煤礦斜井礦車ABS系統(tǒng)設(shè)計

朱教晉

(山西汾西礦業(yè)集團 柳灣煤礦，山西 孝義 032303)

斜井礦車是煤礦斜井運輸?shù)闹饕ぞ?，安全性能高的礦車對于煤礦的安全生產(chǎn)具有非常重要的作用。因此，防抱死系統(tǒng)在斜井礦車上設(shè)計安裝成功對于煤礦的運輸安全工作將會起到非常大的推動作用[1-2]. 根據(jù)煤礦斜井的軌道環(huán)境，設(shè)計合理安全的防護措施是必需的。在已有的煤礦防跑車裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計合適的防抱死系統(tǒng)硬件電路，輔以合適的算法，控制礦車在緊急情況時實現(xiàn)防抱死，減緩礦車的速度，對于礦車安全是十分重要的，通過安裝防抱死制動系統(tǒng)提高煤礦斜井礦車的運行安全，具有較高的實用價值。煤礦斜巷礦車防抱死制動系統(tǒng)的硬件電路主要包括：系統(tǒng)供電電路、輪速信號調(diào)理電路、電磁閥驅(qū)動電路、CAN通信電路、故障燈驅(qū)動電路和診斷電路等[3-4].

1 輪速傳感器的信號采集調(diào)理電路

本設(shè)計所采用的檢測輪速信號的傳感器是磁電感應(yīng)式輪速傳感器，也稱為感應(yīng)式輪速傳感器。采用磁電感應(yīng)式傳感器作為輪速傳感器已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車電子設(shè)備的主流選擇，它是利用導(dǎo)體在磁場中發(fā)生相對運動，而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這種傳感器的原理是機械能轉(zhuǎn)換為電能。因為輪速傳感器一般安裝在斜井礦車的車輪，輪速傳感器一般隨著車輪的轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，因此，這種傳感器不需要供電設(shè)備，而且組成的電路結(jié)構(gòu)也很簡單，且電路性能很穩(wěn)定，對于振動、轉(zhuǎn)速、扭矩等測量效果良好，針對煤礦斜井的復(fù)雜環(huán)境，煤礦斜井礦車的輪速采集電路采用這種磁電感應(yīng)式傳感器[5].

1.1 輪速傳感器工作原理及分析

電磁感應(yīng)式輪速傳感器工作原理是利用電磁感應(yīng)原理：當斜井礦車運行時，齒圈隨著礦車車輪的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，當齒圈的齒隙轉(zhuǎn)至與傳感器的磁極端部相對時，磁極端部與齒圈間的空氣間隙達到最大值，此時感應(yīng)線圈邊的磁場比較弱；同理，隨著礦車車輪的轉(zhuǎn)動，當齒圈的齒頂與傳感器的磁極端部相對時，磁極端部與齒頂間的空氣間隙又變的很小，此時感應(yīng)線圈周圍的磁場強度比較大。由上分析可知，當斜井礦車在行駛過程中，齒圈的齒頂和齒隙交替循環(huán)的通過磁鐵的磁場，磁通量會隨著這種交替循環(huán)而變化，由電磁感應(yīng)原理可知，此時在線圈也產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢。通過產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢能夠測算出斜井礦車的輪速，最終實現(xiàn)控制防抱死。感應(yīng)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：

(1)

式中：

E—感應(yīng)電動勢，V；

N—線圈匝數(shù)；

B—磁場強度，A/m；

θ—旋轉(zhuǎn)角速度，(°)/s；

Asinθ—垂直于磁力線的有效面積，m2；

w—角速度，rad/s.

