河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書摘要刮板輸送機是煤礦開采的關鍵設備之一，是采煤工作面唯一的連續(xù)運輸設備。隨著刮板輸送機裝機功率的增大，它的起動問題越來越成為人們關注的焦點。軟起動器因為起動電流小、節(jié)約能源以及減少了對機械的起動沖擊，而廣泛應用于三相籠型異步電動機的起動中。傳統(tǒng)的降壓起動方法基本上是靠單純的降低電壓來起動電動機的，起動轉矩很小，不適用于刮板輸送機。本文在分析大功率刮板輸送機的基礎上，根據(jù)刮板輸送機的具體要求，采用變頻調速技術來實現(xiàn)刮板輸送機變頻軟起動。系統(tǒng)的控制電路采用新的起動方法變頻起動，來保證電動機在起動初期具有低電流、高轉矩的特性。系統(tǒng)采用igbt作為主功率器件，以80c196mc單片機為控制核心，充分利用其片內波形發(fā)生器能直接用軟件產生pwm波的特點，同時采用m57962k-01構成igbt的驅動電路，在控制上采用恒uf控制且在低頻補償?shù)牟呗浴１疚倪€給出了系統(tǒng)的軟件、硬件和保護電路的設計方法。這些設計使系統(tǒng)能夠可靠工作，運行狀態(tài)良好，達到了設計目的。關鍵詞：刮板輸送機； 變頻軟起動； 變頻調速； 恒uf控制； pwm波80c196mcabstractarmored face conveyor is one of the key equipments in coal mining face , and what is more is that it is the only continuous conveying equipment . with the increase of the , more and more attentions are paid on it. soft starter is widely used in the startup of asynchronous electromotor because of its small startup current , the economy of energy sources and reducing mechanical startup impact . conventional reduced-voltage start methods start up asynchronous electromotor merely by decreasing voltageso the startup torque is very small and can not fit the request for armored face conveyorbased on the analysis on large power armored face conveyor, and according to the specific requirements of armored face conveyor , this paper indicates that the variable frequency could be used to realize soft-start procedure of armored face conveyor. the new method of reducing power supply frequency is proposed in circuit of control system to guarantee high starting torque and small starting current at the startup timethis kind of drive system uses the power igbt as main switch, the 16 bit single chip microcomputer 80c196mc as the control unitthe wave form generator can generate directly three phase pwm wave forms by software in the 80c196mc. the igbt drive circuit uses m57962k-01 driver. the system use constant v/f control and low frequency compensation regulationin this paper，the software，hardware and protected circuit are discussed these designs can make system work more reliably and reach expectant aimkeywords：armored face conveyor ; the soft starter based on variable frequency; variable frequency variable speed ; constant vf control ; pwm wave ; 80c196mc 目錄摘要1abstract2目錄31緒論11.1刮板輸送機基本結構11.2刮板輸送機的起動控制要求21.3交流異步電動機起動方式比較31.4論文研究的內容42 