CN113267995B

CN113267995B - 一种驱动控制装置、控制方法及矿井运输车

Info

Publication number: CN113267995B
Application number: CN202110463474.XA
Authority: CN
Inventors: 高曈; 彭程; 段晓旭; 苏宇
Original assignee: Changchun Tongze Technology Co ltd
Current assignee: Changchun Tongze Technology Co ltd
Priority date: 2021-04-27
Filing date: 2021-04-27
Publication date: 2022-08-26
Anticipated expiration: 2041-04-27
Also published as: CN113267995A

Abstract

本发明公开了一种驱动控制装置、控制方法及矿井运输车，驱动控制装置包括驱动控制系统，所述驱动控制系统包括电流闭环模块、加速度闭环模块和速度闭环模块；所述电流闭环模块由电机和驱动器构成；所述速度闭环模块由速度检测装置、速度比较器和PI控制器构成；所述加速度闭环模块由速度检测装置、微分D控制器和PI控制器构成。本发明采用分时管控原则，速度闭环模块和加速闭环模块使用了同一PI控制器，同时将速度检测装置所采集的速度信号同时运用于速度闭环模块和加速度闭环模块，保证了速度和加速度信号来源一致性；同时采用速度闭环控制与加速度闭环控制分离机制，达到稳定、精确控制的目的。

Description

一种驱动控制装置、控制方法及矿井运输车

技术领域

本发明涉及特种运输技术领域，尤其涉及一种驱动控制装置、控制方法及矿井运输车。

背景技术

矿井下巷道服务于地下开采，是在掩体或矿层中开凿的不直通地面的水平或者倾斜通道。巷道按照在生产中的作用和服务范围分类，可分为开拓巷道、准备巷道和回采巷道。开拓巷道视为全矿井、一个开采水平或两个以上采区服务的巷道，主要包括平硐、立井、斜井、井底车场和主要运输及回风巷道等。准备巷道是为一个采区服务的巷道，主要有采区上山、采区下山、联络巷和溜煤眼等类型。其中联络巷为贯通大巷和顺槽或贯通两个顺槽的巷道。

就目前的矿井运输技术来说，运输大巷内设置井底车场，联络巷内一般采用人拉肩扛或者简单的人力运输设备开展矸石、物料和人员的辅助运输。该运输方式不但效率低，由于矿井下含有甲烷等易燃易爆气体，遇到明火易爆，还容易产生安全事故。并且因为矿井下路况较差，路面不平坦，上下坡较多，因运载车上载有货物或重物，在上坡或者下坡时进行急加速或急减速容易造成车辆的货物偏移或甩出等情况，严重者可能会导致翻车，一般的地面交通工具不适用井下作业。

因此，急需一种驱动控制装置、控制方法及矿井运输车解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种驱动控制装置、控制方法及矿井运输车，解决了矿井下路况复杂及安全要求带来的物料运输困难的技术问题，具有机动灵活、适应性强等特点。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

一种驱动控制装置，包括驱动控制系统，所述驱动控制系统包括电流闭环模块、加速度闭环模块和速度闭环模块；

所述电流闭环模块由电机和驱动器构成；所述速度闭环模块由速度检测装置、速度比较器和PI控制器构成；所述加速度闭环模块由速度检测装置、微分 D控制器和PI控制器构成；

通过PI控制器调节驱动器控制电机加速或减速实现运输工具稳定匀速行进。

进一步地，PI控制器采用分时管控原则；PI控制器管控周期分为前后两个半周期，前半周期PI控制器参与速度闭环模块，后半周期PI控制器参与加速度闭环模块。

进一步地，所述速度闭环模块通过速度检测装置将其检测到的运输工具运行速度与期望速度进行比较得到速度差值，并将速度差值传送给PI控制器，进行速度调节控制；

所述加速度闭环将速度检测装置检测到的运输工具运行速度通过微分D控制器进行微分处理得到加速度值，并将加速度值转换为加速度反馈信号传递给 PI控制器，进而调节电机的加速度。

一种矿井运输车，由前述一项所述的驱动控制装置驱动。

一种驱动控制方法，首先判断处于何种路况，当运输工具处于上坡或者下坡路况时，采集信号并将信号传输到微分D控制器，PI控制器进入分时管控原则；PI控制器管控周期分为前后两个半周期，前半周期PI控制器参与速度闭环模块，后半周期PI控制器参与加速度闭环模块；本周期PI控制器分时管控结束，进行下一次路况判断。