輪速傳感器作為采集輪速信號的一部分，在煤礦斜井礦車防抱死系統(tǒng)中具有重要的作用，能夠采集到合理準確的輪速信號是系統(tǒng)的關(guān)鍵。在斜巷礦車的運行過程中，輪速傳感器隨著車輪的轉(zhuǎn)動一直處于工作狀態(tài)，檢測輪速傳感器是否處于正常工作狀態(tài)也是系統(tǒng)設(shè)計的組成部分，故障檢測電路可以實時對傳感器的工作狀態(tài)進行檢測，將輪速傳感器的檢測數(shù)據(jù)傳送到電子控制單元ECU，ECU根據(jù)數(shù)據(jù)分析判斷輪速傳感器的工作狀態(tài)是否正常。當判斷出輪速傳感器工作狀態(tài)不正常時，電子控制單元記錄故障情況，啟動報警燈，關(guān)閉防抱死系統(tǒng)，系統(tǒng)啟動常規(guī)制動系統(tǒng)，及時對系統(tǒng)進行故障排查，保證整個煤礦斜巷礦車防抱死系統(tǒng)的正常運行。

1.2 輪速信號的檢測

在輪速信號中夾雜著許多高頻的干擾信號，為了使進入電子控制單元的輪速信號能夠更加合適準確，需要設(shè)計輪速信號調(diào)理電路。在設(shè)計中通過限幅電路使信號保持在一定的電壓幅值，從而使信號的電壓幅值與單片機的接口電壓相符合，并通過二階低通濾波電路濾除輪速傳感器輸入的高頻干擾信號，選出輪速信號，最后利用施密特觸發(fā)器將正弦波轉(zhuǎn)換為方波，從而使單片機能夠更方便地計算出斜井礦車的車輪速度等信息。

通過實驗對煤礦礦車需要使用的ABS系統(tǒng)的輪速傳感器波形信號進行了檢測，在本實驗中斜井礦車車輪的滾動半徑為25 cm，輪速傳感器中的齒圈齒數(shù)為43，在實驗過程中采用調(diào)速電動機驅(qū)動斜井礦車的車輪轉(zhuǎn)動，設(shè)定斜井礦車的初始車速10 km/h，然后逐步地增大至150 km/h，改變斜井礦車的速度是實驗的一部分，另一部分是調(diào)整齒圈與傳感器之間的間隙，間隙分別選擇在0.8 mm與1.1 mm這兩種狀態(tài)下，通過在不同的車速和不同的間隙下，定義4種情況：S1、S2、S3、S4，將4種情況下輪速傳感器的輸出信號輸出顯示，實驗的結(jié)果統(tǒng)計見表1.

表1 礦車實驗數(shù)據(jù)表

由表1可知，礦車在相同速度下，當齒圈與傳感器之間的間隙不同時，礦車傳感器傳出的信號頻率與信號的電壓幅值是不同的。同理，在傳感器與齒圈的間隙一定的情況下，斜井礦車處于不同的車速時，傳感器傳出信號的頻率與幅值也是不同的。處于不同狀態(tài)時，斜井礦車車輪輪速傳感器輸出信號的波形見圖1，圖2，圖3，圖4.

圖1 S1時輸出信號波形圖

圖2 S2時輸出信號波形圖

圖3 S3時輸出信號波形圖

圖4 S4時輸出信號波形圖

1.3 檢測結(jié)果分析

根據(jù)上面大量的實驗檢測結(jié)果可以得到電磁感應(yīng)式輪速傳感器產(chǎn)生的波形信號具有一定的特點，現(xiàn)就輪速傳感器產(chǎn)生信號的共性的特點進行總結(jié)：

1) 通過實驗發(fā)現(xiàn)，ABS系統(tǒng)中輪速傳感器的磁頭和齒圈間隙保持在比較合適的間隔時，礦車車輪轉(zhuǎn)動時輪速信號比較容易采集，而且信號比較清楚，干擾信號比較少，磁頭與齒圈的合適間隙應(yīng)該控制在0.8 mm左右。

2) 根據(jù)礦車輪速傳感器的原理可知，ABS系統(tǒng)中輪速傳感器產(chǎn)生的輪速信號是正弦波信號，而且礦車輪速信號的頻率是齒圈的齒數(shù)與每秒鐘的輪速的乘積。

3) 通過實驗數(shù)據(jù)可知，當傳感器的磁頭和齒圈的間隙一定時，輪速傳感器輸出信號的電壓幅值隨著礦車車輪轉(zhuǎn)速的增大而增大。當轉(zhuǎn)速一定時，輪速傳感器輸出信號的電壓幅值隨著間隙的變大而變小。在煤礦斜井中，礦車在實際運行中，由于實際環(huán)境的影響，檢測到的輪速傳感器的波形信號會出現(xiàn)一定的誤差，在波形信號中會摻雜一些干擾信號，為了礦車防抱死系統(tǒng)的成功實現(xiàn)，需要對實際環(huán)境中檢測的輪速信號進行后續(xù)處理。

