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1、摘要刮板输送机是煤矿开采的关键设备之一，是采煤工作面唯一的连续运输设备。随着刮板输送机装机功率的增大，它的起动问题越来越成为人们关注的焦点。软起动器因为起动电流小、节约能源以及减少了对机械的起动冲击，而广泛应用于三相笼型异步电动机的起动中。传统的降压起动方法基本上是靠单纯的降低电压来起动电动机的，起动转矩很小，不适用于刮板输送机。本文在分析大功率刮板输送机的基础上，根据刮板输送机的具体要求，采用变频调速技术来实现刮板输送机变频软起动。系统的控制电路采用新的起动方法变频起动，来保证电动机在起动初期具有低电流、高转矩的特性。系统采用IGBT作为主功率器件，以80C196MC单片机为控制核心，充分利
2、用其片内波形发生器能直接用软件产生PWM波的特点，同时采用M57962K-01构成IGBT的驱动电路，在控制上采用恒UF控制且在低频补偿的策略。本文还给出了系统的软件、硬件和保护电路的设计方法。这些设计使系统能够可靠工作，运行状态良好，达到了设计目的。关键词：刮板输送机； 变频软起动； 变频调速； 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
3、 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-voltag
4、e 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 , th
5、is 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
6、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 contro
7、l 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
8、; constant VF control ; PWM wave ; 80C196MC 目录摘要1Abstract2目录31绪论11.1刮板输送机基本结构11.2刮板输送机的起动控制要求21.3交流异步电动机起动方式比较31.4论文研究的内容42 刮板输送机变频软起动器硬件电路设计52.1系统硬件电路结构总体设计52.3驱动电路设计92.4检测电路设计112.4.1 转速检测电路设计112.4.2 电流检测及过流保护电路设计122.5保护电路设计132.5.1过压欠压保护电路132.5.2泵升控制电路152.5.3过热保护电路172.5.4 断链保护电路172.5.5 堆煤保护电路192.5.
9、6故障综合处理电路202.6控制电路设计212.6.1选择主控芯片80C196MC212.6.2 80C196MC结构特点212.6.3 80C196MC存储器扩展电路232.6.4 看门狗电路252.7 键盘显示电路272.8 外围输入电路292.9系统供电电源设计303 刮板输送机变频软起动器软件设计323.1刮板输送机起动特点及变频软起动曲线选择323.2变频软起动器的恒压频比控制方式343.3变频软起动器的SPWM产生方式373.4 变频软起动器主程序383.5刮板输送机变频软起动参数设置子程序403.6 基于Harrison曲线的SPWM子程序403.6.1 SPWM波形生成原理与控