刮板輸送機變頻軟起動器硬件電路設計52.1系統(tǒng)硬件電路結構總體設計52.3驅動電路設計92.4檢測電路設計112.4.1 轉速檢測電路設計112.4.2 電流檢測及過流保護電路設計122.5保護電路設計132.5.1過壓欠壓保護電路132.5.2泵升控制電路152.5.3過熱保護電路172.5.4 斷鏈保護電路172.5.5 堆煤保護電路192.5.6故障綜合處理電路202.6控制電路設計212.6.1選擇主控芯片80c196mc212.6.2 80c196mc結構特點212.6.3 80c196mc存儲器擴展電路232.6.4 看門狗電路252.7 鍵盤顯示電路272.8 外圍輸入電路292.9系統(tǒng)供電電源設計303 刮板輸送機變頻軟起動器軟件設計323.1刮板輸送機起動特點及變頻軟起動曲線選擇323.2變頻軟起動器的恒壓頻比控制方式343.3變頻軟起動器的spwm產生方式373.4 變頻軟起動器主程序383.5刮板輸送機變頻軟起動參數(shù)設置子程序403.6 基于harrison曲線的spwm子程序403.6.1 spwm波形生成原理與控制算法403.6.2 基于harrison曲線的spwm輸出程序433.7 a/d 轉換子程序443.8堵轉自動控制程序474 系統(tǒng)運行484.1變頻軟啟動器運行前參數(shù)的整定484.2變頻軟啟動器運行過程48結論54附錄 刮板輸送機變頻軟起動器電路圖55參 考 文 獻56致謝5758河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書1緒論1.1刮板輸送機基本結構刮板輸送機是綜采工作面的關鍵設備，在煤炭生產過程中有無可替代的作用，它的工作情況直接影響井下的生產。工作面刮板輸送機主要用來與采煤機、液壓支架、順槽轉載機、破碎機和帶式輸送機配套而實現(xiàn)綜采工作面的落煤、裝煤、運煤、移溜和頂板支護等工序的機械化。刮板輸送機一般適用于018-415m的煤層，并可作為采煤機和刨煤機運行的軌道和安裝基礎，以及液壓支架向前移動的支點。刮板輸送機的主要結構如圖1-1所示：圖1-1 刮板輸送機結構圖機頭部機頭部是由機頭架、鏈輪、減速器、盲軸、聯(lián)軸器和電動機組成，它是將電動機的動力傳遞給刮板鏈的裝置。機尾部機尾部分為有驅動裝置的和無驅動裝置的兩種。圖1-1所示為有驅動裝置的機尾部，因機尾不需要卸載高度，除了機尾架與機頭架有所不同外，其他部件與機頭部相同。中部槽與附屬部件中部槽是刮板輸送機的機身，由槽幫鋼和中板焊接而成，上槽是裝運物料的承載槽，下槽底部敞開供刮板鏈返程用。刮板鏈刮板鏈由鏈條和刮板組成，是刮板輸送機的牽引構件，刮板的作用是刮推槽內的物料。目前使用的有中單鏈、中雙鏈和邊雙鏈三種。刮板的間距，由所運物料的性質、塊度和安裝傾角確定。刮板鏈切人物料的阻力應大于物料在槽內移動的阻力。緊鏈裝置刮板鏈安裝時，要給予一定的預緊力，使它運行時在張力最小點不發(fā)生鏈條松弛或堆積。推移裝置推移裝置是在采煤工作面內將刮板輸送機向煤壁推移的機械。綜采工作面使用液壓支架上的推移千斤頂，非綜采工作面用單體液壓推溜器或手動液壓推溜器。1.2刮板輸送機的起動控制要求綜采工作面刮板輸送機工作條件惡劣，存在停車的隨時性。刮板輸送機鏈條刮板運動的靜摩擦力很大，特別是刮板輸送機停機后，還有片幫煤給輸送機加載產生“壓溜”，造成設備難起動。井下又受到了電網(wǎng)容量的限制、空間限制、同時又處于爆炸性氣體與煤塵的環(huán)境中，使解決井下大型運輸設備的重載難起動問題更加艱難。刮板輸送機的起動控制有以下要求：（1）盡可能小的起動電流，以減少對電網(wǎng)的沖擊、減少電機發(fā)熱和供電系統(tǒng)的影響。（2）由于刮板輸送機起動初始為吸收間隙的空載運動，要求電機此時轉矩要小，速度要慢；由靜止轉為運動時，要求電動機有足夠大的轉矩來克服靜摩擦阻力，并且能有平穩(wěn)提升的起動轉矩和符合要求的機械特性曲線，逐步加速；克服靜摩擦后，負載會明顯減少，此時電機的力矩提升又相對變慢，這樣才可實現(xiàn)平穩(wěn)起動。1.3交流異步電動機起動方式比較交流感應電機直接起動是直接給電機加額定電壓，起動速度快，但危害大。首先，直接起動時的起動電流可達額定電流的47倍，造成電網(wǎng)電壓跌落，對電網(wǎng)的沖擊很大；其次，直接起動產生的過大沖擊轉距往往使電動機轉子籠條、端環(huán)斷裂，定子端部繞組絕緣磨損、擊穿或轉軸扭曲等，從而影響電機的壽命，同時，過大的沖擊力會造成傳動的其他設備非正常的磨耗和老化，影響設備精度。隨著科學技術的發(fā)展，多種技術應用于軟起動領域，出現(xiàn)了許多新型的軟起動產品，它們具有控制方式靈活簡便、對系統(tǒng)沖擊小、控制元件不易損壞及維護方便等諸多優(yōu)點，現(xiàn)已逐步取代傳統(tǒng)的控制裝置。下面就幾種軟起動方式做一些分析比較。（1）傳統(tǒng)起動方式 電動機傳統(tǒng)起動方式有自耦減壓、y減壓、串電抗器減壓等。其優(yōu)點是控制線路簡單、前期投入成本低、維護方便。傳統(tǒng)起動方式缺點是：對電網(wǎng)的沖擊大，影響電網(wǎng)供電質量；對機械設備沖擊大，降低設備使用壽命；容易導致電氣故障，同時變壓器容量要求較大。