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针对现有长距离皮带输送机测速系统因供电线路长而成本过高的问题，沉阳工业大学电气工程学院研究员隋淼、宗明研究员在2021年第8期《电气工程》我在《科技》写了一篇文章，设计了一个自供电皮带输送机速度监控系统，使用输送机的托辊驱动发电机发电输送机托辊，在发电机给监控系统供电的同时，单片机测量发电机输出电能的频率。根据发电机频率与转速的关系，计算托辊与传送带的线速度。

皮带输送机作为现代工业的交通工具，广泛应用于炼金、矿山、石油化工、港口运输、建筑等领域。但是，带输送机的交通系统也存在很大的隐患。一旦出现打滑、断带、卡死等问题，将导致严重的经济损失。传送带的实时运行速度可以很好地反映输送机的运行情况。因此，为了保证皮带输送机的稳定运行，经常会实时监测皮带输送机的速度参数。长距离输送带中各种保护和监控系统的供电需要长距离的输电线路，导致输电成本巨大。

针对这个问题，现有的输送机监控技术采用无线传感器和无线供电两种方式。所有无线传感器都是由电池供电，供电能力有限，需要经常更换，会消耗大量人力，造成环境问题。

本文采用测速发电机监测输送机的转速，并以此发电机为监测系统供电，实现了自供电的输送机转速监测。

1 输送机皮带速度的检测方法

传送带输送机的线速度很难直接测量，而传送带的托辊线速度与传送带的线速度相同，所以传送带线可以间接测量通过测量 托辊 速度的线速度来测量。托辊 的转速可以通过检测托辊 驱动的发电机的转速得到。

本文采用单片机检测发电机输出的交流频率。将发生器输出的交流信号处理成单片机可识别的方波信号，然后进行定时器计时。同时计数器对高低电平变化的次数进行计数，单位时间内的计数值即为交流信号的频率。

综上所述，可以通过检测发电机输送机的频率来计算皮带的线速度。

2 基于单片机的速度监控系统设计

输送机速度监测系统的工作流程如图1所示。本文采用光耦和上拉电阻将交流信号整形为方波信号，供单片机检测。将交流信号整形为如图 2 所示的方波信号电路。

发电机第一相的交流电经电阻R2降压后输入发光二极管。在正半周输入交流电时，发光二极管导通发光，光敏三极管受光导通，VCC经R1分压输出高电平；当交流电输入负半周时，发光二极管关断，光电三极管同时关断，输出为低电平，使交流信号整形为方波信号输出。

图1 输送机速度监控系统工作流程

图2 将交流信号整形为方波信号电路

本文采用单片机对方波信号进行检测。方波信号输入到单片机的I/O口，内部定时器计时，计数器记录高低电平变化的次数，计算频率，进而计算出输送机的线速度皮带根据公式（3）实时显示在液晶屏上。计算结果精确到小数点后三位。

3 发电机设计

软件搭建的外转子永磁同步发电机模型如图3所示。考虑到外转子永磁同步发电机定子磁轭的磁通密度不高，选择平行齿梯形槽为槽形，与平行齿梨形槽相比，减小了定子磁轭的厚度，增加了槽面积。绕组采用分数槽集中绕组。发电机铁芯采用-50冷轧硅钢片，饱和磁通密度约为2T。发电机采用钕铁硼永磁材料励磁，剩磁达到1.1T，矫顽力/m。发电机的主要参数如表1所示。

图3 外转子永磁同步发电机模型

表1 发电机主要参数

模拟发电机空载状态，以零电流励磁为励磁源。仿真得到电机空载磁通密度分布云图，如图4所示，电机空载时三相感应电动势波形如图5所示。

图 4 电机空载磁通密度分布云图

空载时，发电机三相感应电动势波形为良好的正弦波，峰值约为9.3V，有效值达到6.8V。空载时，发电机磁通密度分布合理，基本磁路不饱和，齿的磁通密度最高，峰值达到1.98T。图4表明-50硅钢片可以达到更好的性能。