10、制算法403.6.2 基于Harrison曲线的SPWM输出程序433.7 A/D 转换子程序443.8堵转自动控制程序474 系统运行484.1变频软启动器运行前参数的整定484.2变频软启动器运行过程48结论54附录 刮板输送机变频软起动器电路图55参 考 文 献56致谢571绪论1.1刮板输送机基本结构刮板输送机是综采工作面的关键设备，在煤炭生产过程中有无可替代的作用，它的工作情况直接影响井下的生产。工作面刮板输送机主要用来与采煤机、液压支架、顺槽转载机、破碎机和带式输送机配套而实现综采工作面的落煤、装煤、运煤、移溜和顶板支护等工序的机械化。刮板输送机一般适用于018-415m的煤层，并
11、可作为采煤机和刨煤机运行的轨道和安装基础，以及液压支架向前移动的支点。刮板输送机的主要结构如图1-1所示：图1-1 刮板输送机结构图机头部机头部是由机头架、链轮、减速器、盲轴、联轴器和电动机组成，它是将电动机的动力传递给刮板链的装置。机尾部机尾部分为有驱动装置的和无驱动装置的两种。图1-1所示为有驱动装置的机尾部，因机尾不需要卸载高度，除了机尾架与机头架有所不同外，其他部件与机头部相同。中部槽与附属部件中部槽是刮板输送机的机身，由槽帮钢和中板焊接而成，上槽是装运物料的承载槽，下槽底部敞开供刮板链返程用。刮板链刮板链由链条和刮板组成，是刮板输送机的牵引构件，刮板的作用是刮推槽内的物料。目前使用的
12、有中单链、中双链和边双链三种。刮板的间距，由所运物料的性质、块度和安装倾角确定。刮板链切人物料的阻力应大于物料在槽内移动的阻力。紧链装置刮板链安装时，要给予一定的预紧力，使它运行时在张力最小点不发生链条松弛或堆积。推移装置推移装置是在采煤工作面内将刮板输送机向煤壁推移的机械。综采工作面使用液压支架上的推移千斤顶，非综采工作面用单体液压推溜器或手动液压推溜器。1.2刮板输送机的起动控制要求综采工作面刮板输送机工作条件恶劣，存在停车的随时性。刮板输送机链条刮板运动的静摩擦力很大，特别是刮板输送机停机后，还有片帮煤给输送机加载产生“压溜”，造成设备难起动。井下又受到了电网容量的限制、空间限制、同时又
13、处于爆炸性气体与煤尘的环境中，使解决井下大型运输设备的重载难起动问题更加艰难。刮板输送机的起动控制有以下要求：（1）尽可能小的起动电流，以减少对电网的冲击、减少电机发热和供电系统的影响。（2）由于刮板输送机起动初始为吸收间隙的空载运动，要求电机此时转矩要小，速度要慢；由静止转为运动时，要求电动机有足够大的转矩来克服静摩擦阻力，并且能有平稳提升的起动转矩和符合要求的机械特性曲线，逐步加速；克服静摩擦后，负载会明显减少，此时电机的力矩提升又相对变慢，这样才可实现平稳起动。1.3交流异步电动机起动方式比较交流感应电机直接起动是直接给电机加额定电压，起动速度快，但危害大。首先，直接起动时的起动电流可达
14、额定电流的47倍，造成电网电压跌落，对电网的冲击很大；其次，直接起动产生的过大冲击转距往往使电动机转子笼条、端环断裂，定子端部绕组绝缘磨损、击穿或转轴扭曲等，从而影响电机的寿命，同时，过大的冲击力会造成传动的其他设备非正常的磨耗和老化，影响设备精度。随着科学技术的发展，多种技术应用于软起动领域，出现了许多新型的软起动产品，它们具有控制方式灵活简便、对系统冲击小、控制元件不易损坏及维护方便等诸多优点，现已逐步取代传统的控制装置。下面就几种软起动方式做一些分析比较。（1）传统起动方式 电动机传统起动方式有自耦减压、Y减压、串电抗器减压等。其优点是控制线路简单、前期投入成本低、维护方便。传统起动方式
15、缺点是：对电网的冲击大，影响电网供电质量；对机械设备冲击大，降低设备使用寿命；容易导致电气故障，同时变压器容量要求较大。（2）晶闸管调压软起动晶闸管调压软起动器采用大功率可控硅作主回路开关元件，通过改变可控硅的导通角来实现电动机电压的平稳升降和无触点通断，起动电流可以限制到电机额定电流的175到500。晶闸管调压软起动实质上也是一种降压起动，与传统的降压起动不同之处在于电压并非突变，而是利用无触点电子开关器件控制电压的平稳上升。（3）变频软起动方式 变频起动也是一种软起动，是交流异步电动机理想的起动方式。它既具有软起动的特点又可在电机正常运行时调整频率。它把电力配电网50Hz恒定频率的交流电变
