帶式輸送機作為現(xiàn)代工業(yè)的運輸工具，被廣泛應(yīng)用于煉金、礦業(yè)、石化、港口運輸、建筑等領(lǐng)域。但帶式輸送機運輸系統(tǒng)也存在著很大的隱患，一旦發(fā)生打滑、斷帶、卡死等問題會導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。輸送帶實時的運行速度能夠很好地反映輸送機的運行情況，因此，為確保帶式輸送機穩(wěn)定運行，常對帶式輸送機的速度參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測。長距離輸送帶中各種保護(hù)和監(jiān)測系統(tǒng)的供電需要長距離的輸電線路，導(dǎo)致輸電成本巨大。

對于此問題，現(xiàn)有的輸送機監(jiān)測技術(shù)采用無線傳感器和無線供電兩種辦法。無線傳感器皆由電池供電，供電能力有限，需經(jīng)常更換，會耗費較大的人力并造成環(huán)保問題；無線供電技術(shù)過于復(fù)雜，且成本巨大，應(yīng)用的性價比極低。

本文通過一臺測速發(fā)電機對輸送機的速度進(jìn)行監(jiān)測，并通過此發(fā)電機為監(jiān)測系統(tǒng)供電，實現(xiàn)了自供電的輸送機速度監(jiān)測。

1 輸送機皮帶速度的檢測方法

帶式輸送機的線速度難以直接測量，而輸送帶的托輥線速度與輸送帶線速度是相同的，故可通過測量托輥線速度間接測量輸送帶線速度。托輥的轉(zhuǎn)速可以通過檢測托輥所帶動的發(fā)電機轉(zhuǎn)速得到。

本文利用單片機檢測發(fā)電機輸出的交流電頻率。將發(fā)電機輸出的交流信號經(jīng)過處理變?yōu)閱纹瑱C可以識別的方波信號，然后定時器定時，同時計數(shù)器對高低電平變化次數(shù)進(jìn)行計數(shù)，單位時間的計數(shù)值即為交流信號的頻率。

綜上，通過檢測發(fā)電機的頻率可以計算得出輸送機皮帶的線速度。

2 基于單片機的速度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

輸送機速度監(jiān)測系統(tǒng)工作流程如圖1所示。本文利用光耦合器和上拉電阻將交流信號整形為方波信號，供單片機檢測。交流信號整形為方波信號電路如圖2所示。

發(fā)電機一相的交流電經(jīng)過電阻R2降壓后輸入發(fā)光二極管，當(dāng)交流電正半周輸入時，發(fā)光二極管導(dǎo)通并發(fā)光，光敏晶體管受光照導(dǎo)通，VCC經(jīng)過R1分壓，輸出高電平；當(dāng)交流電負(fù)半周輸入時，發(fā)光二極管關(guān)斷，光敏晶體管同時開斷，輸出低電平，如此便將交流信號整形為方波信號輸出。

圖1 輸送機速度監(jiān)測系統(tǒng)工作流程

圖2 交流信號整形為方波信號電路

本文使用STM32單片機對方波信號進(jìn)行檢測。方波信號輸入單片機I/O口，內(nèi)部定時器定時，計數(shù)器記錄高低電平變化次數(shù)，計算頻率，然后根據(jù)式（3）計算得到傳送帶線速度并在LCD1602液晶屏上實時顯示，計算結(jié)果精確到小數(shù)點后三位。

3 發(fā)電機設(shè)計

本文用Ansys Maxwell軟件搭建的外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機模型如圖3所示?？紤]到外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機定子軛部磁通密度不高，槽形選擇平行齒梯形槽，減小了定子軛部的厚度，相對于平行齒梨形槽增加了槽面積。繞組采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組。發(fā)電機鐵心采用DW315—50冷軋硅鋼片，其飽和磁通密度在2T左右。發(fā)電機采用NdFe35型號釹鐵硼永磁材料勵磁，其剩磁達(dá)到1.1T，矯頑力890kA/m。發(fā)電機主要參數(shù)見表1。

圖3 外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機模型

表1 發(fā)電機的主要參數(shù)

對發(fā)電機的空載狀態(tài)進(jìn)行仿真，將零電流激勵作為激勵源，仿真得到電機空載磁通密度分布云圖如圖4所示，電機空載時三相感應(yīng)電動勢波形如圖5所示。

圖4 電機空載磁通密度分布云圖

空載時發(fā)電機的三相感應(yīng)電動勢波形呈良好的正弦性，峰值為9.3V左右，有效值達(dá)到6.8 V?？蛰d時發(fā)電機的磁通密度分布合理，基本磁路無飽和，齒部磁通密度最高，其峰值達(dá)到1.98T。圖4表明DW315—50硅鋼片可達(dá)到較優(yōu)的使用性能。

圖5 電機空載時三相感應(yīng)電動勢波形

4 供電模塊設(shè)計

速度監(jiān)測系統(tǒng)的供電模塊電路如圖6所示。三相整流部分采用三相橋式整流電路。因STM32芯片和1602液晶電路電壓需求為3.3V，故采用LM1086—3.3V穩(wěn)壓模塊使整流后的電壓穩(wěn)定為3.3V，并在LM1086穩(wěn)壓模塊前后分別用兩對電容濾波。圖中VD7作為穩(wěn)壓模塊的續(xù)流保護(hù)。

