专利名称：基于vme总线的矿井提升机同步电机传动交交变频矢量控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种交交变频矢量控制系统，尤其涉及一种基于VME总线的矿井提升 机同步电机传动交交变频矢量控制系统。
二背景技术：
矿井提升机担负着矿井生产必须的人员、材料、煤炭、矸石等物资的运输重任，是 矿井生产的咽喉。提升机运行对传动系统、工艺控制、信号系统等都提出了严格的要求。高 性能先进的提升机控制系统是矿井安全高效生产的保障。交流电机变频调速不仅具有直流 调速同样优越的调速性能，还有单机不受限制、体积小、重量轻、转动惯量小、动态响应好、 维护简单、节约能源等许多优于直流传动的特点。因此，在目前的调速领域，交流传动逐渐 取代直流传动的地位成为主流，而在大功率交流传动领域，交交变频调速技术是目前应用 最广泛的交流调速方案。交交变频调速技术复杂，装备容量大，涉及电力电子、自动控制和电机等多个学 科领域，该技术被少数国外大公司垄断。在我国现有矿井提升机电控系统中，交流同步电 机交交变频传动电控系统大部分采用国外电控系统平台，其中较典型的是西门子公司的 Simadyn D实时数字控制系统。Simadyn D实时数字控制系统采用的是西门子公司特有的 数据通讯总线，控制系统中的控制板基于此数据总线进行数据交换。该控制系统结构易于 扩充，但同时也存在不足之处，即总线接口协议不具有开放性和通用性，这限制了用户对系 统的二次开发。从目前发展趋势来看，以矿井提升机电控系统为代表的多任务实时控制系 统需采用多CPU结构，软件实现模块化，可以根据不同的传动系统结构，利用所需模块组成 专用传动控制系统。
三
实用新型内容1、实用新型目的本实用新型的目的是克服现有技术通用性不好，开放性差等缺 陷，提供一种满足多任务实时控制系统需求的基于VME总线的矿井提升机同步电机传动交 交变频矢量控制系统。2、技术方案为了达到上述实用新型目的，基于VME总线的矿井提升机同步电机 传动交交变频矢量控制系统包括三相交流电源、三相交交变频器、同步电机、上位机、PLC逻 辑控制系统、VMIC控制系统、信号系统、闸控系统和检测系统。其中，三相交流电源与三相 交交变频器相连，为三相交交变频器提供频率固定的电源；三相交交变频器与同步电机相 连，为同步电机提供频率可变的电源；检测系统与同步电机相连，检测同步电机电压信号、 电流信号、速度信号和位置信号，并将检测信号分别传给PLC逻辑控制系统和VMIC控制系 统；PLC逻辑控制系统与信号系统和闸控系统分别相连，实现逻辑联锁控制与保护功能；上 位机、PLC逻辑控制系统和VMIC控制系统三者相连，进行相互通讯；VMIC控制系统接收检测 系统传来的检测信号，经过运算产生触发脉冲触发三相交交变频器。[0006]2. 1、所述VMIC控制系统包括CPU板一、CPU板二、反射内存通讯接口板、Profibus 通讯接口板、模拟信号接口板、数字信号接口板、FPGA接口板、码盘信号接口板和电机控制 板。上述接口板都插在VME总线机箱背板上，通过VME总线实现各接口板之间的通讯。CPU板一主要完成矢量控制算法、与双口 RAM进行通讯、系统工作状态显示、数据 分析和人机界面设计等功能。CPU板二完成全数字行程控制功能。通过装在与卷筒相连的 编码器的输出脉冲，进行井筒深度的计算，然后根据位置速度图，产生相应的速度基准值来 驱动电机运转。本系统采用位置闭环控制技术来保证提升箕斗在预定地点准确停车。在自 动运行模式时，行程控制依靠设定量自动产生最佳运行速度控制的位置速度图；在手动运 行模式时，则依据司机台速度主令手柄的速度给定信号进行计算，给出行程设定曲线。