采用转 速、 电流双闭环无静差调速系统。该系统在运行过程中， 实现了转速 、 电流负反馈分别控制 ， 即要求快速升速时 ， 电 流负反馈起主要作用， 保证升速过程 中在电机允许的最大 电流下尽可能以最短的时间达到给定速度， 并且保持稳定 运行。但在转速达到给定速度且稳定运行后 ， 转速负反馈 开始发挥主要作用。虽然采用测速发电机 的转速负反馈 具有 良好的调速性能， 能够有效地克服各种扰动作用 如 负载的变化 、 励磁的变化、 晶闸管交流电源电压的变化 对 电动机转速的影响， 但考虑到挖掘机工作时的运行环境较 差， 测速发电机的安装和维修都不方便， 因此采用 电压负 反馈与电流正反馈的综合反馈系统。在控制回路 中将电 压反馈与电流反馈信号接入 M7 5 R驱动器， 再利用驱动器 内部丰富的软件功能 ， 编程实现电压与电流的综合反馈。 该系统具有线路简单维修方便的优点 ， 同时避免单独采用 电压负反馈时系统调速性能变差的缺点， 在电压负反馈环 节中引入电枢电流正反馈补偿 ， 从而保证系统具有优 良的 调速性能 ， 可以取代测速发 电机的转速负反馈系统。 3 结束语 为了克服现有的挖掘机电控系统存在的技术落后 、 故 障高、 动态效率低、 运行成本高、 耗能高等缺点， 本文设计 一 套数字控制的挖掘机直流调速系统。该装置具有 以下 优点 1 C T_ M7 5 R是一种性能优 良的智能型晶闸管数字 式触发器 ， 输出脉冲精度好， 分辨率高， 不均衡度小， 抗干 扰能力强。它的外围十分简单， 使用十分方便 ； 2 该装置实现了国内矿山控制机电控系统的升级改 造。相比目前普遍使用的磁放大器控制、 发电机组晶闸管 励磁控制或电子励磁调节控制的直流调速系统， 该装置减 小了机 械 冲击， 调 速精 度 达 到 0 ． 2 ， 调 速 范 围为 1 0 0 1 ， 正反转之间最大速度的转换时间小于 4 S ， 系统节 电达 2 O 以上 ； 3 设计的矿用电动挖掘机数字直流调速装置， 具有 中国科技核心期刊 5 3 维普资讯 2 0 0 7 年l 己 月 第2 B 卷 第l 己 其 月 运行稳定性好 、 功能造价低、 维 E 4 ] 贾军章， 王秀萍． WK 一 4电动挖掘机磁性触发器的维 点 ， 具有很大的推广运用价值。 [ J ] ． 矿山机械， 2 0 0 2 ， 3 0 1 0 7 1 7 2 ． 。 ．。 E s ] 谭建诚． 电机控制专用集成电路[ M] ． 北京 机械工业出 考 文 献 社 ，1 9 98 ． [ 1 ] 洪镇南， 罗洪． 电动挖掘机直流调速微机控制的硬件设计 [ J ] ． 矿山机械， 2 0 0 4 ， 3 2 1 1 6 - 3 7 ． [ 2 ] 付晓平， 杨仁兵， 等． 基于 S i ma d y n D全数字技术的进 口 提升机电控系统改造[ J ] ． 煤 矿 自动化， 1 9 9 9 ， 2 1 1 1 4 1 6 ． [ 3 ] 于苏华， 李宏． 高性能晶闸管电力回收装置[ J ] ． 电气传动 自动化 ， 1 9 9 5 ， 1 7 3 2 3 2 5 ． [ 6 ] 李宏， 熊光宇， 乔东升． 高性能全数字化晶闸管触发器 KC 1 6 8的研制及应用[ J ] ． 电气传动 自动化 ， 2 0 0 2 2 5 8 61 ． [ 7 ] 邓星钟． 机 电传动控制 [ M] ． 武汉 中科技 大学出版 社 ， 2 0 0 1 ． [ 8 ] 梁瑞全． 运算放大器在电动挖掘机中的应用[ J ] ． 矿山机 械 ， 2 0 0 2 ， 3 0 8 9 - 3 0 ． _ ll I ⋯ l ’ l l l | I - I hI l k ． 1 1 I I I ” ‘ _ l l ’ _l I 一 “ h I - I “ I h I ． “ 0 h l “ I h ‘ I I I I “ I “ I ‘ I h I ’ ‘ ‘ I I I -_ l I - 1 0 ⋯- ‘ “ 。 ‘ “ I ⋯ 。 I I I I J ． “ q l I I I I I q l 上接 第 1 8页 S c a t t e r p l o t 图 8 两点插值星座图 经高斯白噪声信道 ， E b N o 2 0 d B使用立方和两点插 值法， 接收数据星座 见图 9 、 1 0 S c a t t e r p l o t 5 4 图 9 立方插值星座图 图 1 0 两点插值星座图 通过仿真可以发现 ， 使用平方定时恢复环路能够很好 的实现位同步， 并且在对立方插值和两点插值的比较中， 十 立方插值具有相对 比较好的效果 。 参 考 文 献 [ 1 ] 张公礼．全数字接收机理论与技术[ M] ． 北京 科学出版 社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] GAR D N E R F M． I n t e r p o l a t i o n i n d i g i t a l m o d e ms ， p a r t I f u n d a me n t a l s [ J ] ． I E E E T r a n s o n C o mmu n i c a t i o n ， 1 9 9 3 ， 4 1 3 5 O 1 - 5 0 7 ． [ 3 ] G AR D NE R F M． I n t e r p o l a t io n i n d i g i t a l mo d e ms ， P a r t I I I f u n d a me n t a l s [ J ] ． I E E E Tr a n s o n Com mu n i c a t i o n ， 1 9 9 3， 4 1 6 9 9 8 1 0 0 8 ． [ 4 ] 胡晓娇． 接收机平方定时恢复环路[ J ] ． 现代传输， 2 0 0 5 6 8 4 8 7 ． [ 5 ] 蒋科， 胡爱群， 姚冰心． 一种符号定时算法的研究与仿真 [ J ] ． 电子工程师， 2 0 0 6 ， 3 2 3 4 3 4 6 ． 中国科技核心期刊 I Ⅲ 维普资讯