圖6 速度監(jiān)測系統(tǒng)的供電模塊電路

5 速度監(jiān)測系統(tǒng)的仿真驗證

因現(xiàn)有的仿真軟件無法對發(fā)電機與單片機進(jìn)行聯(lián)合仿真，故本文用兩款軟件進(jìn)行仿真，將得到的結(jié)果進(jìn)行連接。

首先用Ansys Simplorer軟件（電機聯(lián)合仿真軟件）將發(fā)電機模型和外電路進(jìn)行聯(lián)合仿真，得到發(fā)電機負(fù)載時的輸出電壓波形，并將波形圖以Excel形式輸出并保存。然后在Proteus軟件（單片機仿真軟件）的激勵源選項中，選擇自定義激勵源，將上述的Excel數(shù)據(jù)通過軟件自帶的轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)化為自定義激勵源。最后用此激勵源作為輸入對速度監(jiān)測部分進(jìn)行仿真，實現(xiàn)了兩款軟件仿真數(shù)據(jù)的連接。

取發(fā)電機轉(zhuǎn)速450r/min為仿真值，根據(jù)式（2）計算液晶屏應(yīng)輸出線速度為0.895m/s，現(xiàn)對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗證仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果的一致性。

5.1 電機與外電路聯(lián)合仿真

因為Ansys Simplorer軟件不能仿真單片機，而且缺少穩(wěn)壓集成模塊，本文將單片機模塊用一個恒功率負(fù)載CPL來代替，LM1086穩(wěn)壓模塊用3.3V的穩(wěn)壓管代替。發(fā)電機與外電路聯(lián)合仿真電路如圖7所示。

圖7 發(fā)電機與外電路聯(lián)合仿真電路

因圖7中三相負(fù)載對稱，發(fā)電機三相的輸出電壓波形只存在相位差，其他都相同，所以只需設(shè)置一塊電壓表VM1。仿真得出發(fā)電機負(fù)載時一相的輸出電壓波形如圖8所示。

圖8 發(fā)電機負(fù)載時一相輸出電壓波形

發(fā)電機負(fù)載輸出電壓波形滿足整形為方波信號的要求，峰值約8.8V，有效值6V，滿足供電需求。

5.2 基于Proteus的電路仿真

在Proteus軟件中，因為軟件默認(rèn)單片機已供電，故對供電模塊和單片機速度監(jiān)測部分分別進(jìn)行仿真。將圖8得到的發(fā)電機負(fù)載時輸出電壓波形分別輸入供電模塊和單片機模塊進(jìn)行仿真。供電模塊仿真電路如圖9所示。

圖9中，在穩(wěn)壓模塊前后各安放了一個電壓表，表VM1示數(shù)在7.5V左右波動，波動值為±0.5V，通過穩(wěn)壓模塊及再次濾波后，表VM2示數(shù)在3.3V左右波動，波動值為±0.1V，兩次濾波的效果明顯，信號波動越來越小。表VM2的示數(shù)表明供電模塊可以給單片機供電。

對于速度監(jiān)測模塊的仿真，因發(fā)電機輸出的三相頻率是相同的，只取單相輸入即可測得頻率。速度監(jiān)測模塊整體仿真如圖10所示。圖11為仿真得到的示波器波形圖，即整形得到的方波信號。

圖9 供電模塊仿真電路

圖10 速度監(jiān)測模塊整體仿真

圖11 方波信號波形

從圖11可以看出，整形后方波波形良好，沒有畸變，可以輸入單片機I/O口。對于速度監(jiān)測部分的仿真，圖10中LM1602液晶屏顯示的速度為0.895m/s，基本無波動，偶爾波動幅度為±0.01m/s。原因為發(fā)電機輸出的電壓信號不呈絕對的正弦性，導(dǎo)致交流整形后出現(xiàn)誤差，但誤差在可接受范圍內(nèi)。

綜上可知，帶式輸送機速度監(jiān)測系統(tǒng)的仿真結(jié)果與理論計算值基本一致。

6 結(jié)論

針對遠(yuǎn)距離運輸?shù)膸捷斔蜋C速度監(jiān)測及其供電問題，本文設(shè)計了一臺小型外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機為基于STM32單片機的速度監(jiān)測系統(tǒng)供電，并通過檢測發(fā)電機輸出的交流信號頻率，計算出輸送帶傳輸速度。本文選取發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速為仿真值，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真得出的值與理論計算值基本一致，證明了本文設(shè)計的速度監(jiān)測系統(tǒng)的可行性。

本文利用一臺測速發(fā)電機和配套系統(tǒng)既實現(xiàn)了對輸送機速度的監(jiān)測，又解決了現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)所存在的供電問題。同時，本文提出的自供電監(jiān)測方式可為其他遠(yuǎn)距離帶式輸送機運行狀態(tài)的監(jiān)測、保護(hù)和其他配套系統(tǒng)的供電方式提供參考。

本文編自2021年第8期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“自供電的帶式輸送機速度監(jiān)測系統(tǒng)研究”，作者為隋淼、宗鳴。