立井提升机液压制动系统及其控制器研究

左大伟

(西山煤电建筑工程集团有限公司 矿建第一分公司 ，山西 太原 030052)

0 引言

煤炭是重要的能源之一，我国的煤炭消费在一次能源中占比超过60%。立井提升机是连接煤矿井上井下的桥梁，不仅关系到煤炭和物料运输通道的畅通，更关系到人员上、下井的安全。调查表明：在立井提升机故障中，由制动系统产生的故障占大部分，因此制动系统控制技术是保障立井提升机安全运行的重要技术。为此，本文对立井提升机液压制动系统和控制器进行研究。

1 液压制动系统组成及结构

液压制动系统结构框图如图1所示，具体分为状态监测模块、主控制器、制动执行机构和传感器部分。在对盘式制动阀常见故障进行分析的基础上，总结出立井提升机制动系统各关键参数，然后开发出一种状态监测装置，监测对象包括油温、油压、电机电流、制动盘偏摆量、空动时间和闸瓦间隙等。状态监测装置将上述状态量传送给主控单片机，主控单片机一方面控制电液比例溢流阀和电磁换向阀，通过相关传感器返回实际参数，实现闭环控制，另一方面通过RS485通信将状态信息和控制信息发送给监控计算机，监控计算机再进行进一步处理与存储，方便主控人员调取查看。电液比例溢流阀和电磁换向阀是立井提升机制动系统的被控对象。

图1 液压制动系统结构框图

1.1 电液比例溢流阀

通过连续调节电液比例溢流阀的阀口开度，可以得到连续变化的液压站出油压力。为了能够达到连续调节的目的，主控单片机发出的控制信号为PWM波，经过功率放大和MOSFET反接卸荷电路，驱动电液比例溢流阀动作。为了实现闭环控制和过流保护功能，通过电液比例溢流阀负载回路中串接的采样电阻对电液比例阀的电流进行采样。图2 为电液比例溢流阀控制结构框图。

图2 电液比例溢流阀控制结构框图

1.2 电磁换向阀

立井提升机液压站的油路通常通过电磁换向阀进行开合控制，因此电磁换向阀的驱动与保护非常重要。电磁换向阀的工作原理是利用了电磁铁，频繁动作的电磁铁耗能较多，因此设计中采用延时PWM波占空比的方式，降低电磁换向阀线圈保持电流，在保证可靠开启和关闭的情况下达到了节约电能的目的。图3为电磁换向阀控制结构框图，主控单片机通过信号给定电路向PWM驱动芯片发送控制信号，PWM驱动芯片通过驱动主电路控制电磁换向阀的开度，状态反馈电路检测电磁换向阀的开度，返回给主控单片机，实现闭环控制。PWM驱动芯片的外围电路有3组：振荡频率设置电路实现PWM载波频率的调节，频率越高，则控制平滑度越好，但是频率过高会使得MOSFET开关损耗过大，因此需设置合适的载波频率；延时电路能够调节PWM波的时间，达到降低电磁换向阀线圈电流的作用；保护电路是保护MOSFET不在干扰信号的作用下意外导通。此外，电磁换向阀和PWM驱动芯片需要外部电源对其供电。

2 控制器结构及硬件设计

立井提升机液压制动系统的主控制器是整个控制系统的核心，通过状态监测装置发送的相关参数，经控制器程序处理后，完成对比例溢流阀和电磁换向阀的控制。图4为控制器结构框图。

图3 电磁换向阀控制结构框图

图4 控制器结构框图

如图4所示，控制器的硬件包括主控单片机、电流采样与过流保护电路、模数转换电路、功率放大电路、485通信电路和电源电路等。

2.1 主控单片机

AT89S8253是Atmel公司生产的一种低功耗、高性能8位单片机处理器，具有12 kB Flash程序存储器和2 kB数据存储器。AT89S8253采用高密度且非易失性存储器制造，与常用80C51系列单片机产品完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适用于常规编程器。在嵌入式应用控制系统中，AT89S8253是一种高灵活、高效率的微处理器。

