蓄电池支架搬运车电气系统优化设计

机

　电　工　程　技　术　第

４９卷　第０８期ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ＆ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　

Ｖｏｌ ４９　Ｎｏ ０８

２０１８０１Ｄ１２１１８９ ＤＯＩ：

１０ ３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００９－９４９２ ２０２０ ０８ ０７０　

布朋生．蓄电池支架搬运车电气系统优化设计［Ｊ］．机电工程技术，２０２０，４９（０８）：２１６－２１８

蓄电池支架搬运车电气系统优化设计

布朋生

（中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，太原

　０３０００６）摘要：针对现有蓄电池支架搬运车电气系统存在的通信实时性差、控制模式单一的问题，进行电气系统优化设计。增加变频器和牵引电动机，实现

“一拖一”运行模式，实现对整车的转速控制、低速大扭矩、前驱

／后驱转矩控制。试验结果表明，优化后的蓄电池支架搬运车电气系统在运行速度、续航里程、带载爬坡等方面表现突出，达到优化设计目标。关键词：支架搬运车；电气系统；ＣＡＮ；ＰＬＣ；变频；优化

中图分类号：ＴＤ５２５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００９－９４９２（

２０２０）０８－０２１６－０３ＯｐｔｉｍａｌＤｅｓｉｇｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｆｏｒＢａｔｔｅｒｙＳｃａｆｆｏｌｄＴｒｕｃｋ

ＢｕＰｅｎｇｓｈｅｎｇ

（ＴａｉｙｕａｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ ，Ｌｔｄ ，ＣＣＴＥＧ，Ｔａｉｙｕａｎ０３０００６，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：

Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｐｏｏｒｒｅａｌ－ｔｉｍｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄｓｉｎｇｌｅｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅｉｎｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｂａｔｔｅｒｙｓｕｐｐｏｒｔｔｒｕｃｋｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ，

ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｗａｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｔｅｒａｎｄｔｒａｃｔｉｏｎｍｏｔｏｒｗｅｒｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅ＂ｏｎｅ－ｔｏ－ｏｎｅ＂ｏｐｅｒａｔｉｏｎｍｏｄｅ，

ａｎｄｔｈｅｓｐｅｅｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅ，

ｌｏｗｓｐｅｅｄａｎｄｈｉｇｈｔｏｒｑｕｅ，

ａｎｄｆｒｏｎｔ／ｒｅａｒｄｒｉｖｅｔｏｒｑｕｅｃｏｎｔｒｏｌｗｅｒｅｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｂａｔｔｅｒｙｓｕｐｐｏｒｔｔｒｕｃｋ

ｈａｓｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｔｅｒｍｓｏｆｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｃｒｕｉｓｉｎｇｒａｎｇｅ，ａｎｄｃｌｉｍｂｉｎｇｗｉｔｈｌｏａｄ，

ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｇｏａｌｉｓａｃｈｉｅｖｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｃａｆｆｏｌｄｔｒｕｃｋ；ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ；ＣＡＮ；ＰＬＣ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ

０

引言

支架搬运车用于煤矿井下综采工作面液压支架的搬运工作。国内液压支架按照中心距可分为１ ５ｍ、１ ７５ｍ两种。１ ５ｍ中心距液压支架总质量小于２８ｔ，１ ７５ｍ中心距液压

支架总质量大于２８ｔ。随着自动化、智能化开采技术的不断

发展，综采工作面长度由１００～１５０ｍ提升至３００ｍ，液压支

架数量由１００架提升值１８０架，总质量由１５００ｔ提升至７５００ｔ左

右［１－３

］。综采工作面搬家时，搬运液压支架工作任务重、危险系数高、耗时长，约占总搬迁时间的７０％。为节

约综采工作面搬家时间，需要保证支架搬运车运行的稳定性［４－５

］。针对蓄电池支架搬运车原电气系统中存在问题诸如通信、控制模式等问题，进行优化设计，提高支架搬运车电气控制性能。

１

原电气设计

原蓄电池支架搬运车电气系统设计如图１所示，由ＰＬＣ

控制器控制变频器控制器，驱动１台油泵变频器、２台牵引变频器运行。油泵变频器与油泵电机采用“一拖一”模式运行，用于为支架搬运车提供液压动力，控制液压油缸按照指令动作；牵引变频器与牵引电机采用“一拖二”模式运行，分别用于控制支架搬运车的前部２电机和后部２电机，驱动支架搬运车前进、后退。ＰＬＣ控制器、变频器控制器以及变频器之间采用ＣＡＮ总线数据传输模式。ＰＬＣ控制器还需要对电操作系统、低压照明系统进行逻辑控制。电操作系统主要包括急停、闭锁、手柄按钮控制。配置显示系统，用于显示

支架搬运车运行过程中的重要数据，如运行模式、变频器故

障、转速／转矩实时值等，以ＣＡＮ通

信进行数据传输。配置电源装置，为系统中的用电设备提供ＡＣ２２０或ＤＣ２４Ｖ供电电

源。在该电气系统设计中，采用转矩控制模式驱动支架搬运

车。蓄电池支架搬运车原电气系统存在的问题有：（

１）ＣＡＮ通信时，数据量大时，数据丢包率高、实时性差；（２）控制模式单一，平路行驶时，速度低于８ｋｍ／ｈ；爬坡时，变频器报过压故障，无法完成１２°爬坡试验；（３）无遥控系统，增加了井下工作人员的危险系数