16、成可调频率的交流电，供普通的交流异步电动机作电源用。由于变频器采用电压频率按比例平滑上升的控制方式，能提供低频起动转矩，有利于电动机平稳起动，且可控制起动速度，是一种真正的平滑软起动方式。同时它保持了电动机的硬机械特性，与其他起动方式相比，起动电流小而起动转矩大，对设备无冲击力矩，既不影响其他设备的运行，又有较理想的起动特性。通过综合研究比较上述起动方式同时结合刮板输送机自身的特点，本文采用变频软起动作为刮板输送机的软起动方式。1.4论文研究的内容本文在掌握交流电机变频调速基本原理的基础上，采用Intel 80C196MC，运用SPWM控制算法，提出了刮板输送机变频软起动器总体设计方案，并详细
17、阐述了其中关键技术的研究和设计。具体研究工作包括：变频调速系统硬件电路的研究和设计、变频调速系统控制软件的研究。硬件电路由主电路、控制电路、驱动电路、系统检测保护电路和电源电路组成。主电路部分由整流电路、滤波电路、逆变电路和IGBT驱动电路。控制电路主要80C196MC及其一些外围设备构成，它主要用来生成SPWM波形。驱动电路采用三菱公司的IGBT专用驱动模块M57962K-01。保护电路包括过压欠压保护电路、过流保护电路、过热保护电路、泵升检测控制电路、堆煤保护电路和断链保护电路。2 刮板输送机变频软起动器硬件电路设计2.1系统硬件电路结构总体设计本文设计的刮板输送机变频软起动器以Intel
18、公司的80C196MC为控制核心，由主电路、控制电路、驱动电路和系统检测电路、保护电路组成，其总体设计图如图2-1所示。图2-1 刮板输送机变频软起动器总体设计图如图2-2所示，主电路部分由整流电路、滤波电路、逆变电路组成。其工作原理是把三相交流电压通过整流模块变为直流电压，整流后的脉动电压再经过大电容平滑后成为稳定的直流电压。IGBT逆变电路对该直流电压进行逆变，形成电压和频率均可调的三相交流电，提供给电机。图2-2 主电路控制电路主要由80C196MC及其一些外围设备构成，它主要用来根据输入信号发出控制命令和生成SPWM波形。80C196MC 特别集成了专为电机控制而设计的波形发生器(WF
19、G)这一功能外设，使得它在电机控制中倍受青睐它也被称为电机控制器(Motor Controller)。驱动电路采用三菱公司的IGBT专用驱动模块M57962K-01。M57962K-01因其驱动可靠价格低廉被广泛地应用于大功率IGBT驱动领域，它采用双电源驱动结构，内部集成有2500V高隔离电压的光耦合器和过电流保护电路。检测电路主要是速度检测电路和电流检测电路。速度检测的目的是检测刮板输送机在起动和运行出现的堵转现象。本设计采用霍尔效应接近式传感器作为系统中电机的转速传感器，传感器输出的信号处理后转换成标准的方波信号，将该信号传输到单片机上，再经过相应的软件设计，就可得出电机的转速。电流检测
20、是在整个起动过程中对起动电流进行实时检测：一方面将电流值送入控制器CPU中进行数值计算，完成电机起动，另一方面与过流设定值进行比较，实现过流故障的及时保护。系统保护电路包括过压欠压保护、过热保护、泵升检测与控制、断链保护和堆煤保护等。过压欠压保护是检测电网电压，以实现过压欠压保护。过热保护是在IGBT模块的散热器上加上一个温度开关，正常状态下温度开关为常开触点，当温度超过设定温度，温度开关动作，光耦导通，输出信号为高电平，将该信号送至CPU，发出过热警报。设置泵升检测与控制电路是因为在主回路中直流电源电压两端并联较大容量的电解电容，而由于主回路直流侧采用不可控整流，感应电动机减速或停车时，储存
