基于DSP的礦用隔爆型電機(jī)速度檢測技術(shù)研究

朱劍鋒

【摘要】 為了提高礦用隔爆型電機(jī)速度檢測精度，在詳細(xì)介紹數(shù)字信號處理器（DSP）和光電編碼器原理的基礎(chǔ)上，充分利用DSP內(nèi)部正交編碼脈沖單元模塊，設(shè)計(jì)礦用隔爆型電機(jī)速度檢測系統(tǒng)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)DSP與光電編碼器接口電路。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦隔爆型電機(jī)的運(yùn)行速度在線檢測，大大提高了速度檢測的精度和可靠性。

【關(guān)鍵詞】 煤礦 DSP 光電編碼器 電機(jī) 速度檢測

近年來，隨著我國推進(jìn)小煤礦的資源整合與兼并重組工作，加快礦井的機(jī)械化改造步伐，有力的提升了煤礦安全生產(chǎn)保障水平，極大的促進(jìn)了煤礦安全生產(chǎn)形勢的好轉(zhuǎn)。但煤礦兼并重組、整合技改工作地區(qū)間進(jìn)展不平衡，部分整合技改煤礦違規(guī)生產(chǎn)或以整合技改名義逃避關(guān)閉。煤礦兼并重組、整合技改過程中隱患大量存在，瓦斯等可可燃性氣體遇到火花容易引起爆炸，安全生產(chǎn)事故時(shí)有發(fā)生。煤礦安全生產(chǎn)形勢對井下輸變電和生產(chǎn)設(shè)備性能提出更嚴(yán)格的要求，尤其是提升運(yùn)輸和搶險(xiǎn)救援設(shè)備。礦用隔爆型電機(jī)是煤礦井下提升運(yùn)輸、采掘和搶險(xiǎn)救援的動(dòng)力來源，開展礦用隔爆型電機(jī)運(yùn)行速度檢測技術(shù)的研究，對于提升煤礦設(shè)備的可靠性、排除安全隱患、減小生產(chǎn)事故發(fā)生和保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要的意義。

一、數(shù)字信號處理器

從TI公司在1982-1983年推出TMS系列數(shù)字信號處理器（DSP）第一代產(chǎn)品到今天的TMS320C2000/5000/6000產(chǎn)品系列，TI公司的DSP的處理速度不斷提高、結(jié)構(gòu)更加合理、性能更加優(yōu)越，DSP系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境也不斷完善。TMS320C2000系列DSP集成微控制器和高性能DSP的特點(diǎn)，整合了Flash存儲(chǔ)器、事件管理器、增強(qiáng)型CAN模塊、快速的A/D轉(zhuǎn)換器、正交編碼電路接口及多通道緩沖串口等外設(shè)，具有強(qiáng)大的控制和信號處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法。在281x DSP上有兩個(gè)事件管理器EVA和EVB，它們是數(shù)字電機(jī)控制時(shí)使用較多的重要外設(shè)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)電設(shè)備控制的各種功能。

每個(gè)事件管理器中包括定時(shí)器、比較器、PWM邏輯電路、捕捉單元正交編碼脈沖電路及中斷邏輯電路，省去了外部死區(qū)控制邏輯和外部速度/定位傳感器邏輯，降低了CPU的開銷，提高了系統(tǒng)的可靠性。

二、光電編碼器

光電編碼器是利用光電轉(zhuǎn)換原理將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。光電編碼器主要由光柵盤和光電檢測裝置組成，光柵盤上等分若干長方形小孔，檢測系統(tǒng)中光電盤與被檢測物同軸，被檢測物旋轉(zhuǎn)代動(dòng)光電盤同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過發(fā)光二極管等電子元器件組成的檢測裝置檢測若干脈沖信號，通過計(jì)算光電編碼器每秒輸出的脈沖數(shù)就能反映當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

另外，光電編碼器提供相位相差90°的兩個(gè)通道信號輸出，系統(tǒng)可以根據(jù)雙通道光碼狀態(tài)的變化來判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)向。根據(jù)刻度方法及信號輸出形式，光電編碼器分為增量式、絕對式和混合式三種。

系統(tǒng)選用歐姆龍公司生產(chǎn)的E6B2-CWZ3E型光電編碼器作為礦用隔爆型電機(jī)速度和方向檢測器件，該傳感器利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出A、B和Z相三路方波脈沖信號。A相、B相兩路信號之間互差90°，用來檢測電機(jī)的速度和方向。該傳感器具體參數(shù)如表1所示。

三、DSP與編碼器接口電路

DSP芯片的每個(gè)事件管理器模塊都有一個(gè)正交編碼脈沖（QEP）電路，當(dāng)QEP電路被使能時(shí)， DSP可以對CAP1/QEP1和CAP2/QEP2（對于EVA）或CAP4/QEP3和CAP5/QEP4（對于EVB）引腳上的正交編碼脈沖進(jìn)行解碼和計(jì)數(shù)。QEP電路可以用于連接光電編碼器，獲得礦用隔爆型電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和速度信息。

在使能QEP電路時(shí)，CAP1/CAP2和CAP4/CAP5引腳的捕捉功能被禁止。QEP單元通過信號轉(zhuǎn)換單元與安裝在電機(jī)主軸上的增量式光電編碼器相連接，DSP對正交編碼脈沖信號進(jìn)行譯碼和計(jì)數(shù)，通過中斷程序?qū)崿F(xiàn)對礦用隔爆型電機(jī)速度、向等參數(shù)的計(jì)算和存儲(chǔ)。

光電編碼器輸出信號為5V的方波信號，而DSP可接收的電壓最大為3.3V，所以需要設(shè)計(jì)信號轉(zhuǎn)換電路將5V的方波信號轉(zhuǎn)換成DSP可接收的信號。5V方波信號經(jīng)過電容濾除雜波和快速光耦6N137隔離，在通過雙電壓比較器LM393轉(zhuǎn)換成DSP可以接收的脈沖信號。LM393比較器的參考電壓為1.8V，當(dāng)輸入端電壓大于比較器參考電壓時(shí)，比較器輸出高電平。

5V穩(wěn)壓電源經(jīng)過輸出電壓可調(diào)的集成三端穩(wěn)壓器LM317轉(zhuǎn)換后為比較器提供工作電源，比較器輸出DSP可識別的脈沖信號，信號轉(zhuǎn)換電路如圖1所示。

四、結(jié)論

結(jié)合我國煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)狀，將DSP和光電編碼器有機(jī)結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)礦用隔爆型電機(jī)速度檢測系統(tǒng)。光電編碼器經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換電路傳遞給DSP的正交編碼脈沖單元，DSP根據(jù)雙脈沖的先后順序和脈沖頻率經(jīng)過內(nèi)部處理可以得到電機(jī)的方向和速度。

檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性很高、實(shí)時(shí)性好，能夠?qū)崿F(xiàn)礦用隔爆型電機(jī)速度實(shí)時(shí)檢測，滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 國家安全監(jiān)管總局 國家煤礦安監(jiān)局.關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦安全監(jiān)管監(jiān)察工作的通知.〔2012〕130號.

[2] 李劍峰.高可靠性可編程水泵監(jiān)控系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)械，2009，（11）：127.

[3] 姜秀柱，徐釗，馮東芹.基于EPA 的煤礦井下水泵控制系統(tǒng)[J].工礦自動(dòng)化，2008（10）：62-65.

[4] 易龍龍，張復(fù)春，郝雁中，陳鑫鑫.基于改進(jìn)滑模的永磁同步電機(jī)控制研究[J].微電機(jī)，2013（12）：67-70.