1.4 調(diào)理電路的總體設(shè)計

礦車車輪上安裝的輪速傳感器產(chǎn)生的輪速信號，是根據(jù)車速的不同而產(chǎn)生的頻率不同的正弦波。當?shù)V車在高速行駛時，輪速傳感器產(chǎn)生的輸出電壓的幅值就稍大；當輪速較低時，產(chǎn)生的輸出信號的強度就比較弱而且存在很多高頻的干擾信號。正是由于輪速信號的這些特點，需要設(shè)計輪速信號處理電路，而且在處理電路中需要添加限幅電路、濾波電路、放大和整形電路等。輪速信號是本系統(tǒng)設(shè)計中礦車運行狀況的最基本的信息，獲得準確的輪速信息是系統(tǒng)設(shè)計成功的關(guān)鍵，因此信號處理電路必須達到系統(tǒng)設(shè)計所需要的條件，故輪速信號處理電路能夠完成以下4項要求：

1) 通過波形轉(zhuǎn)換電路可以將正弦波轉(zhuǎn)換為ECU需要的方波。

2) 可以實現(xiàn)頻率較低的正弦波轉(zhuǎn)換為方波，礦車車速較低時，傳感器輸出的波形頻率較低，此正弦波能夠轉(zhuǎn)換為頻率一樣的方波。

3) 能夠允許實驗設(shè)備存在一定的誤差，齒圈與傳感器之間的間隙可能會隨著礦車運行時的震動而產(chǎn)生微小的變化，此時也能夠轉(zhuǎn)換出正確的波形圖。

4) 由于礦井的復(fù)雜環(huán)境，電路具有良好的電磁兼容性，抑制噪聲干擾，確保礦車的正常運行。

1.5 限幅、濾波電路的設(shè)計

當斜井礦車的速度比較快時，輪速傳感器產(chǎn)生的信號的幅度就會比較大，一旦礦車的速度太快，產(chǎn)生的信號的幅度過高，一方面不能符合單片機的接口電平的要求，另一方面，也會影響處理電路中的電子元器件的工作。因此，對于輪速傳感器輸出的信號進行的首要處理就是限制信號幅度，故設(shè)計限幅電路，將輪速傳感器的輸出信號的幅值在正半軸限制在3 V，負半軸限制為-0.6 V. 限幅特性如下：

(2)

限幅電路可以限制信號的幅值，從而保護信號調(diào)理電路，輪速傳感器傳出的信號中還摻雜著很多的干擾信號，限幅電路并不能對干擾信號進行直接濾除，因此，為了獲得有效的輪速信號，設(shè)計濾波電路，保留有效的輪速信號，濾除掉干擾信號。濾波電路的主要作用就在于濾除和衰減干擾信號，二階有源濾波電路可以實現(xiàn)上述要求，此濾波電路的主要作用是可以使高頻信號能夠迅速衰減，以達到濾波的效果。該濾波電路可以允許的信號通過的最高頻率為1 200 Hz，當輪速信號中摻雜f>1 200 Hz的干擾信號時，通過濾波電路的濾波，干擾信號就以-40dB/10倍頻的速率遞減，從而被抑制。在實驗過程中，當電動機驅(qū)動車輪以160 km/h的速度轉(zhuǎn)動時，車輪的速度已經(jīng)基本達到最大值，輸出波形信號的頻率為1 050 Hz，所以，不同頻率的信號通過此濾波電路后，有效的礦車車輪輪速信號能夠被保留下來，濾波電路對輪速傳感器傳出信號中的高頻干擾信號進行濾波處理，從而實現(xiàn)輪速信號的初步處理。

