基于ARM的嵌入式矿井提升机变频调速控制系统

摘要

矿井提升机是一套用于矿山提升运输的复杂机电系统。传统矿井提升机调速系统不具备工况信息分析与处理功能，而且存在控制线路复杂、故障率高、不易维护等缺点。改变矿井提升机控制方式，优化提升机的调速性能，实现对矿井提升机运行状态信息的监测、处理与控制，提高矿井提升机对现场信息处理的响应速度和控制的可靠性，具有较大的工程应用价值。
　　本文采用高性能ARM微处理器作为矿井提升机的数字化控制平台，并利用μC/OS-Ⅱ嵌入式实时多任务操作系统按任务形式实现了矿井提升机的变频调速和对各种运行状态信息的监测、处理与控制。论文首先对提升机的速度控制要求和交流异步电动机变频调速的原理进行了分析，将空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法应用于矿井提升机的变频调速数字化控制，并且对算法进行了分解与改进，以适用于嵌入式微处理器的实现。其次，设计了以LPC2131为主控制器的矢量控制系统，硬件上具备提升机变频驱动过程中运行状态信息的检测与控制，具体包括电流、电压、速度及温度等参数的检测功能，以及提升机变频启动、停止和调速等功能。软件设计方面，在LPC2131微控制器中移植了μC/OS-Ⅱ实时多任务操作系统，将矿井提升机变频驱动要实现的控制功能划分到若干任务中，按软件模块化的设计形式得以实现，具体包括空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法、PID算法、提升速度闭环控制等多项任务，并给出了系统软件的主要流程图及相关代码。最后，在建立的变频调速空间矢量脉宽调制算法及矢量控制系统仿真模型基础上，进行了控制性能分析，并对所设计的控制系统进行了测试实验。仿真与测试实验结果表明所设计控制系统实现了对交流异步电动机的变频调速，系统运行稳定、可靠，ARM与μC/OS-Ⅱ嵌入式实时多任务操作系统的结合有望用于矿井提升机变频调速数字化控制系统的设计中。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 矿井提升机概述

1．2 矿井提升机调速技术的现状及发展

1．3 本课题选题意义

1．4 本文的主要研究工作

第二章 矿井提升机变频调速控制原理

2．1 提升机变频调速的功能与技术要求

2．1．1 四象限运行要求

2．1．2 调速与行程控制要求

2．1．3 运行状态监控要求

2．2 提升机速度与行程控制原理

2．2．1 S形速度曲线

2．2．2 行程控制分析

2．2．3 行程控制算法

2．3 提升机变频调速矢量控制技术

2．3．1 数学模型及坐标变换

2．3．2 变频驱动矢量控制原理

2．3．3 空间矢量脉宽调制(SVPWM)

2．4 矿井提升机速度闭环PID控制

2．5 本章小结

第三章 提升机变频调速控制系统硬件设计

3．1 控制系统总体方案设计

3．2 数字化变频调速控制

3．2．1 提升机变频调速控制策略

3．2．2 ARM处理器选型

3．3 控制系统功能模块的硬件设计

3．3．1 基于ARM7-LPC2131的数字化变频控制系统

3．3．2 驱动电路的设计

3．3．3 检测电路的设计

3．3．4 保护电路的设计

3．4 硬件可靠性设计

3．4．1 系统常见电磁干扰

3．4．2 抑制电磁干扰的有效途径

3．5 本章小结

第四章 提升机变频调速控制系统软件设计

4．1 控制系统软件总体方案

4．1．1 软件功能划分

4．1．2 软件开发环境与流程

4．2 数字化控制算法设计

4．2．1 矢量控制算法

4．2．2 速度PID控制算法

4．3 基于μC／OS-Ⅱ的控制系统软件设计

4．3．1 μC／OS-Ⅱ移植条件及实现

4．3．2 嵌入式系统应用程序设计

4．4 程序抗干扰设计

4．5 本章小结

第五章 仿真与测试实验

5．1 建模与仿真分析

5．1．1 仿真工具

5．2．2 仿真方案

5．1．2 仿真模型

5．1．3 仿真结果与分析

5．2 测试与分析

5．2．1 变频驱动波形测试

5．2．2 变频输出电流电压测试

5．2．3 速度测试

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

附录A：攻读学位期间研究成果