（2）晶閘管調壓軟起動晶閘管調壓軟起動器采用大功率可控硅作主回路開關元件，通過改變可控硅的導通角來實現(xiàn)電動機電壓的平穩(wěn)升降和無觸點通斷，起動電流可以限制到電機額定電流的175到500。晶閘管調壓軟起動實質上也是一種降壓起動，與傳統(tǒng)的降壓起動不同之處在于電壓并非突變，而是利用無觸點電子開關器件控制電壓的平穩(wěn)上升。（3）變頻軟起動方式 變頻起動也是一種軟起動，是交流異步電動機理想的起動方式。它既具有軟起動的特點又可在電機正常運行時調整頻率。它把電力配電網(wǎng)50hz恒定頻率的交流電變成可調頻率的交流電，供普通的交流異步電動機作電源用。由于變頻器采用電壓頻率按比例平滑上升的控制方式，能提供低頻起動轉矩，有利于電動機平穩(wěn)起動，且可控制起動速度，是一種真正的平滑軟起動方式。同時它保持了電動機的硬機械特性，與其他起動方式相比，起動電流小而起動轉矩大，對設備無沖擊力矩，既不影響其他設備的運行，又有較理想的起動特性。通過綜合研究比較上述起動方式同時結合刮板輸送機自身的特點，本文采用變頻軟起動作為刮板輸送機的軟起動方式。1.4論文研究的內容本文在掌握交流電機變頻調速基本原理的基礎上，采用intel 80c196mc，運用spwm控制算法，提出了刮板輸送機變頻軟起動器總體設計方案，并詳細闡述了其中關鍵技術的研究和設計。具體研究工作包括：變頻調速系統(tǒng)硬件電路的研究和設計、變頻調速系統(tǒng)控制軟件的研究。硬件電路由主電路、控制電路、驅動電路、系統(tǒng)檢測保護電路和電源電路組成。主電路部分由整流電路、濾波電路、逆變電路和igbt驅動電路。控制電路主要80c196mc及其一些外圍設備構成，它主要用來生成spwm波形。驅動電路采用三菱公司的igbt專用驅動模塊m57962k-01。保護電路包括過壓欠壓保護電路、過流保護電路、過熱保護電路、泵升檢測控制電路、堆煤保護電路和斷鏈保護電路。2 刮板輸送機變頻軟起動器硬件電路設計2.1系統(tǒng)硬件電路結構總體設計本文設計的刮板輸送機變頻軟起動器以intel公司的80c196mc為控制核心，由主電路、控制電路、驅動電路和系統(tǒng)檢測電路、保護電路組成，其總體設計圖如圖2-1所示。圖2-1 刮板輸送機變頻軟起動器總體設計圖如圖2-2所示，主電路部分由整流電路、濾波電路、逆變電路組成。其工作原理是把三相交流電壓通過整流模塊變?yōu)橹绷麟妷海骱蟮拿}動電壓再經(jīng)過大電容平滑后成為穩(wěn)定的直流電壓。igbt逆變電路對該直流電壓進行逆變，形成電壓和頻率均可調的三相交流電，提供給電機。圖2-2 主電路控制電路主要由80c196mc及其一些外圍設備構成，它主要用來根據(jù)輸入信號發(fā)出控制命令和生成spwm波形。80c196mc 特別集成了專為電機控制而設計的波形發(fā)生器(wfg)這一功能外設，使得它在電機控制中倍受青睞它也被稱為電機控制器(motor controller)。驅動電路采用三菱公司的igbt專用驅動模塊m57962k-01。m57962k-01因其驅動可靠價格低廉被廣泛地應用于大功率igbt驅動領域，它采用雙電源驅動結構，內部集成有2500v高隔離電壓的光耦合器和過電流保護電路。檢測電路主要是速度檢測電路和電流檢測電路。速度檢測的目的是檢測刮板輸送機在起動和運行出現(xiàn)的堵轉現(xiàn)象。本設計采用霍爾效應接近式傳感器作為系統(tǒng)中電機的轉速傳感器，傳感器輸出的信號處理后轉換成標準的方波信號，將該信號傳輸?shù)絾纹瑱C上，再經(jīng)過相應的軟件設計，就可得出電機的轉速。電流檢測是在整個起動過程中對起動電流進行實時檢測：一方面將電流值送入控制器cpu中進行數(shù)值計算，完成電機起動，另一方面與過流設定值進行比較，實現(xiàn)過流故障的及時保護。系統(tǒng)保護電路包括過壓欠壓保護、過熱保護、泵升檢測與控制、斷鏈保護和堆煤保護等。過壓欠壓保護是檢測電網(wǎng)電壓，以實現(xiàn)過壓欠壓保護。過熱保護是在igbt模塊的散熱器上加上一個溫度開關，正常狀態(tài)下溫度開關為常開觸點，當溫度超過設定溫度，溫度開關動作，光耦導通，輸出信號為高電平，將該信號送至cpu，發(fā)出過熱警報。設置泵升檢測與控制電路是因為在主回路中直流電源電壓兩端并聯(lián)較大容量的電解電容，而由于主回路直流側采用不可控整流，感應電動機減速或停車時，儲存在電動機轉子和負載中的機械能不能回饋給電網(wǎng)，大部分機械能變?yōu)殡娔芊答伒诫娙葜校娙菸樟诉@些電能后，它兩端的電壓就會升高產生所謂的泵升電壓u，如果沒有對此電壓進行限制，它將對igbt造成永久性的損害,因此需要設計泵生電壓檢測電路。斷鏈保護電路是檢測刮板鏈斷鏈現(xiàn)象，堆煤保護電路是防止刮板輸送機的機頭因堆滿原煤，造成機頭堵死。2.2主回路設計主電路由整流電路和逆變電路構成，它是本系統(tǒng)的功率驅動單元。由不可控整流環(huán)節(jié)、中間濾波環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)構成。本設計所選的刮板輸送機具體參數(shù)如表2-1所示。刮板輸送機的電機是由2個隔爆型三相異步電動機構成，具體參數(shù)如表2-2所示。