进一步地，速度闭环模块控制方法为对期望速度与实际速度差绝对值e进行判定并通过PI控制器调节电机转速；加速度闭环模块控制方法为对反馈加速度绝对值a进行判定并通过PI控制器调节电机转速。

进一步地，具体步骤如下：

1)设备启动时控制系统初始化；

2)判断处于何种路况；

3)当处于上坡或下坡路况下，通过速度检测装置采集运输工具行驶速度；

将步骤B得到的速度传输到微分D控制器，PI控制器进入分时管控原则，

A若速度检测装置采集的运输工具行驶速度与期望速度的差值e为零，则 PI控制器不做调节，本周期PI控制器分时管控结束，进行下一次路况判断；

B若行驶速度与期望速度差值e不为零，则PI控制器进入分时管控下半周期，通过微分D控制器得到运输工具加速度值a，PI控制器根据加速度值a选择是否调节电机加速度，

若加速度值a不为零，PI控制器输出控制信号给驱动器，当处于上坡路况时电机加速，当属于下坡路况时电机减速；

若加速度值a为零，PI控制器不做调节，本周期PI控制器分时管控结束，速度检测装置采集运输工具下一时刻行驶速度，并将该速度传输给微分D控制器，系统进入下一路况判断循环。

进一步地，当处于平坦路况下，通过速度检测装置采集运输工具行驶速度，

1)若运输工具行驶速度与期望速度差值e为零，PI控制器不做调节，进入下一次路况判断；

2)若运输工具行驶速度与期望速度差值e小于零，通过PI控制器输出正向提速控制信号给驱动器，使直流电机提速，直至运输工具行驶速度与期望速度差值e为零；

3)若运输工具行驶速度与期望速度差值e大于零，通过PI控制器输出反向提速控制信号给驱动器，使直流电机减速，直至运输工具行驶速度与期望速度差值e为零。

进一步地，PI控制器结构表示式为：

式中，u(t)为PI控制器输出信号，k_p为比例放大系数，k_i为积分系数，t 为时间，e(t)为PI控制器输入信号，为期望速度与实际速度差绝对值e 或反馈加速度绝对值a；

PI控制器输出控制信号给驱动器过程中，PI控制器参数选取原则为：

1)当期望速度与实际速度差绝对值e或反馈加速度绝对值a较大时，选取较大的比例系数k_p，同时选取较小的积分系数k_i；

2)当期望速度与实际速度差绝对值e或反馈加速度绝对值a中等大小时，选取中等大小的比例系数k_p，同时选取较小的积分系数k_i；

3)当期望速度与实际速度差绝对值e或反馈加速度绝对值a较小时，选取较小的比例系数k_p，同时选取中等大小的积分系数k_i。

进一步地，根据电枢电流变化情况判断路况度规则为：当电枢电流不变时运输工具处于平坦路况；当电枢电流增加时运输工具处于上坡路况；当电枢电流下降时运输工具处于下坡路况。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.采用分时管控原则，使用单个控制器实现速度、加速度双重调节，即所述速度闭环模块和加速闭环模块使用了同一PI控制器，同时将速度检测装置所采集的速度信号同时运用于速度闭环模块和加速度闭环模块，保证了速度和加速度信号来源一致性；

2.采用速度闭环控制与加速度闭环控制分离机制。在速度闭环控制中，当期望速度与速度检测模块所采集矿车运行速度一致时，无需调节矿车行进速度；当期望速度与速度检测模块所采集矿车运行速度不一致时，关闭速度闭环控制，进入加速度控制模块，通过加速度值的大小调整PI控制器输出信号实现矿车稳定加减速，最终实现矿车匀速平稳运行的目的。

附图说明

图1为本发明实施例中控制装置原理示意图；

图2为本发明实施例中控制流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例一

参考图1，本实施例公开了一种用于矿井下运输设备的驱动控制装置，针对矿下各巷道路况凹凸不平、大部分处于上坡或下坡路的情况，设计一套驱动控制系统，对电机转速进行检测，通过积分和微分分别计算出速度、位置和加速度，作为反馈信号发送给控制器，经控制器的算法输出调节电机转速，达到稳定、精确控制的目的。