2.2 电流采样与过流保护电路

在比例溢流阀线圈回路串联一个采样电阻，其阻值尽量小以降低其对线圈阻抗的影响。取采样电阻的电压经光耦隔离和信号调理电路对其进行功率放大与滤波后，输出到模数转换电路，进而转化为单片机能够接收的数字信号。图5是过流保护电路原理图，电液比例溢流阀线圈过流保护电路实际是一个电压比较电路，电流采样电路转换后的电压信号经过一个电压比较电路，与预设电压进行比较，若出现过流信号，则过流保护输出信号EC变大，EC经光耦和功率放大后可控制MOSFET关断，保护电路。

2.3 模数转换电路

状态监测装置中的电压传感器、电流传感器以及电液比例阀控制装置中的角加速度传感器信号，经信号调理电路处理后，转化为合适大小的模拟信号，这些模拟信号不能直接被单片机接收，需经过模数转换电路进行处理，转换成单片机能够接收的数字信号。本系统采用的模数转换芯片为ADS7852Y，其具有8路信号输入通道，其中1路～6路为状态监测装置电压电流通道，7路为滚筒角速度通道，8路为电液比例阀角加速度通道。ADS7852Y输出精度可达12位，供电电源为5 V。

图5 过流保护电路原理图

2.4 功率放大电路

单片机发出的PWM控制信号需经过功率放大电路驱动MOSFET，进而通过比例阀感性负载控制电液比例溢流阀，功率放大电路电气连接框图如图6所示。选用IR2100作为功率放大芯片，其高低电平输入通道HIN、LIN各自独立，且逻辑电平为5 V～15 V，无需单独配置电源。控制信号PWM_H、PWM_L经光耦芯片HCPL-817-30LE隔离输入到功率放大芯片IR2100，控制MOSFET反接卸荷式电路，MOSFET开通时系统运行；MOSFET关闭时,比例阀感性负载承受反压电流下降。

图6 功率放大电路电气连接框图

2.5 485通信电路

485通信电路采用RSM485CT芯片，其内部电源相互隔离，具有接口与总线保护功能，供电电源为5 V，传输波特率为9 600 b/s。

2.6 电源电路模块

根据各电路供电需求，控制器的电源为直流+5 V、+7.5 V和+24 V三种，各类型用电负载见表1。

表1 控制器各类型负载

3 控制器软件设计

控制器的软件包括控制器主程序、信号采样子程序、模数转换子程序、数据处理子程序、外部ROM存储子程序、模糊控制子程序、PWM波占空比子程序和RS485通信子程序等。本文仅对控制器主程序和PWM波占空比调节子程序进行说明。

3.1 控制器主程序

控制器的主程序流程如图7所示，程序开始，系统首先完成初始化与自检，然后通过电压传感器、电流传感器和角加速度传感器进行数据采集(设定采集数据为5次，以保证数据的有效性)，当获取5次采集数据之后，将数据进行模数转换并在ROM中存档，然后进行制动信号判断，若制动信号为“是”则进入模糊控制子程序，然后通过调节占空比改变比例溢流阀的开度，若制动信号为“否“则不动作。所有的动作信号通过485通信子程序向上位机传达。

图7 控制器主程序流程

3.2 PWM波占空比调节子程序

图8为PWM波占空比调节子程序流程，将主控芯片单片机内部定时器1(T0)设置为T2模式，即自动重装模式。n为计数器计数值，N为占空比计数值，T为周期计数值。当到达给定计时时间后，计数器计数值n加1，并将其与给定占空比计数值比较，若小于则输出高电平，否则输出低电平。一个周期结束后重置计数器计数值为1，最后判断标志位结束子程序。

4 结论

立井提升机是井上井下运输通道的关键设备，其安全可靠运行不仅关系到煤炭和物料运输的畅通，还关系到井下工作人员的生命安全。本文对矿用立井提升机液压制动系统控制技术进行了研究，以提高设备维护人员对其工作原理的认知，对煤矿安全生产具有重要意义。

图8 PWM波占空比调节子程序流程