21、在电动机转子和负载中的机械能不能回馈给电网，大部分机械能变为电能反馈到电容中，电容吸收了这些电能后，它两端的电压就会升高产生所谓的泵升电压U，如果没有对此电压进行限制，它将对IGBT造成永久性的损害,因此需要设计泵生电压检测电路。断链保护电路是检测刮板链断链现象，堆煤保护电路是防止刮板输送机的机头因堆满原煤，造成机头堵死。2.2主回路设计主电路由整流电路和逆变电路构成，它是本系统的功率驱动单元。由不可控整流环节、中间滤波环节和逆变环节构成。本设计所选的刮板输送机具体参数如表2-1所示。刮板输送机的电机是由2个隔爆型三相异步电动机构成，具体参数如表2-2所示。型 号SGB-630/150输送能力
22、(t/h)250出厂长度（m）200链速（m/s）0.868紧链方式磨擦式紧链器刮板链圆环链破断负载343.24KN规格（断面节距）mm1864刮板间距（mm）1024中部槽（长宽高）mm1200630190整机重量（不含电机、减速器）46.7t表2-1刮板输送机参数表2-2电动机参数功率KW额定电压V满载时转速 r/min电流A功率因数756601480730.89(1) 整流二极管参数通过二级管峰值电流：Im=Ie=*73=103A流过二极管电流有效值：ID=Im二极管电流额定值：Ie= =Im=45.37A整流二极管电压定额：Ud=(23)U=(23)*660V=1900V根据上式确定的
23、电压电流，选用200A，2000V的二极管。(2) 滤波电容参数当没有滤波电容时，三相整流输出平均直流电压为：UDC=3/*U线=1.35*660=891V加上滤波电容后，VDC的最大电压可达到交流线电压的峰值：UDC=*U线=*660=933V选用两个600V的电容串联，总耐压值为1200V (3) IGBT参数正反相峰值电压：Um =U=660=933(V)通态峰值电流：Im=I=103A三相全桥逆变器选用1700V,300A的IGBT2.3驱动电路设计本设计的逆变电路采用了IGBT ，而IGBT应用关键是其驱动电路和保护电路设计。驱动电路要保证一条低阻抗的放电回路，同时驱动电源的内阻一定
24、要小，即栅极电容充放电速度要快，以保证VGE有较陡的前后沿，使IGBT开关损耗尽量要小。当IGBT承受短路电流时驱动电路能及时关断，从而对IGBT 进行有效保护。因此，驱动电路的结构和参数会对IGBT的运行性能产生显著影响，如开关时间、开关损耗、短路电流保护能力和抗dv/dt 能力等。根据IGBT的型号类型和参数指标合理设计驱动电路对于充分发挥IGBT 的性能是十分重要的。对于IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器，市场上有很多种IGBT驱动集成电路可供选择。由于本设计所选的刮板输送机的电动机功率很大，为75KW，软起动器逆变电路选用的IGBT是1700V,300A，因此必须选用大功率的IG
25、BT驱动芯片。市场上常用的大功率IGBT芯片主要有以下几种：日本三菱公司的M579系列、瑞士CONCEPT公司生产的2SD系列等。结合本设计的IGBT选型，这里选用了日本三菱公司的M57962K-01作为驱动芯片，M57962K-01的主要技术参数如表2-3所示：表2-3 M57962K-01的主要技术参数峰值输出电流短路保护电路直接应用驱动模块范围电压电流M57962K-015Amps有1700V400AM57962K-01由光耦合器、接口电路、检测电路、定时复位电路以及门关断电路组成，因其驱动可靠价格低廉被广泛地应用于大功率IGBT驱动领域。它采用双电源驱动结构，内部集成有2500V高隔离
