矿用蓄电池电机车安全控制关键技术研究与应用

该成果研制了适用于煤矿防爆型蓄电池电机车的永磁同步电动机及其调速器；采用ARM+DSP+FPGA硬件组合方式构建运动目标自动识别系统，通过图像识别技术对矿用蓄电池机车前方行人进行检测报警。成果使矿用蓄电池电机车更加安全高效，为煤矿安全生产提供了坚实保障。

主要成果包括如下：

1. 研制由红外摄像仪、视频解码电路、ARM+DSP+FPGA处理器电路、继电器控制电路、声光报警器组成的蓄电池电机车行人检测报警硬件系统。
2. 将改进遗传算法和归一化非完全Beta函数结合，实现数字图像信息的快速预处理，利用FPGA硬件实现的Gegenbauer神经网络进行图像的二值化分割，完成了对电机车前方行人的检测。
3. 研制低电压条件下大转矩的永磁同步电动机及基于DSP的隔爆型电机车无速度传感器调速器，解决低速情况下驱动的大力矩问题，实现电机车的电气制动，减小电机车制动距离。
4. 融合模糊自适应PID控制和SVPWM技术，结合扩展卡尔曼滤波器EKF算法实现电机的转速和转子位置角的估算，实现电机车的无速度传感控制。
5. 将电池管理系统整合到蓄电池电机车调速器中，在电机车制动时对蓄电池进行能量回馈充电，电池管理系统避免蓄电池充电时的极化问题，提高蓄电池的使用效率和寿命。
6. 根据蓄电池电机车调速器功率开关器件的功率损耗，进行防爆热管散热器的选型和设计，满足防爆产品散热的要求。

技术经济指标：

• 一台蓄电池机车年节约电能约为42000kwh，以每度电0.72元计算，节约电费约为0.72*42000=3.03万元。
• 蓄电池组使用寿命提高40%以上，每台机车有两组电池，共约60块，以每块电池2000元计算，每台机车节约蓄电池投入约为60200040%=4.8万元。
• 新型蓄电池机车，几乎免维护，每台节约人工费和设备部件更新费约4.4-4.5万元。
• 新型蓄电池机车引起的人身伤亡事故减少，创造了安全效益。

该成果已授权国家专利7项、软件著作权4项：

• 基于图像处理的矿用电机车行人监测方法及报警系统
• 矿用隔爆型永磁同步电动机控制装置
• 基于FPGA的自整定PID控制器
• 高压电网综合保护器测试仪
• 矿用电机车行人检测报警系统
• 基于FPGA的凸极同步电动机定子磁链观测器
• 一种煤矿用蓄电池电机车开关磁阻电机调速系统
• 矿用电机车行人监测报警系统软件V1.0
• 矿用隔爆型永磁同步电动机控制系统软件V1.0
• PID控制器参数自整定软件V1.0
• 基于量子遗传算法的优化控制软件V1.0

发表论文14篇，其中SCI、EI收录7篇。

该成果在安徽、山西、贵州、内蒙古等矿区进行了推广应用，共产生经济效益1.77亿元，经济效益显著。成果的实施提高了矿用蓄电池电机车运行的效率和安全性，保证了煤炭安全生产，具有广阔的市场前景。

该成果研制了适用于煤矿防爆型蓄电池电机车的永磁同步电动机及其调速器；采用ARM+DSP+FPGA硬件组合方式构建运动目标自动识别系统，通过图像识别技术对矿用蓄电池机车前方行人进行检测报警。成果使矿用蓄电池电机车更加安全高效，为煤矿安全生产提供了坚实保障。主要成果包括如下：研制由红外摄像仪、视频解码电路、ARM+DSP+FPGA处理器电路、继电器控制电路、声光报警器组成的蓄电池电机车行人检测报警硬件系统；将改进遗传算法和归一化非完全Beta函数结合，实现数字图像信息的快速预处理，利用FPGA硬件实现的Gegenbauer神经网络进行图像的二值化分割，完成了对电机车前方行人的检测；研制低电压条件下大转矩的永磁同步电动机及基于DSP的隔爆型电机车无速度传感器调速器，解决低速情况下驱动的大力矩问题，实现电机车的电气制动，减小电机车制动距离；融合模糊自适应PID控制和SVPWM技术，结合扩展卡尔曼滤波器EKF算法实现电机的转速和转子位置角的估算，实现电机车的无速度传感控制；将电池管理系统整合到蓄电池电机车调速器中，在电机车制动时对蓄电池进行能量回馈充电，电池管理系统避免蓄电池充电时的极化问题，提高蓄电池的使用效率和寿命；根据蓄电池电机车调速器功率开关器件的功率损耗，进行防爆热管散热器的选型和设计，满足防爆产品散热的要求。技术经济指标：一台蓄电池机车年节约电能约为42000kwh，以每度电0.72元计算，节约电费约为0.72*42000=3.03万；蓄电池组使用寿命提高40%以上，每台机车有两组电池，共约60块，以每块电池2000元计算，每台机车节约蓄电池投入约为60*2000*40%=4.8万元；新型蓄电池机车，几乎免维护，每台节约人工费和设备部件更新费约4.4-4.5万元；新型蓄电池机车引起的人身伤亡事故减少，创造了安全效益。该成果已授权国家专利7项、软件著作权4项：基于图像处理的矿用电机车行人监测方法及报警系统；矿用隔爆型永磁同步电动机控制装置；基于FPGA的自整定PID控制器；高压电网综合保护器测试仪；矿用电机车行人检测报警系统；基于FPGA的凸极同步电动机定子磁链观测器；一种煤矿用蓄电池电机车开关磁阻电机调速系统；矿用电机车行人监测报警系统软件V1.0；矿用隔爆型永磁同步电动机控制系统软件V1.0；PID控制器参数自整定软件V1.0；基于量子遗传算法的优化控制软件V1.0。发表论文14篇，其中SCI、EI收录7篇。该成果在安徽、山西、贵州、内蒙古等矿区进行了推广应用，共产生经济效益1.77亿元，经济效益显著。成果的实施提高了矿用蓄电池电机车运行的效率和安全性，保证了煤炭安全生产，具有广阔的市场前景。