型 號sgb-630/150輸送能力(t/h)250出廠長度（m）200鏈速（m/s）0.868緊鏈方式磨擦式緊鏈器刮板鏈圓環(huán)鏈破斷負載343.24kn規(guī)格（斷面節(jié)距）mm1864刮板間距（mm）1024中部槽（長寬高）mm1200630190整機重量（不含電機、減速器）46.7t表2-1刮板輸送機參數(shù)表2-2電動機參數(shù)功率kw額定電壓v滿載時轉速 r/min電流a功率因數(shù)756601480730.89(1) 整流二極管參數(shù)通過二級管峰值電流：im=ie=*73=103a流過二極管電流有效值：id=im二極管電流額定值：ie= =im=45.37a整流二極管電壓定額：ud=(23)u=(23)*660v=1900v根據(jù)上式確定的電壓電流，選用200a，2000v的二極管。(2) 濾波電容參數(shù)當沒有濾波電容時，三相整流輸出平均直流電壓為：udc=3/*u線=1.35*660=891v加上濾波電容后，vdc的最大電壓可達到交流線電壓的峰值：udc=*u線=*660=933v選用兩個600v的電容串聯(lián)，總耐壓值為1200v (3) igbt參數(shù)正反相峰值電壓：um =u=660=933(v)通態(tài)峰值電流：im=i=103a三相全橋逆變器選用1700v,300a的igbt2.3驅動電路設計本設計的逆變電路采用了igbt ，而igbt應用關鍵是其驅動電路和保護電路設計。驅動電路要保證一條低阻抗的放電回路，同時驅動電源的內阻一定要小，即柵極電容充放電速度要快，以保證vge有較陡的前后沿，使igbt開關損耗盡量要小。當igbt承受短路電流時驅動電路能及時關斷，從而對igbt 進行有效保護。因此，驅動電路的結構和參數(shù)會對igbt的運行性能產生顯著影響，如開關時間、開關損耗、短路電流保護能力和抗dv/dt 能力等。根據(jù)igbt的型號類型和參數(shù)指標合理設計驅動電路對于充分發(fā)揮igbt 的性能是十分重要的。對于igbt的驅動多采用專用的混合集成驅動器，市場上有很多種igbt驅動集成電路可供選擇。由于本設計所選的刮板輸送機的電動機功率很大，為75kw，軟起動器逆變電路選用的igbt是1700v,300a，因此必須選用大功率的igbt驅動芯片。市場上常用的大功率igbt芯片主要有以下幾種：日本三菱公司的m579系列、瑞士concept公司生產的2sd系列等。結合本設計的igbt選型，這里選用了日本三菱公司的m57962k-01作為驅動芯片，m57962k-01的主要技術參數(shù)如表2-3所示：表2-3 m57962k-01的主要技術參數(shù)峰值輸出電流短路保護電路直接應用驅動模塊范圍電壓電流m57962k-015amps有1700v400am57962k-01由光耦合器、接口電路、檢測電路、定時復位電路以及門關斷電路組成，因其驅動可靠價格低廉被廣泛地應用于大功率igbt驅動領域。它采用雙電源驅動結構，內部集成有2500v高隔離電壓的光耦合器和過電流保護電路。過電流保護輸出信號端子和與ttl電平相兼容的輸入接口。圖2-3是其內部原理框圖：圖2-3 m57962k-01內部功能模塊框圖本文設計的刮板輸送機變頻軟起動器的igbt驅動電路如圖2-4所示圖2-4 igbt驅動電路2.4檢測電路設計2.4.1 轉速檢測電路設計由于煤礦工作環(huán)境復雜，刮板輸送機在起動和運行時常出現(xiàn)難起動和堵轉等情況，為保證刮板輸送機工作正常，本設計以電動機的轉速信號作為反饋量，通過檢測電動機的轉速判斷電動機是否出現(xiàn)堵轉。在眾多的數(shù)字式轉速傳感器中，霍爾傳感器具有無觸點、長壽命、高可靠性、無火花、無自激振蕩、溫度性能好、抗污染能力強、堅固、體積小、耐沖擊等優(yōu)點，所以本設計選用霍爾效應接近式傳感器作為系統(tǒng)中電機的轉速傳感器。該傳感器是開關元件，直接輸出為脈沖頻率信號，但是由于存在電磁噪聲干擾，必須對信號進行處理，從而提高采集準確度和抗干擾能力。處理后的信號轉換成標準的方波信號，將該信號傳輸?shù)絾纹瑱C上，再經(jīng)過相應的軟件設計，就可得出電機的轉速。霍爾轉速傳感器的輸出脈沖頻率與轉速成正比，根據(jù)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖速度測量轉速的方法主要有：m法(測頻率法)、t法(測周期法)和mt法(頻率周期法)。本設計的刮板輸送機變頻軟起動系統(tǒng)采用測周期法(t法)，它是測量霍爾傳感器所產生的相鄰兩個轉速脈沖信號的時間來確定轉速的。轉速信號處理電路如圖2-5所示：圖2-5 基于霍爾傳感器的轉速信號處理電路2.4.2 電流檢測及過流保護電路設計刮板輸送機變頻軟起動的整個起動過程中都需要對起動電流進行實時檢測：一方面將電流值送入控制器cpu中進行數(shù)值計算，完成電機起動；另一方面與過流設定值進行比較，實現(xiàn)過流故障的及時保護。如圖2-6所示，本設計中采用三個電流互感器作為檢測元件，檢測未整流前主電路中的三相電流。其三相電流輸出端u、v、w經(jīng)二極管三相整流、電容濾波、電阻分壓后得到一直流電壓信號，再經(jīng)過由運算放大器構成的電壓跟隨器后，送入cpu的ad口進行ad轉換就得到了我們需要的電流信號。為保護單片機的ad口不受干擾電壓尖峰損壞，特別加入了由二極管構成的電壓限幅環(huán)節(jié)。