所述反射内存通讯接口板可以实现多个控制系统之间的远程通讯和实时控制。反 射内存通讯接口板之间采用光纤作为通讯介质，可以满足相距IOkm的控制系统之间的通 讯，且通讯速度最高可达174Mbyte/s，可以实现系统之间的实时控制。所述ftOfibus通讯接口板用于带有ftOfibus接口的底层设备之间的通讯，如 PLC、上位机。该接口板采集故障信号、反馈信号和输出命令信号。ftOfibus通讯速度最高 可达12Mbit/s，可以满足实时性要求不高的通讯和控制要求。所述模拟信号接口板用于将模拟调试给定信号、电压及电流传感器输出的模拟信 号转换成数字信号，同时，可以将关键变量由数字信号转换成模拟信号并输出，便于进行实 时调试与监控。所述数字信号接口板用于采集现场底层设备的数字信号、开关状态信息，并传递 给CPU主板，同时通过数字信号输出，将控制系统的状态和控制命令传给子设备，实现与子 设备的信息交换与监控。所述码盘信号接口板接收增量式码盘和绝对值式码盘信号，并将信号转化为数字 量传输给电机控制板。所述电机控制板采集FPGA接口板的双口 RAM中的信息，并上传给CPU板一，CPU板 一综合以上信息并结合电动机模型完成交交变频的矢量控制任务，产生电压前馈信号和交 流电流给定信号，并通过刷新FPGA接口板的双口 RAM，下传给电机控制板板。电机控制板接 到CPU板一下传的电压前馈信号和交流电流给定信号后，综合电压和电流实际检测值以及 零电流中断信号，进行电流调节器、电流断续补偿和触发角的计算，产生正反组切换信号和 触发角信号，控制信号最终发送给三相交交变频器。2. 2、所述PLC逻辑控制系统实现逻辑联锁控制和保护功能，对提升机用电设备的 起停进行联锁控制并管理，同时对提升机所有用电设备的工作状态进行信号收集和处理， 接收主操作台来的操作信号，与信号系统及闸控系统进行通讯和联锁控制，与主操作台上 人机界面设备的通讯，对所有的报警信号进行处理并输出到操作台人机界面中。2. 3、所述信号系统主要由数字信号显示屏、井口信号显示屏、候罐室信号显示屏 组成，实现系统运行状态的监控，过程信号的采集和数据的集中处理，运行全过程有着连续 速度监视和故障处理。通过上位机管理系统能对行程、故障、速度等信号进行显示和打印。2. 4、所述闸控系统主要用于提升机的制动控制。当提升机在闸盘制动时，调节系 统制动时的油压，通过液压间盘，使提升机获得不同的制动力矩；在紧急情况或事故状态 下，使液压站迅速回油，闸盘抱闸停车以实现安全制动。[0017]2. 5、所述检测系统包括电压检测、电流检测、电动机速度位置检测。电压检测与电 流检测通过LEM传感器实现，LEM传感器输出的模拟量经过模拟信号接口板的A/D转换后 变为数字量传输给电机控制板。电动机的速度检测通过增量式码盘实现，位置检测通过绝 对值码盘实现，通过码盘信号接口板把速度和位置信号转化为数字量传输给PLC逻辑控制 系统和VMIC控制系统。2. 6、所述上位机用于人机交互，用于显示矿井提升机同步电机传动交交变频矢量 控制系统的运行状态、参数设定、故障查询等。本实用新型的有益效果是，克服了现有技术通用性不好，开放性差等缺陷，提供了 一种满足多任务实时控制的矿井提升机同步电机交交变频矢量控制系统。
四
图1是本实用新型结构示意图。图2是VMIC控制系统结构示意图。图中，1.三相交流电源2.三相交交变频器3.同步电机4.上位机5. PLC逻 辑控制系统6. VMIC控制系统7.信号系统8.闸控系统9.检测系统10. CPU板一 11. CPU板二 12.反射内存通讯接口板 13.ftx)fibuS通讯接口板 14.模拟信号接口板 15.数字信号接口板16. FPGA接口板17.码盘信号接口板18.电机控制板19. VME总 线