26、电压的光耦合器和过电流保护电路。过电流保护输出信号端子和与TTL电平相兼容的输入接口。图2-3是其内部原理框图：图2-3 M57962K-01内部功能模块框图本文设计的刮板输送机变频软起动器的IGBT驱动电路如图2-4所示图2-4 IGBT驱动电路2.4检测电路设计2.4.1 转速检测电路设计由于煤矿工作环境复杂，刮板输送机在起动和运行时常出现难起动和堵转等情况，为保证刮板输送机工作正常，本设计以电动机的转速信号作为反馈量，通过检测电动机的转速判断电动机是否出现堵转。在众多的数字式转速传感器中，霍尔传感器具有无触点、长寿命、高可靠性、无火花、无自激振荡、温度性能好、抗污染能力强、坚固、体积小、
27、耐冲击等优点，所以本设计选用霍尔效应接近式传感器作为系统中电机的转速传感器。该传感器是开关元件，直接输出为脉冲频率信号，但是由于存在电磁噪声干扰，必须对信号进行处理，从而提高采集准确度和抗干扰能力。处理后的信号转换成标准的方波信号，将该信号传输到单片机上，再经过相应的软件设计，就可得出电机的转速。霍尔转速传感器的输出脉冲频率与转速成正比，根据脉冲发生器发出的脉冲速度测量转速的方法主要有：M法(测频率法)、T法(测周期法)和MT法(频率周期法)。本设计的刮板输送机变频软起动系统采用测周期法(T法)，它是测量霍尔传感器所产生的相邻两个转速脉冲信号的时间来确定转速的。转速信号处理电路如图2-5所示：
28、图2-5 基于霍尔传感器的转速信号处理电路2.4.2 电流检测及过流保护电路设计刮板输送机变频软起动的整个起动过程中都需要对起动电流进行实时检测：一方面将电流值送入控制器CPU中进行数值计算，完成电机起动；另一方面与过流设定值进行比较，实现过流故障的及时保护。如图2-6所示，本设计中采用三个电流互感器作为检测元件，检测未整流前主电路中的三相电流。其三相电流输出端U、V、W经二极管三相整流、电容滤波、电阻分压后得到一直流电压信号，再经过由运算放大器构成的电压跟随器后，送入CPU的AD口进行AD转换就得到了我们需要的电流信号。为保护单片机的AD口不受干扰电压尖峰损坏，特别加入了由二极管构成的电压限
29、幅环节。图2-6 电流检测电路2.5保护电路设计2.5.1过压欠压保护电路图2-7 过压欠压保护电路系统中设置了电压过压、欠压保护电路。我国电网电压的线性度较差，电压会有一定的波动范围，这会导致过压或欠压，因此应设置电压过压、欠压保护电路，电路如图2-7所示。采用变比为22：1的变压器来检测未整流前主电路中的三相电电压，检测到的交流电压经整流电路整流后变为直流电压。直流电压经电阻R2，R4分压和光耦隔离后送入控制电路。光电耦合器是用来抑制输入信号的共模干扰。利用光电耦合器把各种模拟负载与数字信号源隔离开来，也就是把“模拟地”与“数字地”断开。被测信号通过光电耦合获得通路，而共模干扰由于不能形成
30、回路而得到有效抑制。特别值得注意的是在这里的隔离光耦是工作在线性工作区内,所以该电路能同时实现过压和欠压保护。在线性工作区光耦的传输比为70，正向压降为12V。通过设置滑动变阻器R1、R2的值可以改变过压和欠压的电压参考点。（1）工作原理：在过(欠)压保护中，当采样电压高(低)于保护参考点V2(V1)，则OVH(OVL)输出低电平，与其它故障信号相与后送入单片机，当单片机接收到低电平信号，单片机将做出相应的中断处理，立即封锁PWM输出及停止运行。(2)保护点参数选择，设置经过整流的直流电压-10%至+10%为允许的电压变化范围。经降压整流后直流电压：Ud=2.34U2/22=2.34*660/
31、1.732/22=40.5V过压保护电压： U1= Ud*(1+10%)=44.6V欠压保护电压： U2= Ud*(1-10%)=36.5V 选用光耦TLP559，线性工作区的传输比为70，正向压降为12V, 光耦线性工作区的电流为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选择R2的大小为19.7K过压保护电压参考点设为：V1=(U1-1.2)/R2- IR4)*R5*70%=(44.6-1.2)/19.7 K- 1 mA)*5K*70%=4.2V欠压保护