圖2-6 電流檢測電路2.5保護電路設計2.5.1過壓欠壓保護電路圖2-7 過壓欠壓保護電路系統(tǒng)中設置了電壓過壓、欠壓保護電路。我國電網(wǎng)電壓的線性度較差，電壓會有一定的波動范圍，這會導致過壓或欠壓，因此應設置電壓過壓、欠壓保護電路，電路如圖2-7所示。采用變比為22：1的變壓器來檢測未整流前主電路中的三相電電壓，檢測到的交流電壓經(jīng)整流電路整流后變?yōu)橹绷麟妷骸Ｖ绷麟妷航?jīng)電阻r2，r4分壓和光耦隔離后送入控制電路。光電耦合器是用來抑制輸入信號的共模干擾。利用光電耦合器把各種模擬負載與數(shù)字信號源隔離開來，也就是把“模擬地”與“數(shù)字地”斷開。被測信號通過光電耦合獲得通路，而共模干擾由于不能形成回路而得到有效抑制。特別值得注意的是在這里的隔離光耦是工作在線性工作區(qū)內,所以該電路能同時實現(xiàn)過壓和欠壓保護。在線性工作區(qū)光耦的傳輸比為70，正向壓降為12v。通過設置滑動變阻器r1、r2的值可以改變過壓和欠壓的電壓參考點。（1）工作原理：在過(欠)壓保護中，當采樣電壓高(低)于保護參考點v2(v1)，則ovh(ovl)輸出低電平，與其它故障信號相與后送入單片機，當單片機接收到低電平信號，單片機將做出相應的中斷處理，立即封鎖pwm輸出及停止運行。(2)保護點參數(shù)選擇，設置經(jīng)過整流的直流電壓-10%至+10%為允許的電壓變化范圍。經(jīng)降壓整流后直流電壓：ud=2.34u2/22=2.34*660/1.732/22=40.5v過壓保護電壓： u1= ud*(1+10%)=44.6v欠壓保護電壓： u2= ud*(1-10%)=36.5v 選用光耦tlp559，線性工作區(qū)的傳輸比為70，正向壓降為12v, 光耦線性工作區(qū)的電流為if=lma。ir4=1.2/r4=1.2v/1.2k=1 m air2= if+ ir4=2m ar2= (ud -1.2)/ir2= (40.5-1.2)/ 2m a=19.7k選擇r2的大小為19.7k過壓保護電壓參考點設為：v1=(u1-1.2)/r2- ir4)*r5*70%=(44.6-1.2)/19.7 k- 1 ma)*5k*70%=4.2v欠壓保護電壓參考點設為：v2=(u2-1.2)/r2- ir4)*r5*70%=(36.5-1.2)/19.7 k- 1 ma)*5k*70%=2.77v因此，調試時，需將rpl、rp2的輸出電壓vl、v2分別調節(jié)到4.2v和2.77v以達到過壓、欠壓保護的目的。2.5.2泵升控制電路在主回路中，直流電源電壓兩端并聯(lián)較大容量的電解電容，它除了可以減少直流電源電壓的脈動外，還做儲能用。由于主回路直流側采用不可控整流，感應電動機減速或停車時，儲存在電動機轉子和負載中的機械能不能回饋給電網(wǎng)，大部分機械能變?yōu)殡娔芊答伒诫娙葜校娙菸樟诉@些電能后，它兩端的電壓就會升高產生所謂的泵升電壓u，如圖2-8所示。圖2-8 泵升電壓現(xiàn)象如果沒有對此電壓進行限制，它將對igbt造成永久性的損害,因此需要設計泵生電壓檢測電路，電路如圖2-9所示：泵生電壓保護信號取自主回路濾波電容器兩端，經(jīng)電阻r2，r4分壓和光耦隔離后送入比較電路。當采樣電壓高于保護參考點v時，則輸出口輸出低電平，經(jīng)故障保護綜合電路處理后送入單片機中端口，單片機將做出相應的處理。 保護點參數(shù)選擇：設定電壓值當超過正常直流電壓55%時，單片機動作。整流后直流電壓：ud=2.34u2/=2.34*660/1.732=891v泵生保護電壓： u= ud*(1+55%)=1381v 選用光耦tlp559，線性工作區(qū)的傳輸比為70，正向壓降為12v, 光耦線性工作區(qū)的電流為if=lma。ir4=1.2/r4=1.2v/1.2k=1 m air2= if+ ir4=2m ar2= (ud -1.2)/ir2= (1381-1.2)/ 2m a=689.9k選擇r2的大小為689.9k泵生保護電壓參考點設為：v1=(u-1.2)/r2- ir4)*r5*70%=(1381-1.2)/ 689.9k- 1 ma)*5k*70%=3.5v因此，調試時，需將rpl輸出電壓v調節(jié)到3.5v以達到壓保護的目的。圖2-9 泵生電壓檢測電路如圖2-10泵生控制電路所示：泵生電壓檢測電路將檢測信號送給cpu的同時也將信號送給泵生控制電路，使三極管導通，繼電器常開觸頭閉合，這樣使濾波電容存儲的能量消耗在制動電阻上，確保變頻系統(tǒng)安全可靠的工作。圖2-10 泵生控制電路2.5.3過熱保護電路交流調速裝置是利用高速功率開關管的開關實現(xiàn)的，開關管導通時會有導通損耗，在開關過程中會有開關損耗，在開關頻率高時尤甚。功率損耗會使器件溫度升高，溫度過高將會損壞功率管。因此，在igbt模塊的散熱器上需要加上一個溫度開關，正常狀態(tài)下溫度開關為常開觸點，光耦截止，輸出信號為0；當溫度超過設定溫度，溫度開關動作，光耦導通，輸出信號為1，將該信號送至cpu，發(fā)出過熱警報。過熱保護電路如圖2-11所示：圖2-11 過熱保護電路2.5.4 斷鏈保護電路在刮板刮板輸送機起動過程中，要求有很大的起動轉矩，此時，增大了鏈條承受到動張力，當其超過了極限或鏈條腐蝕、磨損時，就極易斷裂。