如图1所示，所述用于矿井下运输设备的驱动控制装置包括驱动控制系统，所述驱动控制系统包括电流闭环模块、加速度闭环模块和速度闭环模块。所述电流闭环模块由电机和驱动器构成，所述电机为无刷电机；加速度闭环模块由速度检测装置、微分D控制器和PI控制器构成；速度闭环模块由速度检测装置、速度比较器和PI控制器构成。所述速度检测装置可为霍尔传感器。

所述速度闭环模块通过速度检测装置将其检测到的矿车运行速度与期望速度进行比较得到速度差值，并将速度差值传送给PI控制器，进行速度调节控制。

所述加速度闭环将速度检测装置检测到的矿车运行速度通过微分D控制器进行微分处理得到加速度值，并将加速度值转换为加速度反馈信号传递给PI控制器，进而调节电机的加速度。

本实施例是这样实现矿车在上坡或下坡路况稳定前行的，通过PI控制器分别判断速度差值和加速度值调节驱动器控制电机加速或减速运行进而带动矿车匀速行进。具体地，当速度差值或加速度值为负值时，通过PI控制器调节驱动器，从而控制电机加速运行；当速度差值或加速度值为正值时，通过PI控制器调节驱动器，从而控制电机减速运行，从而使运输设备在上坡或下坡路况中稳定前行。

所述通过PI控制器调节驱动器控制电机加速或减速实现矿车稳定匀速行进，其显著特征在于，PI控制器采用分时管控原则，即PI控制器管控周期分为前后两个半周期，前半周期PI控制器参与速度闭环模块，后半周期PI控制器参与加速度闭环模块。具体地，首先对期望速度与实际速度差绝对值e进行判定并通过PI控制器调节电机转速，第二时段对反馈加速度绝对值a进行判定并通过 PI控制器调节电机转速。

其中PI控制器结构表示式为：

式中，u(t)为PI控制器输出信号，k_p为比例放大系数，k_i为积分系数，t为时间，e(t)为PI控制器输入信号，在本实施例中为期望速度与实际速度差绝对值e 或反馈加速度绝对值a。

比例放大系数k_p、积分系数k_i选取原则如下：

2)当期望速度与实际速度差绝对值e或反馈加速度绝对值a中等大小时，选取中等大小的比例系数k_p，同时选取较小的积分系数ki；

具体比例系数k_p、积分系数k_i选取规则如下表1所示。

表1PI控制器参数选取原则表

进一步地，可以在器件上设置防斜波干扰措施，增加运行控制的稳定性。

实施例二

本实施例公开了一种矿井运输车驱动控制方法，当矿井运输车处于上坡或者下坡路况时，通过信号采集并结合PI控制器分时管控原则，实现矿机运输车在平坦路况、上坡路况、下坡路况均匀速稳定行进，提高不同路况下的通过性，具体控制方法如下。

如图2所示，矿井运输车启动时控制系统初始化，首先根据电枢电流变化情况判断路况。；。下面结合图1、图2分别对平坦路况、上坡路况、下坡路况进一步说明。

当电枢电流不变时矿井运输车处于平坦路况，此时，通过速度检测装置采集矿车当前行驶速度并与期望速度做差，当差值为零时，即期望速度等于行驶速度时，PI控制器不需要做调节，并进入下一次路况判断；当期望速度大于行驶速度时，需要通过PI控制器根据表1中PI控制器参数选取原则输出正向提速控制信号给驱动器，使无刷直流电机提速，直至矿车行驶速度等于期望速度；当期望速度小于行驶速度时，需要通过PI控制器根据实表1中PI控制器参数选取原则输出反向提速控制信号给驱动器，使无刷直流电机减速，直至矿车行驶速度等于期望速度。

当电枢电流增加时矿井运输车处于上坡路况，此时，通过速度检测装置采集矿车行驶速度，并将该速度传输到微分D控制器，PI控制器进入实施例一所述分时管控原则。在分时管控的上半周期PI控制器进入速度闭环模块控制，将速度检测装置所采集矿车行驶速度与期望速度做差，速度差值为e。当速度差值 e为零时，即行驶速度等于期望速度时，PI控制器不需要做调节，本周期PI控制器分时管控结束，进行下一次路况判断。当行驶速度与期望速度不相等时，即速度差值e不为零时，PI控制器进入分时管控下半周期，即PI控制器进入加速度闭环模块，通过微分D控制器得到矿车加速度值a；当加速度值a不为零时，PI控制器根据表1中PI控制器参数选取原则输出控制信号给驱动器，使无刷直流电机加速；当加速度值a为零时，PI控制器不需要做调节，本周期PI 控制器分时管控结束，速度检测装置采集矿车下一时刻行驶速度，并将该速度传输给微分D控制器，系统进入下一路况判断循环。