五具体实施方式
如图1所示，本实施例包括三相交流电源1、三相交交变频器2、同步电机3、上位 机4、PLC逻辑控制系统5、VMIC控制系统6、信号系统7、闸控系统8和检测系统9。其中， 三相交流电源1与三相交交变频器2相连，为三相交交变频器2提供频率固定的电源；三相 交交变频器2与同步电机3相连，为同步电机3提供频率可变的电源；检测系统9与同步电 机3相连，检测同步电机3电压信号、电流信号、速度信号和位置信号，并将检测信号分别传 给PLC逻辑控制系统5和VMIC控制系统6 ；PLC逻辑控制系统5与信号系统7和闸控系统 8分别相连，实现逻辑联锁控制与保护功能；上位机4、PLC逻辑控制系统5与VMIC控制系 统6三者相连，进行相互通讯；VMIC控制系统6接收检测系统9传来的检测信号，经过运算 产生触发脉冲触发三相交交变频器2。2. 1、如图2所示，所述VMIC控制系统6包括CPU板一 10、CPU板二 11、反射内存通 讯接口板12、ftx)fibuS通讯接口板13、模拟信号接口板14、数字信号接口板15、FPGA接口 板16、码盘信号接口板17和电机控制板18。上述接口板都插在VME总线19机箱背板上， 通过VME总线19实现各接口板之间的通讯。CPU板一 10主要完成矢量控制算法、与双口 RAM进行通讯、系统工作状态显示、数 据分析和人机界面设计等功能。CPU板二 11完成全数字行程控制功能。通过装在与卷筒相 连的编码器的输出脉冲，进行井筒深度的计算，然后根据位置速度图，产生相应的速度基准 值来驱动电机运转。本系统采用位置闭环控制技术来保证提升箕斗在预定地点准确停车。 在自动运行模式时，行程控制依靠设定量自动产生最佳运行速度控制的位置速度图；在手 动运行模式时，则依据司机台速度主令手柄的速度给定信号进行计算，给出行程设定曲线。[0026]所述反射内存通讯接口板12可以实现多个控制系统之间的远程通讯和实时控 制。反射内存通讯接口板12之间采用光纤作为通讯介质，可以满足相距IOkm的控制系统 之间的通讯，且通讯速度最高可达174Mbyte/s，可以实现系统之间的实时控制。所述ftOfibus通讯接口板13用于带有ftOfibus接口的底层设备之间的通讯。该 接口板采集故障信号、反馈信号和输出命令信号。ftOfibus通讯速度最高可达12Mbit/s， 可以满足实时性要求不高的通讯和控制要求。所述模拟信号接口板14用于将模拟调试给定信号、电压及电流传感器输出的模 拟信号转换成数字信号，同时，可以将关键变量由数字信号转换成模拟信号并输出，便于进 行实时调试与监控。所述数字信号接口板15用于采集现场底层设备的数字信号、开关状态信息，并传 递给CPU板一 10和CPU板二 11，同时通过数字信号输出，将控制系统的状态和控制命令传 给子设备，实现与子设备的信息交换与监控。所述码盘信号接口板17接收增量式码盘和绝对值式码盘信号，并将信号转化为 数字量传输给电机控制板18。 所述电机控制板18采集FPGA接口板16的双口 RAM中的信息，并上传给CPU板一 10，CPU板一 10综合以上信息并结合电动机模型完成交交变频的矢量控制任务，产生电压 前馈信号和交流电流给定信号，并通过刷新FPGA接口板16的双口 RAM，下传给电机控制板 18。