據(jù)統(tǒng)計，刮板輸送機斷鏈事故約占刮板輸送機事故總數(shù)的25%，為此本設計的刮板輸送機變頻軟起動器專門設計了斷鏈保護檢測裝置，以及時發(fā)現(xiàn)刮板輸送機的斷鏈情況，實現(xiàn)刮板輸送機的順利起動和正常運行。圖2-12 機頭鏈輪錯牙形成過程下面對機頭鏈輪錯牙的形成過程進行分析：如圖2-12所示，在正常運轉狀態(tài)中，鏈條立環(huán)最高點與圓心之間距離(半徑)為r1，此時立環(huán)底部稍有懸空，但相對轉動軸心r1為定值。在運轉中，由于牙輪單側塞煤過多、異物進入墊起，或者從動鏈過松，可導致錯牙，在此過程中，鏈環(huán)l被墊高，r1變?yōu)閞2。當鏈環(huán)墊至足夠高度時(一般來說橫環(huán)2將要越過齒頂即可)，就可能發(fā)生鏈條相對鏈輪產生相對串動，即造成錯牙。圖2-13機頭鏈輪正前方安設的兩個串聯(lián)監(jiān)測點基于以上分析，采用以下方案來對斷鏈現(xiàn)象進行監(jiān)測：如圖2-13所示，在機頭鏈輪正前方安設兩個串聯(lián)的監(jiān)測點(一般采用常閉接點的接近開關)。接近開關動作距離定為15mm，當錯牙發(fā)生時。鏈環(huán)鼓起，距離縮短到接近開關測量范圍內，則開關內部接點斷開，控制線路動作，使設備停車。斷鏈保護電路如圖2-14所示。圖2-14 斷鏈保護電路2.5.5 堆煤保護電路刮板輸送機在工作過程中是一條線運輸，由于工作條件惡劣、夾矸、時停時開等原因，前一部設備停止運行時，稍不注意，在刮板輸送機的機頭就會堆滿原煤，造成機頭堵死，這將產生嚴重危害，輕則使刮板機起動困難，設備停運影響生產，重則造成燒電機、斷鏈、翻機頭等設備事故。為使刮板輸送機能順利起動且正常運行本文設計了刮板輸送機堆煤保護裝置。該裝置能夠自動檢測到刮板輸送機發(fā)生的堆煤情況，同時切斷igbt逆變電路，停止該部刮板輸送機的運轉且必須人為起動方能繼續(xù)運行。堆煤保護裝置的原理是在將堆煤傳感器的正極在機頭上方合適位置固定懸掛，負極接地。當刮板輸送機的機頭的堆煤量超過設定量時，煤與傳感器正極接觸，以煤為傳導介質，堆煤超量信號由低電平變?yōu)楦唠娖剑?jīng)電路處理侯送入cpu,單片機作出相應動作。堆煤保護電路如圖所示。圖2-15 堆煤保護電路2.5.6故障綜合處理電路系統(tǒng)保護電路設計了過壓欠壓保護電路、泵生電壓保護電路和過熱保護電路、斷鏈保護電路和堆煤保護電路。為了使單片機能及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)的各種故障，將所有的保護電路的故障信號輸出送入故障綜合處理電路，然后連接只80c196mc的外部中斷輸入口extint，電路如圖2-16所示，當單片機80c196mc的外部中斷輸入口extint收到高電平時信號時，表示系統(tǒng)某一部分出了故障，單片機將做出相應的中斷處理，立即封鎖pwm輸出及停止運行。圖2-16系統(tǒng)綜合保護電路2.6控制電路設計2.6.1選擇主控芯片80c196mc隨著大功率開關器件制造技術的發(fā)展，大功率晶體管在電氣傳動的領域的應用越來越廣泛，功率晶體管的spwm 控制技術也越來越受到人們的歡迎，并在諸多的領域的控制過程中發(fā)揮著重要作用。spwm信號生成的方法有很多種，常用的有用軟件產生，用模擬電子電路產生，以及用專用集成芯片產生等方法。用軟件生成spwm波形較多地占用cpu的時間，不利于用單片機實現(xiàn)快速控制，用模擬電路及專用芯片額外增加了硬件開銷，降低了系統(tǒng)的可靠性。計算機的發(fā)展使人們傾向于用單片機來合成spwm信號。目前用單片機產生spwm信號，通常是根據(jù)某種算法計算、查表、定時輸出三路波形，再由外部硬件電路加以延時互鎖變成六路信號，受速度限制， cpu不易輸出高頻信號。intel公司的80c196mc是intel公司繼8096bh之后推出的一款高性能16位微控制器，芯片特別集成了專為電機控制而設計的波形發(fā)生器(wfg)這一功能外設，使得它在電機控制中倍受青睞。因此，它也被稱為電機控制器(motor controller)，本設計選用的就是80c196mc。2.6.2 80c196mc結構特點80c196mc由一個c196核心，一個三相波形發(fā)生器(wfg)和若干其他片內外設構成。其片內外設包括一個13路通道的ad轉換器，一個事件處理器陣列(epa)，兩個16位定時器和一個脈寬調制單元(兩個pwm輸出)。其結構原理框圖如圖2-17所示。由于它豐富的硬件接口、高速的處理能力及較低的功率消耗，使得80c196mc單片機可以應用于各個領域。技術性能指標：(1) 支持64kb的存儲器空間。除幾個專用區(qū)和保留的區(qū)域外，其余的可由用戶任意安排為程序或數(shù)據(jù)存儲區(qū)。具有512字節(jié)的片內寄存器陣列，分為低端寄存器陣列和高端寄存器陣列，并支持窗口尋址技術，尋址快速簡捷。同時由于采用chmos工藝，芯片耗電少。除正常工作模式外還能工作于2種節(jié)電模式：待機方式和掉電方式，進一步減少了芯片功耗。(2) 集成三相波形發(fā)生器wfg，可以方便快捷地產生同步脈寬調制(pwm)波形，簡化了電路硬件設計，方便了軟件編程。另外該單片機集成眾多功能外設：一個13路通道的ad轉換器、2個16位定時器計數(shù)器、脈寬調制pwm單元和監(jiān)視定時器watchdog等。