当电枢电流下降时矿井运输车处于下坡路况，此时，通过速度检测装置采集矿车行驶速度，并将该速度传输到微分D控制器；此时PI控制器进入实施例一所述分时管控原则。PI控制器首先进入速度闭环模块，并根据速度检测装置所采集矿车行驶速度与期望速度的差值e进行控制判断。当速度差值e为零时， PI控制器不需要做调节，PI控制器分时管控结束，进行下一次路况判断。当行驶速度与期望速度不相等时，PI控制器进入加速度闭环模块，通过微分D控制器得到矿车加速度值a，当加速度值a不为零时，PI控制器根据表1中PI控制器参数选取原则输出控制信号给驱动器，使无刷直流电机减速；当加速度值a 为零时，此时矿车匀速运行，未发生速度突变，PI控制器不需要做调节，PI控制器分时管控结束，速度检测装置采集矿车下一时刻行驶速度，并将该速度传输给微分D控制器，系统进入下一路况判断循环。

与现有技术相比，本实施例的有益效果体现在，采用分时管控原则，使用单个控制器实现速度、加速度双重调节，即所述速度闭环模块和加速闭环模块使用了同一PI控制器，同时将速度检测装置所采集的速度信号同时运用于速度闭环模块和加速度闭环模块，保证了速度和加速度信号来源一致性。

本实施例的另一个显著特征在于，采用速度闭环控制与加速度闭环控制分离机制。在速度闭环控制中，当期望速度与速度检测模块所采集矿车运行速度一致时，无需调节矿车行进速度；当期望速度与速度检测模块所采集矿车运行速度不一致时，关闭速度闭环控制，进入加速度控制模块，通过加速度值的大小调整PI控制器输出信号实现矿车稳定加减速，最终实现矿车匀速平稳运行的目的。因此，可以根据不同路况采用不同闭环控制模块。具体地，在平坦路况单独采用速度闭环，实现矿车匀速行进，在上坡路况或下坡路况同时采用速度闭环和加速度闭环双重闭环，其中速度闭环能够保证矿用车辆匀速行进，加速度闭环能够避免矿车发生速度突变。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种驱动控制方法，其特征在于，首先判断处于何种路况，当运输工具处于上坡或者下坡路况时，采集信号并将信号传输到微分D控制器，PI控制器进入分时管控原则；PI控制器管控周期分为前后两个半周期，前半周期PI控制器参与速度闭环模块，后半周期PI控制器参与加速度闭环模块；本周期PI控制器分时管控结束，进行下一次路况判断。

2.如权利要求1所述的一种驱动控制方法，其特征在于，速度闭环模块控制方法为对期望速度与实际速度差绝对值e进行判定并通过PI控制器调节电机转速；加速度闭环模块控制方法为对反馈加速度绝对值a进行判定并通过PI控制器调节电机转速。

3.如权利要求2所述的一种驱动控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)设备启动时控制系统初始化；

2)判断处于何种路况；

4)将步骤B得到的速度传输到微分D控制器，PI控制器进入分时管控原则，

A.若速度检测装置采集的运输工具行驶速度与期望速度的差值e为零，则PI控制器不做调节，本周期PI控制器分时管控结束，进行下一次路况判断；

B.若行驶速度与期望速度差值e不为零，则PI控制器进入分时管控下半周期，通过微分D控制器得到运输工具加速度值a，PI控制器根据加速度值a选择是否调节电机加速度，

4.如权利要求3所述的一种驱动控制方法，其特征在于，当处于平坦路况下，通过速度检测装置采集运输工具行驶速度，

5.如权利要求4所述的一种驱动控制方法，其特征在于，

PI控制器结构表示式为：

式中，u(t)为PI控制器输出信号，k_p为比例放大系数，k_i为积分系数，t为时间，e(t)为PI控制器输入信号，为期望速度与实际速度差绝对值e或反馈加速度绝对值a；

6.如权利要求1-5任一项所述的一种驱动控制方法，其特征在于，根据电枢电流变化情况判断路况度规则为：当电枢电流不变时运输工具处于平坦路况；当电枢电流增加时运输工具处于上坡路况；当电枢电流下降时运输工具处于下坡路况。