32、电压参考点设为：V2=(U2-1.2)/R2- IR4)*R5*70%=(36.5-1.2)/19.7 K- 1 mA)*5K*70%=2.77V因此，调试时，需将RPl、RP2的输出电压Vl、V2分别调节到4.2V和2.77V以达到过压、欠压保护的目的。2.5.2泵升控制电路在主回路中，直流电源电压两端并联较大容量的电解电容，它除了可以减少直流电源电压的脉动外，还做储能用。由于主回路直流侧采用不可控整流，感应电动机减速或停车时，储存在电动机转子和负载中的机械能不能回馈给电网，大部分机械能变为电能反馈到电容中，电容吸收了这些电能后，它两端的电压就会升高产生所谓的泵升电压U，如图2-8所示。图2
33、-8 泵升电压现象如果没有对此电压进行限制，它将对IGBT造成永久性的损害,因此需要设计泵生电压检测电路，电路如图2-9所示：泵生电压保护信号取自主回路滤波电容器两端，经电阻R2，R4分压和光耦隔离后送入比较电路。当采样电压高于保护参考点V时，则输出口输出低电平，经故障保护综合电路处理后送入单片机中端口，单片机将做出相应的处理。 保护点参数选择：设定电压值当超过正常直流电压55%时，单片机动作。整流后直流电压：Ud=2.34U2/=2.34*660/1.732=891V泵生保护电压： U= Ud*(1+55%)=1381V 选用光耦TLP559，线性工作区的传输比为70，正向压降为12V, 光
34、耦线性工作区的电流为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选择R2的大小为689.9K泵生保护电压参考点设为：V1=(U-1.2)/R2- IR4)*R5*70%=(1381-1.2)/ 689.9K- 1 mA)*5K*70%=3.5V因此，调试时，需将RPl输出电压V调节到3.5V以达到压保护的目的。图2-9 泵生电压检测电路如图2-10泵生控制电路所示：泵生电压检测电路将检测信号送给CPU的同时也将信号送给泵生控制电路，使三极管导通，继电器常开
35、触头闭合，这样使滤波电容存储的能量消耗在制动电阻上，确保变频系统安全可靠的工作。图2-10 泵生控制电路2.5.3过热保护电路交流调速装置是利用高速功率开关管的开关实现的，开关管导通时会有导通损耗，在开关过程中会有开关损耗，在开关频率高时尤甚。功率损耗会使器件温度升高，温度过高将会损坏功率管。因此，在IGBT模块的散热器上需要加上一个温度开关，正常状态下温度开关为常开触点，光耦截止，输出信号为0；当温度超过设定温度，温度开关动作，光耦导通，输出信号为1，将该信号送至CPU，发出过热警报。过热保护电路如图2-11所示：图2-11 过热保护电路2.5.4 断链保护电路在刮板刮板输送机起动过程中，要
36、求有很大的起动转矩，此时，增大了链条承受到动张力，当其超过了极限或链条腐蚀、磨损时，就极易断裂。据统计，刮板输送机断链事故约占刮板输送机事故总数的25%，为此本设计的刮板输送机变频软起动器专门设计了断链保护检测装置，以及时发现刮板输送机的断链情况，实现刮板输送机的顺利起动和正常运行。图2-12 机头链轮错牙形成过程下面对机头链轮错牙的形成过程进行分析：如图2-12所示，在正常运转状态中，链条立环最高点与圆心之间距离(半径)为r1，此时立环底部稍有悬空，但相对转动轴心r1为定值。在运转中，由于牙轮单侧塞煤过多、异物进入垫起，或者从动链过松，可导致错牙，在此过程中，链环l被垫高，r1变为r2。当链