(3)事件處理器陣列epa，具有捕獲和比較兩種功能，使用靈活方便。(4)獨具風格的外設事務服務器pts。在80c196mc眾多的功能部件中，以三相波形發(fā)生器wfg、事件處理器陣列epa和外設服務功能pts最具特色。圖2-17 intel80c196mc框圖三相波形發(fā)生器三相波形發(fā)生器wfg是80c196mc單片機所獨具的特點之一。這一外設裝置大大簡化了用于產生同步脈寬調制(pwm)波形的控制軟件和外部硬件，特別適用于控制三相交流感應電機。wfg的組成模塊框。wfg含有三個同步的pwm模塊，每個模塊包含一個相位比較器、一個無信號時間發(fā)生器和一對可編程的輸出(wgn和)。wfg可以產生獨立的三對pwm波形，它們有著共同的載波頻率、無信號時間和操作方式。pwm波形的周期由wg_ reload周期寄存器進行設置，占空比則經(jīng)wg_compn進行設定。一旦起動之后，wfg只要求cpu在改變pwm的占空比時加以干預。當出現(xiàn)外部故障中斷信號時，保護電路會立即封鎖pwm輸出，并向cpu申請中斷，執(zhí)行相應的保護措施。用wfg來產生晶閘管驅動脈沖波形，程序編制簡單方便，運行可靠，大為減小了cpu的開銷。事件處理陣列epaepa (event processor array) 用于處理與輸入和輸出有關的事件，它相當于8098的高速輸入口hsi和高速輸出口hso，但在功能上又增加了許多。在輸入方式中，它用于監(jiān)測輸入引腳上的邊沿跳變信號(上升沿、下降沿或任一種跳變)。一旦有相應的跳變產生，則記錄當時的定時或計數(shù)值，這個過程稱為捕捉，在輸出方式中，它用于比較定時/計數(shù)器與用戶設定的常數(shù)。當相等時，則觸發(fā)一個相應的輸出事件(置1,清0)，這個過程稱為比較。80c196mc有四個同樣的捕捉/比較模塊，四個比較模塊可分別設置成不同的工作方式。epa有兩個16位的雙向定時/計數(shù)器t1和t2。 其中，定時器t1可工作在晶振時鐘模式。在這種方式下， epa可以直接處理光碼盤輸出的兩路相位差90度的脈沖。只要將這兩個信號分別接在cpu的t1 clk ( p1.2)和t1 dir ( p1.3)引腳上即可。它省去了一些硬件處理電路而且非常可靠。外設處理服務功能pts所謂pts是一種類似于dma的處理方式。它與cpu “并行”工作，較少占用cpu時間，并用微指令碼來代替中斷服務程序，一旦設置完成，這種微指令碼的執(zhí)行是自動的，不需要cpu干預。任何一種中斷方式(不可屏蔽中斷nmi除外)都可以設置成pts工作方式。pts的主要方式包括數(shù)據(jù)塊的傳送，a/d轉換，串行通訊及事件處理。在構成數(shù)字電流環(huán)時，電流反饋要經(jīng)過a/d轉換器采入cpu內部進行處理，而a/d轉換器通常要占去幾十微秒的時間，轉換后再進行電流環(huán)計算已經(jīng)太晚，不利于快速控制。若將a/d轉換成pts方式，除去pts初始化所占用的很少的時間外，a/d轉換將由pts自動完成，這段時間cpu可用于處理電流環(huán)，這對于電流環(huán)的快速性非常有用。2.6.3 80c196mc存儲器擴展電路存儲器擴展電路主要是由兩片片程序存儲器2764，用來存放程序代碼，同時由于 80196mc本身的數(shù)據(jù)存儲器資源有限，另外為了以后系統(tǒng)的擴展性，擴展一片數(shù)據(jù)存儲器6264。擴展電路如圖2-18所示：圖2-18 80c196mc存儲器擴展電路第一片程序存儲器的地址范圍為：2000h-3fffhp4.7 p4.6 p4.5 p4.3 p4.2 p3.1 p3.0 p3.7 p3.6 p3.5 p3.3 p3.2 p3.1 p3.00 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1第二片程序存儲器的地址范圍為：4000h5fffhp4.7 p4.6 p4.5 p4.3 p4.2 p3.1 p3.0 p3.7 p3.6 p3.5 p3.3 p3.2 p3.1 p3.00 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1數(shù)據(jù)存儲器的地址范圍為：0000h1fffhp4.7 p4.6 p4.5 p4.3 p4.2 p3.1 p3.0 p3.7 p3.6 p3.5 p3.3 p3.2 p3.1 p3.00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 12.6.4 看門狗電路刮板輸送機工作條件惡劣，單片機的工作常常會受到來自外界電磁場的各種干擾,從而造成程序的跑飛而陷入死循環(huán)。程序的正常運行被打斷，由單片機控制的系統(tǒng)將無法繼續(xù)工作,會造成整個系統(tǒng)的陷入停滯狀態(tài)，當系統(tǒng)出現(xiàn)各種故障時，單片機無法做出響應，保護電路失效。為了使刮板輸送機能正常運行，各種保護電路能正常工作，本文設計了看門狗電路，此電路還帶有電源保護作用。如果電源電壓波動較大或斷電，可輸出中斷信號，使單片機將當前有用的數(shù)據(jù)進行保存，電路如圖2-19所示：電路采用的max813l芯片有以下特點：加電、掉電以及供電電壓下降情況下的復位輸出，復位脈沖寬度典型值為200 ms；獨立的看門狗輸出，如果看門狗輸入在16 s內未被觸發(fā)，其輸出將變?yōu)楦唠娖剑?.25 v門限值檢測器，用于電源故障報警、電池低電壓檢測或5 v以外的電源；低電平有效的手動復位輸入。