电机控制板18接到CPU板一 10下传的电压前馈信号和交流电流给定信号后，综合电压 和电流实际检测值以及零电流中断信号，进行电流调节器、电流断续补偿和触发角的计算， 产生正反组切换信号和触发角信号，控制信号最终发送给三相交交变频器2。2. 2、所述PLC逻辑控制5系统实现逻辑联锁控制和保护功能，对提升机用电设备 的起停进行联锁控制并管理，同时对提升机所有用电设备的工作状态进行信号收集和处 理，接收主操作台来的操作信号，与信号系统及闸控系统进行通讯和联锁控制，与主操作台 上人机界面设备的通讯，对所有的报警信号进行处理并输出到操作台人机界面中。2. 3、所述信号系统7主要由数字信号显示屏、井口信号显示屏、候罐室信号显示 屏组成，实现系统运行状态的监控，过程信号的采集和数据的集中处理，运行全过程有着连 续速度监视和故障处理。通过上位机管理系统能对行程、故障、速度等信号进行显示和打 印。2. 4、所述闸控系统8主要用于提升机的制动控制。当提升机在闸盘制动时，调节 系统制动时的油压，通过液压间盘，使提升机获得不同的制动力矩；在紧急情况或事故状态 下，使液压站迅速回油，闸盘抱闸停车以实现安全制动。2. 5、所述检测系统9包括电压检测、电流检测、电动机速度位置检测。电压检测与 电流检测通过LEM传感器实现，LEM传感器输出的模拟量经过模拟信号接口板14的A/D转 换后变为数字量传输给电机控制板18。电动机的速度检测通过增量式码盘实现，位置检测 通过绝对值码盘实现，通过码盘信号接口板17把速度和位置信号转化为数字量传输给PLC 逻辑控制系统5和VMIC控制系统6。2. 6、所述上位机4用于人机交互，用于显示矿井提升机同步电机传动交交变频矢 量控制系统的运行状态、参数设定、故障查询等。
权利要求1. 一种基于VME总线的矿井提升机同步电机传动交交变频矢量控制系统，包括三相 交流电源、三相交交变频器、同步电机、上位机、PLC逻辑控制系统、VMIC控制系统、信号系 统、闸控系统和检测系统，其特征在于三相交流电源与三相交交变频器相连，为三相交交 变频器提供频率固定的电源；三相交交变频器与同步电机相连，为同步电机提供频率可变 的电源；检测系统与同步电机相连，检测同步电机电压信号、电流信号、速度信号和位置信 号，并将检测信号分别传给PLC逻辑控制系统和VMIC控制系统；PLC逻辑控制系统与信号 系统和闸控系统分别相连，实现逻辑联锁控制与保护功能；上位机、PLC逻辑控制系统和 VMIC控制系统三者相连，进行相互通讯；VMIC控制系统接收检测系统传来的检测信号，经 过运算产生触发脉冲触发三相交交变频器。
专利摘要一种基于VME总线的矿井提升机同步电机传动交交变频矢量控制系统，包括三相交流电源、三相交交变频器、同步电机、上位机、PLC逻辑控制系统、VMIC控制系统、信号系统、闸控系统和检测系统。三相交流电源为三相交交变频器提供频率固定的电源；三相交交变频器为同步电机提供频率可变的电源；检测系统将检测信号分别传给PLC逻辑控制系统和VMIC控制系统；PLC逻辑控制系统与信号系统和闸控系统分别相连，实现逻辑联锁控制与保护功能；VMIC控制系统产生触发脉冲触发三相交交变频器。本实用新型克服了现有技术通用性不好，开放性差等缺陷，提供了一种满足多任务实时控制的矿井提升机同步电机交交变频矢量控制系统。
文档编号H02P21/14GK201869154SQ20102060954
公开日2011年6月15日 申请日期2010年11月15日 优先权日2010年11月15日
发明者乔树通, 吴玮, 姜建国, 杨刚, 王克智, 王韬, 白宏峰, 罗*, 罗自明, 赵剑飞 申请人:上海交通大学, 山西潞安环保能源开发股份有限公司