37、环垫至足够高度时(一般来说横环2将要越过齿顶即可)，就可能发生链条相对链轮产生相对串动，即造成错牙。图2-13机头链轮正前方安设的两个串联监测点基于以上分析，采用以下方案来对断链现象进行监测：如图2-13所示，在机头链轮正前方安设两个串联的监测点(一般采用常闭接点的接近开关)。接近开关动作距离定为15mm，当错牙发生时。链环鼓起，距离缩短到接近开关测量范围内，则开关内部接点断开，控制线路动作，使设备停车。断链保护电路如图2-14所示。图2-14 断链保护电路2.5.5 堆煤保护电路刮板输送机在工作过程中是一条线运输，由于工作条件恶劣、夹矸、时停时开等原因，前一部设备停止运行时，稍不注意，在刮板
38、输送机的机头就会堆满原煤，造成机头堵死，这将产生严重危害，轻则使刮板机起动困难，设备停运影响生产，重则造成烧电机、断链、翻机头等设备事故。为使刮板输送机能顺利起动且正常运行本文设计了刮板输送机堆煤保护装置。该装置能够自动检测到刮板输送机发生的堆煤情况，同时切断IGBT逆变电路，停止该部刮板输送机的运转且必须人为起动方能继续运行。堆煤保护装置的原理是在将堆煤传感器的正极在机头上方合适位置固定悬挂，负极接地。当刮板输送机的机头的堆煤量超过设定量时，煤与传感器正极接触，以煤为传导介质，堆煤超量信号由低电平变为高电平，经电路处理侯送入CPU,单片机作出相应动作。堆煤保护电路如图所示。图2-15 堆煤保
39、护电路2.5.6故障综合处理电路系统保护电路设计了过压欠压保护电路、泵生电压保护电路和过热保护电路、断链保护电路和堆煤保护电路。为了使单片机能及时发现系统出现的各种故障，将所有的保护电路的故障信号输出送入故障综合处理电路，然后连接只80C196MC的外部中断输入口EXTINT，电路如图2-16所示，当单片机80C196MC的外部中断输入口EXTINT收到高电平时信号时，表示系统某一部分出了故障，单片机将做出相应的中断处理，立即封锁PWM输出及停止运行。图2-16系统综合保护电路2.6控制电路设计2.6.1选择主控芯片80C196MC随着大功率开关器件制造技术的发展，大功率晶体管在电气传动的领域
40、的应用越来越广泛，功率晶体管的SPWM 控制技术也越来越受到人们的欢迎，并在诸多的领域的控制过程中发挥着重要作用。SPWM信号生成的方法有很多种，常用的有用软件产生，用模拟电子电路产生，以及用专用集成芯片产生等方法。用软件生成SPWM波形较多地占用CPU的时间，不利于用单片机实现快速控制，用模拟电路及专用芯片额外增加了硬件开销，降低了系统的可靠性。计算机的发展使人们倾向于用单片机来合成SPWM信号。目前用单片机产生SPWM信号，通常是根据某种算法计算、查表、定时输出三路波形，再由外部硬件电路加以延时互锁变成六路信号，受速度限制， CPU不易输出高频信号。Intel公司的80C196MC是Int
41、el公司继8096BH之后推出的一款高性能16位微控制器，芯片特别集成了专为电机控制而设计的波形发生器(WFG)这一功能外设，使得它在电机控制中倍受青睐。因此，它也被称为电机控制器(Motor Controller)，本设计选用的就是80C196MC。2.6.2 80C196MC结构特点80C196MC由一个C196核心，一个三相波形发生器(WFG)和若干其他片内外设构成。其片内外设包括一个13路通道的AD转换器，一个事件处理器阵列(EPA)，两个16位定时器和一个脉宽调制单元(两个PWM输出)。其结构原理框图如图2-17所示。由于它丰富的硬件接口、高速的处理能力及较低的功率消耗，使得80C1
42、96MC单片机可以应用于各个领域。技术性能指标：(1) 支持64KB的存储器空间。除几个专用区和保留的区域外，其余的可由用户任意安排为程序或数据存储区。具有512字节的片内寄存器阵列，分为低端寄存器阵列和高端寄存器阵列，并支持窗口寻址技术，寻址快速简捷。同时由于采用CHMOS工艺，芯片耗电少。除正常工作模式外还能工作于2种节电模式：待机方式和掉电方式，进一步减少了芯片功耗。(2) 集成三相波形发生器WFG，可以方便快捷地产生同步脉宽调制(PWM)波形，简化了电路硬件设计，方便了软件编程。另外该单片机集成众多功能外设：一个13路通道的AD转换器、2个16位定时器计数器、脉宽调制PWM单元和监视定