圖2-19看門狗電路max813l的引腳及功能： (1)手動復位輸入端（）：當該端輸入低電平保持140 ms以上，max813l就輸出復位信號 (2)工作電源端（vcc）：接+5v電源。 (3)電源接地端（gnd）：接0 v參考電平。 (4)電源故障輸入端（pfi）：當該端輸入電壓低于125 v時，5號引腳輸出端的信號由高電平變?yōu)榈碗娖健?(5)電源故障輸出端（)：電源正常時，保持高電平，電源電壓變低或掉電時，輸出由高電平變?yōu)榈碗娖健?(6)看門狗信號輸入端（wdi）：程序正常運行時，必須在小于16 s的時間間隔內向該輸入端發(fā)送一個脈沖信號，以清除芯片內部的看門狗定時器。若超過16 s該輸入端收不到脈沖信號，則內部定時器溢出，8號引腳由高電平變?yōu)榈碗娖健?(7)復位信號輸出端（rst）上電時，自動產生200 ms的復位脈沖；手動復位端輸入低電平時，該端也產生復位信號輸出。 (8)看門狗信號輸出端（）；正常工作時輸出保持高電平，看門狗輸出時，該端輸出信號由高電平變?yōu)榈碗娖健?如圖2-19給出的看門狗電路所示，此電路可以實現(xiàn)上電、瞬時掉電以及程序運行出現(xiàn)“死機”時的自動復位和隨時的手動復位。電路巧妙地利用了max813l的手動復位輸入端。只要程序一旦跑飛引起程序“死機”，端電平由高到低，當變低超過140 ms，將引起max813l產生一個200 ms的復位脈沖。同時使看門狗定時器清0和使引腳變成高電平。也可以隨時使用手動復位按鈕使max813l產生復位脈沖，由于為產生復位脈沖端要求低電平至少保持140ms以上，故可以有效地消除開關抖動。該電路可以實時地保護電源故障（掉電、電壓降低等）。單片機的電源經(jīng)滑動變阻器和電阻后接入pfi,電源正常時，確保max813l的pfi輸入端電平高于1.26 v。當電源發(fā)生故障，pfi輸入端的電平低于126v時，電源故障輸出端電平由高變低，引起單片機extint中斷，cpu響應中斷，執(zhí)行相應的中斷服務程序，保護數(shù)據(jù)，斷開外部用電電路等。2.7 鍵盤顯示電路在數(shù)字控制系統(tǒng)中，變頻軟起動器參數(shù)的設定及操作比較復雜，因此，必須為用戶提供一個友好的人機界面。本設計的顯示采用8位數(shù)碼管 (led)顯示，8個按鍵組成的鍵盤和cpu之間進行數(shù)據(jù)交換。其中鍵盤封裝在變頻軟起動器內部，主要供工程師進行參數(shù)設定和維修調試使用，數(shù)碼管在外部，現(xiàn)場工人和工程師均可使用。圖2-20 鍵盤顯示電路、如圖2-20所示，鍵盤顯示電路采用intel公司生產的可編程鍵盤和顯示器的接口電路芯片8279。8279可以實現(xiàn)對鍵盤和顯示器的自動掃描，識別閉合鍵的鍵號，完成顯示器動態(tài)顯示，可以節(jié)省cpu處理鍵盤和顯示器的時間，提高cpu的工作效率。另外，8279與單片機的接口簡單，顯示穩(wěn)定，工作可靠，所以本設計使用8279做鍵盤顯示電路。同時，電路采用74ls245作為驅動芯片，它是8路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器，可雙向傳輸數(shù)據(jù)。74ls245還具有雙向三態(tài)功能，既可以輸出，也可以輸入數(shù)據(jù)。當片選端低電平有效時，dir=“0”，信號由 b 向 a 傳輸； dir=“1”，信號由 a 向 b 傳輸；當片選端為高電平時，a、b均為高阻態(tài)。8279芯片的信號引腳及功能如下所示：db0db7：雙向數(shù)據(jù)總線。在cpu與8279間做數(shù)據(jù)與命令的傳送。clk：8279的系統(tǒng)時鐘，100khz為最佳選擇。reset：復位信號，輸入線，當reset=1時，8279復位，其復位狀態(tài)為：16個字符顯示，編碼掃描鍵盤雙鍵鎖定，程序時鐘編碼1。：芯片選擇信號，低電平有效。a0：區(qū)分信息的特征位。a0=1時，讀取狀態(tài)標志位或寫入命令；a0=0時，讀寫一般數(shù)據(jù)。：讀取控制線。=0，8279會送數(shù)據(jù)至外部總線。：寫入控制線。=0，8279會從外部總線捕捉數(shù)據(jù)。irq：中斷請求輸出線，高電平有效。在鍵盤工作方式中，當fifo傳感器ram中有數(shù)據(jù)時為“1”，cpu每讀一次就變?yōu)?，如果ram中仍有數(shù)據(jù)則irq又變?yōu)椤?”。在傳感器工作方式中，傳感器矩陣無論哪里發(fā)生變化都會使irq為“1”。 sl0sl3：掃描按鍵開關或傳感器矩陣及顯示器，可以是編碼模式或解碼模式。rl0rl7：回復輸入線，它們是鍵盤或傳感器的列（或行）信號輸入線；平時保持為“1”，當矩陣結點上有鍵（開關）閉合時變?yōu)椤?”。shift：移位信號輸入線，高電平有效。通常用來擴充鍵開關的功能，可以用作鍵盤上、下檔功能鍵。在傳感器方式和選通方式中，shift無效。cntl/：控制/選通輸入線，高電平有效。通常用來擴充鍵開關的控制功能，作為控制功能鍵用。在選通輸入方式時，該信號的上升沿可把