。

图１　原

蓄电池支架搬运车电气系统设计框图２

优化设计

２ １

设计方案

针对原蓄电池支架搬运车电气系统存在的问题，设计优

化设计方案，如图２所示。由ＰＬＣ控制器直接控制牵引、

油泵变频器，变频器与电机之间采用“一拖一”模式。扩

展两个ＣＡＮ通信口，一个ＣＡＮ通

信口控制两个牵引变频器，ＰＬＣ控制器自带的ＣＡＮ通

信口用于驱动油泵变频器，以保证ＣＡＮ通

信数据的实时性，减少丢包率。增加支架搬运车遥控系统，以ＣＡＮ通信模式实现数据、控制指令的传输。采用ＣＡＮ总线通信时，设置的通信参数如表１所

示。图２　优化后的蓄电池支架搬运车电气系统设计框图

表１　蓄电池支架搬运车ＣＡＮ通信参数设置

参数左前牵引变频器右前牵引变频器左后牵引变频器右后牵引变频器油泵变频器显示系统遥控系统从站号０ｘ０９０ｘ１９０ｘ２９０ｘ３９０ｘ４９０ｘ５９０ｘ６９波特率／（ｋｂ·ｓ－１

）２５０２５０２５０２５０５００５００５００连接数４Ｔｘ／Ｒｘ４Ｔｘ／Ｒｘ４Ｔｘ／Ｒｘ４Ｔｘ／Ｒｘ２Ｔｘ／Ｒｘ４Ｔｘ２Ｔｘ／Ｒｘ帧格式标准帧标准帧标准帧标准帧扩展帧标准帧扩展帧

２ ２

优化驱动策略

针对原蓄电池支架搬运车电气系统存在控制模式单一问题，优化设计驱动策略，如图３所

示。ＰＬＣ控制器接收模式转换、驻车制动、加速脚踏板、制动脚踏板以及车速／电

机转速信号，经逻辑处理后，分别进入转速模式、低速大扭矩、前驱以及后驱４种控制模式，以驱动支架搬运车运行。转速模式用于在巷道内空载运行，可提高支架搬运车的运行速度；低速大扭矩模式用于爬坡工况，降低车速、输出大扭矩；也用于搬运支架过程。前驱、后驱模式为应急模式，防止有一个或几个变频器损坏时，确保支架搬运车能驶离巷道。设计故障处理系统，以便对支架搬运车运行发生故障时，及时发现故障、排除故障。

图３　蓄电池支架搬运车驱动策略

（１）转

速模式控制当支架搬运车的运行模式为转速模式时，ＰＬＣ控制器需

完成对变频器的转速控制。ＰＬＣ控制器以ＣＡＮ通

信模式接收变频器数据，根据定义的ＣＡＮ通信协议进行数据解析。表２

以及表３所示为ＰＬＣ控制器与变频器部分ＣＡＮ通信协议。根

据解析到的变频器的“状态字”，以

ＣＡＮ通信模式发送对应的控制指令，使变频器状态切换至可运行模式（变频器状态处于该模式时，只要给定转速／转矩，即驱动电动机运行）。ＰＬＣ控制器分析驻车制动、制动脚踏板信号经逻辑判断，支架搬运车可运行时，对加速脚踏板信号经Ａ／Ｄ转换后，得到脚踏板给定转速Ｖｓｅｔ

，传

送至ＣＡＮ通信协议中的“速度给定”单元，并发送至变频器，驱动电动机按照Ｖｓｅｔ

运

行。变频器返回设定“模式”、“模式反馈速度”，ＰＬＣ控制器解析后完成确认。

表２　ＰＬＣ控制器发送给变频器的ＣＡＮ通信数据（部分）

类型数据字节１２３４５６７８参数控制字速度给定转矩给定模式驱动方向表３　变频器发送给ＰＬＣ控制器的ＣＡＮ通信数据（部分）类型数据

字节１２３４５６７

８参数状态字模式反馈速度母线电压模式ＰＣＢ温度

（２）转

矩模式控制当支架搬运车的运行模式为低速大扭矩、前驱、后驱模式时，ＰＬＣ控制器完成对变频器的转矩控制，软件流程如图４所示。ＰＬＣ控制器根据变频器的“状态字”，发送不同的“控制字”以及模式，将变频器切换至转矩模式可运行状态。ＰＬＣ控制器获取脚踏板信号经Ａ／Ｄ转换后传送至模糊ＰＩＤ控制单元，输出经调节后的“转矩给定”值发送给变频器以驱动电动机运行。电动机运行后，通过安装在电动机机身的旋转编码器，ＰＬＣ控制器实时获取电动机转速，作为模糊ＰＩＤ

控制单元的输入变量进行转矩调节［６－７

］。当输出值与给定值

的偏差较大时，取消积分调节，避免输出值的稳定性降低；当输出值与给定值相近时，加入积分调节，消除静态误差，提高“转矩给定”值的精度。在进行转矩控制时，需要对电动机的转速上限进行设置，另需要考虑母线电压以及功率对“转矩给定”的影响，即增加母线电压和功率调节系数。

图４　转矩控制模式软件流程

３

试验分析

优化后的蓄电池支架搬运车电气控制系统完成实验室测

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