图5 电机空载时三相感应电动势波形

4 电源模块设计

转速监控系统的电源模块电路如图6所示。三相整流部分采用三相桥式整流电路。由于芯片和1602液晶电路的电压要求是3.3V，所以使用-3.3V稳压模块将整流后的电压稳定到3.3V，稳压模块用于稳压模块前后。两对电容滤波。图中VD7用作稳压模块的续流保护。

图6 转速监控系统电源模块电路

5 速度监控系统仿真验证

由于现有的仿真软件无法对发电机和单片机进行联合仿真，因此将这两个软件分别用于仿真，并将得到的结果连接起来。

首先使用软件（电机协同仿真软件）对发电机模型和外电路进行协同仿真，得到发电机加载时的输出电压波形，并以表格形式输出保存。然后，在软件（MCU仿真软件）的激励源选项中，选择自定义激励源，通过软件自带的转换功能，将上述数据转换成自定义激励源。最后以该激励源为输入对转速监控部分进行仿真，实现了两个软件仿真数据的对接。

以发电机转速450r/min为模拟值，根据公式（2），液晶屏输出线速度应计算为0.895m/s。现在模拟系统为验证仿真结果与理论计算结果的差异、一致性。

5.1 电机与外电路协同仿真

由于软件无法模拟单片机，缺少稳压集成模块，本文将单片机模块替换为恒功率负载CPL，稳压模块替换为3.@ >3V稳压管。发生器与外部电路的协同仿真电路如图7所示。

图 7 发生器与外部电路的协同仿真电路

由于图7中的三相负载是对称的，发电机三相的输出电压波形只有相位差，其他都一样，所以只需要设置一个电压表VM1。仿真结果表明，发电机带载时一相输出电压波形如图8所示。

图 8 发电机带载时的一相输出电压波形

发电机负载输出电压波形满足整形为方波信号的要求，峰值约为8.8V，有效值为6V，满足供电需求。

5.2 基于电路仿真

在软件中，由于软件默认单片机已经上电，所以分别对单片机的供电模块和转速监控部分进行仿真。将图8中发电机带载时的输出电压波形输入电源模块和单片机模块进行仿真。电源模块的仿真电路如图9所示。

在图 9 中，电压表放置在稳压器模块的前后。VM1值在7.5V左右波动，波动值为±0.5V。经过稳压模块再次滤波后，表VM2所示值在3.3V左右波动，波动值为±0.1V。两次滤波效果明显，信号波动越来越小。表 VM2 中的数字表示电源模块可以为单片机供电。

对于转速监控模块的仿真，由于发电机输出的三相频率相同，所以只取单相输入即可测出频率。速度监控模块整体仿真如图10所示。图11是仿真得到的示波器波形图，即整形得到的方波信号。

图9 电源模块仿真电路

图10 转速监控模块整体仿真

图 11 方波信号波形

从图11可以看出，整形后的方波波形很好，没有失真，可以输入到单片机的I/O口。对于速度监控部分的仿真输送机托辊，图10液晶屏显示的速度为0.895m/s，基本无波动，偶尔波动范围为±0.01m/s。原因是发生器输出的电压信号不是绝对正弦的，导致交流整形后出现误差，但误差在可接受的范围内。

综上所述，带式输送机速度监测系统的仿真结果与理论计算值基本一致。

六，结论

针对长途运输的皮带输送机速度监测和供电问题，设计了一种小型外转子永磁同步发电机为基于单片机的速度监测系统供电，并检测交流电发生器输出的信号。频率来计算传送带的传输速度。本文选取发电机的额定转速作为仿真值，对系统进行仿真。仿真得到的数值与理论计算值基本一致，证明了本文设计的速度监控系统的可行性。

本文采用测速发电机及配套系统实现对输送机的转速监测，解决了现有监测技术中存在的供电问题。同时，本文提出的自供电监控方法可为其他长距离输送带输送机运行状态的监控和保护以及其他配套系统的供电方式提供参考。

本文编译自《电气技术》2021年第8期，论文题目为《自供电皮带输送机测速系统的研究》，作者为隋淼、宗明.