43、时器WATCHDOG等。(3)事件处理器阵列EPA，具有捕获和比较两种功能，使用灵活方便。(4)独具风格的外设事务服务器PTS。在80C196MC众多的功能部件中，以三相波形发生器WFG、事件处理器阵列EPA和外设服务功能PTS最具特色。图2-17 Intel80C196MC框图三相波形发生器三相波形发生器WFG是80C196MC单片机所独具的特点之一。这一外设装置大大简化了用于产生同步脉宽调制(PWM)波形的控制软件和外部硬件，特别适用于控制三相交流感应电机。WFG的组成模块框。WFG含有三个同步的PWM模块，每个模块包含一个相位比较器、一个无信号时间发生器和一对可编程的输出(WGn和)。W
44、FG可以产生独立的三对PWM波形，它们有着共同的载波频率、无信号时间和操作方式。PWM波形的周期由WG_ RELOAD周期寄存器进行设置，占空比则经WG_COMPn进行设定。一旦起动之后，WFG只要求CPU在改变PWM的占空比时加以干预。当出现外部故障中断信号时，保护电路会立即封锁PWM输出，并向CPU申请中断，执行相应的保护措施。用WFG来产生晶闸管驱动脉冲波形，程序编制简单方便，运行可靠，大为减小了CPU的开销。事件处理阵列EPAEPA (Event Processor Array) 用于处理与输入和输出有关的事件，它相当于8098的高速输入口HSI和高速输出口HSO，但在功能上又增加了许
45、多。在输入方式中，它用于监测输入引脚上的边沿跳变信号(上升沿、下降沿或任一种跳变)。一旦有相应的跳变产生，则记录当时的定时或计数值，这个过程称为捕捉，在输出方式中，它用于比较定时/计数器与用户设定的常数。当相等时，则触发一个相应的输出事件(置1,清0)，这个过程称为比较。80C196MC有四个同样的捕捉/比较模块，四个比较模块可分别设置成不同的工作方式。EPA有两个16位的双向定时/计数器T1和T2。 其中，定时器T1可工作在晶振时钟模式。在这种方式下， EPA可以直接处理光码盘输出的两路相位差90度的脉冲。只要将这两个信号分别接在CPU的T1 CLK ( P1.2)和T1 DIR ( P1.
46、3)引脚上即可。它省去了一些硬件处理电路而且非常可靠。外设处理服务功能PTS所谓PTS是一种类似于DMA的处理方式。它与CPU “并行”工作，较少占用CPU时间，并用微指令码来代替中断服务程序，一旦设置完成，这种微指令码的执行是自动的，不需要CPU干预。任何一种中断方式(不可屏蔽中断NMI除外)都可以设置成PTS工作方式。PTS的主要方式包括数据块的传送，A/D转换，串行通讯及事件处理。在构成数字电流环时，电流反馈要经过A/D转换器采入CPU内部进行处理，而A/D转换器通常要占去几十微秒的时间，转换后再进行电流环计算已经太晚，不利于快速控制。若将A/D转换成PTS方式，除去PTS初始化所占用的很少的时间外，A/D转换将由PTS自动完成，这段时间CPU可用于处理电流环，这对于电流环的快速性非常有用。2.6.3 80C196MC存储器扩展电路存储器扩展电路主要是由两片片程序存储器2764，用来存放程序代码，同时由于 80196MC本身的数据存储器资源有限，另外为了以后系统的扩展性，扩展一片数据存储器6264。扩展电路如图2-18所示：图2-18 80C196MC存储器扩展电路第一片程序存储器的地址范围为：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
