一、提出问题

防爆特殊型适用于有瓦斯矿井的主要回风巷道和采区进、回风巷道，用于集结车辆、运输煤、矸石、材料、设备、人员之用。做为频繁使用的井下运输工具，其机车头装置中有一个主要部件—司控器,作用是控制电机车的启动、换向、调速和停止，运行中操作十分频繁。目前机车司控器多采用晶闸管（SCR）斩波调速，这种调速方式可做到平稳起动、无级调速、损耗小、效率高，但其不足之处是：晶闸管一旦被触发，其关断必须依赖换流电容和电感振荡产生的反压来实现，增加了装置的成本和换流损耗，电源电压下降时还会导致换流失败，使系统的可靠性降低，如果运行中有出现换流失败，即出现“失控”现象时，会给生产和人身安全带来威胁。SCR斩波器的工作频率低（150HZ～300HZ左右），电机上的力矩脉动和电流脉动比较严重，所以滤波器件体积较大，SCR的开关时间受元件本身和换流电路参数的限制，一般导通率不能过低，否则在轻载时电流将出现断续，使电机附加损耗增大。同时由于这种司控器无保护功能，因而故障率非常高，而且查找起来十分麻烦，给煤矿安全生产带来了不利影响。 由于老式司控器设计存在各种问题，给煤矿安全生产带来不利影响，要消除这种事故隐患，就必须设计出一种新型的电机车司控器予以替代，经过半年的研制，卧龙湖矿终于开发出新一代电机车IPM司控器，该司控器采用了新型控制器件，完全摒弃了老式司控器的操作及控制方式，结构更加简单，并且增加了各种保护功能，使电机车的操作更加安全可靠。 二、设计原理及解决方案 1、整机电路原理分析 如图（2）所示，设计制作完成的电路板用于司控器的各种控制，通过开关电源模块将机车蓄电池电压转换成正负15V电压为传感器供电，5V电压为液晶屏和单片机供电，输入端接有光耦及指示电路，用于隔离外界干扰，输出端接有中间继电器，用于对各类负载（灯、喇叭等）进行控制，保险管用于负荷的短路保护，整个电路设计简洁，稳定可靠，故障率极低。 单片机PWM端口输出频率约4000HZ的占空比（0%～99%）可调脉宽电压经过专用电路放大后驱动IPM功率器件用于对直流电机进行调速，调速范围可达256级，实现了真正意义上的无级调速（老式司控器只能实现30级左右的调速范围），使得机车运行更加平稳。 2、元部件功能及作用 （1）按钮操作 摒弃了传统的手柄调速换向方式，采用按钮操作进行控制，在操作面板上设计了停止、前进、后退、加速、减速、喇叭、灯、急停8个操作按钮，通过这8个按钮，对机车实现换向、调速、停止、喇叭和灯开关控制等功能，易于操作，简单可靠。这种通过按钮实现对机车调速的功能彻底杜绝了机车“串档”的常见故障，真正实现机车安全平稳的启动和运行。 （2）液晶屏显示 增加了液晶显示功能，采用了常用的12864液晶屏对司控器状态参数进行显示，该显示屏成本较低，广泛应用于各种仪器、小型设备的显示领域，它采用5V直流供电，工作电流70mA，可显示各种文字、数字及图形。在此用来实时显示电瓶电压、双电机电流、各种工作状态和故障显示。 （3）单片机控制 （4）功率调速元件IPM 新型智能功率模块IPM的问世和应用，使高稳定、高可靠性电机车司控器的研制成为了可能，这种器件不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过电压、欠电压、过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送CPU做中断处理，即使发生负载事故或使用不当，也可以保护自身不受损坏，从而使外围电路设计更加简单，故障率更低。同时由于IPM具有自关断能力，不需强迫换流电路，从而简化了主电路，体积大大减小，它是一个电流控制元件，不存在换流失败问题；IPM工作频率超过音频（1000HZ，实际应用约为4000HZ），供电给串激电动机可大大减少滤波器的容量，调速范围宽（实际应用时为256档无级调速）。IPM接口电路也极其简单，更换起来十分方便，只需将5芯插头一拔，卸下固定螺丝即可取下模块进行更换。 3、机车工作流程分析 机车在工作时，遵循下列控制流程： （1）启动 按压前进（后退）按钮，前进（后退）换向接触器吸合，车灯自动转换，前（后）照明灯和后（前）红灯亮，喇叭自动响3秒，提示前方行人注意安全，机车做好启动准备。 （2）运行 按压加速按钮，机车开始加速运行，面板液晶屏显示蓄电池工作电压和两直流电机工作电流，当机车加速至合适状态时，松开加速按钮，机车维持当前速度不变。需要减速时，按压减速按钮，机车开始减速，直到机车停止。通过不断按压加速和减速按钮，可使机车工作在合适状态，当机车加速接近全速时，旁路接触器吸合，将IPM短路，机车即进入全速运行状态，此设计可降低IPM温升，延长IPM使用寿命。 （3）停止 只需按压停止按钮，IPM驱动脉冲断开，机车即停止运行。如果在机车高速运行时直接停车，那么必须在5秒后确保机车停稳后才能重新进行换向调速。 （4）换向 如果想从前进（后退）方向切换到后退（前进）方向，可再次按压前进（后退）按钮，前进（后退）接触器断开，再重新按压后退（前进）按钮，则后退（前进）接触器即吸合，实现机车换向，车灯随之换向。 4、机车各种保护和控制功能 （1）高速停车时延时5秒才允许机车换向调速。 （2）为防止“打倒档”停车，机车在运行时不能换向，必须在停止状态才可以。 （3）面板按钮常闭故障保护及显示。 （4）换向后警铃响3秒才能加速。 （5）停车后，如果5分钟之内没有对车辆进行操作，换向接触器会自动断开，显示屏亮度降为正常亮度的1/5，前后照明灯熄灭，前后红灯开始闪亮（节能模式）。 （6）IPM短路和开路保护。 （7）IPM内置超温、过流、欠压和短路保护。 （8）蓄电池欠压保护。 （9）电机损坏（过流或开路）保护。 （10）霍尔传感器损坏保护。 （11）瓦斯超限保护。 （12）机车停止运行后液晶屏自动切换显示电子时钟和机箱内温度。 三、应用实效 该新型司控器集成了各种保护和故障显示功能，采用了最新型功率开关器件IPM对直流电机进行速度控制，具有启停无冲击，运行工作平稳，线路简单，调速范围宽，电流波形系数好，附加损耗小，功率因数高等优点，彻底杜绝了老式机车“串档”故障，人为“打倒档”的现象，由于它功能设计完善，保护齐全，大大提高了机车无故障安全运行周期，使矿用机车的行驶更加安全可靠，因此可广泛应用于5吨～12吨各类蓄电池电机车中作调速使用，该新型矿用机车调速器有着巨大的市场发展潜力，应用前景非常广阔。