1.6 施密特觸發(fā)器與波形轉(zhuǎn)換

輪速信號經(jīng)過限幅電路和濾波電路處理后的是頻率和幅度在一定范圍內(nèi)的正弦信號，處理后的輪速信號要送到ECU進行運算處理，為了方便ECU的運算處理，需要將輪速信號的正弦信號轉(zhuǎn)換為頻率一樣的方波信號。在一般的設(shè)計過程中，單限電壓比較器完全可以實現(xiàn)正弦波轉(zhuǎn)換為方波，然而，在煤礦斜井礦車防抱死系統(tǒng)的設(shè)計中，由于礦井的復(fù)雜環(huán)境，干擾源比較多，經(jīng)常造成信號輸出不穩(wěn)定，影響信號的進一步處理，單限電壓比較器抗干擾能力差的弱點就被放大，雖單限電壓比較器有其電路設(shè)計簡單等優(yōu)點，但在此設(shè)計中也不宜采取。在此設(shè)計使用遲滯電壓比較器，可以有效地規(guī)避抗干擾能力較差的缺點，結(jié)合限幅和濾波處理以后的輪速信號的特點，遲滯電壓比較器的參考電壓值Uref取為0.1 V，對遲滯電壓比較器電路的性能進行仿真研究，仿真電路見圖5. 分析可知，當輪速在高速或者是低速時，設(shè)計采用的遲滯電壓比較器均可以把正弦波轉(zhuǎn)換為頻率相同的方波，根據(jù)仿真結(jié)果顯示方波的高電平為4.1 V與單片機的接口電平一致，波形轉(zhuǎn)化后的方波信號可以傳送到ECU進行處理運算。

圖5 高速時波形轉(zhuǎn)換仿真圖

2 主控電路設(shè)計

XCl64CS是特別為汽車電子產(chǎn)品打造的專屬芯片，其安全可靠的特性以及在汽車控制系統(tǒng)成功的應(yīng)用，滿足煤礦斜巷礦車防抱死控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，所以，把它作為整個ABS控制器的主CPU是非常合適的。整個硬件系統(tǒng)的控制框圖見圖6. 在描述了輸入電路，確定了主控芯片后，就主CPU外圍電路的主要環(huán)節(jié)進行說明，主要外圍電路包括電源電路、報警燈驅(qū)動電路、檢測電路以及電磁閥驅(qū)動與故障檢測電路等。

圖6 系統(tǒng)硬件電路框架圖

2.1 電源電路

礦車所用電源為12 V，本設(shè)計中采用的主控芯片XCl64CS的工作電壓為5 V，內(nèi)核電壓為2.5 V. 因此，電源電路的設(shè)計思路是要把12 V轉(zhuǎn)變?yōu)? V和2.5 V這兩種幅值的電壓。

2.2 總線電路

為提高系統(tǒng)各電子設(shè)備之間通訊可靠性和連接導(dǎo)線的簡便性，ABS擴展了CAN通信功能，電路見圖7，系統(tǒng)采用的單片機自帶有CAN接口，總線收發(fā)器包括TJAl050，R89是一個終端電阻，在設(shè)計中，R89電阻值120.由于斜井礦車在運行的過程中CAN通信電路只是備用電路，因此，考慮節(jié)約成本，節(jié)點之間并沒有隔離。

圖7 總線電路圖

2.3 報警燈驅(qū)動電路

設(shè)計中，ABS被檢測到處于不正常的工作狀態(tài)時，ECU會立即發(fā)送指令關(guān)閉斜井礦車ABS系統(tǒng)并且恢復(fù)到礦車的常規(guī)制動，在設(shè)計中安裝報警燈，關(guān)閉煤礦斜井礦車ABS后，立即點亮報警燈，斜井礦車的制動系統(tǒng)恢復(fù)到常規(guī)制動狀態(tài)，ABS報警燈驅(qū)動電路見圖8，由電源電路供電，BC337驅(qū)動ABS報警燈，8050控制報警燈驅(qū)動電路的控制端，8050控制過程大體是通過XCl64CS的PWM口控制8050的基級，單片機PWM波占空比是1時，ABS報警燈不亮；當PWM波占空比是0時，ABS報警燈處于點亮狀態(tài)。

圖8 報警燈驅(qū)動電路圖

3 ABS系統(tǒng)中硬件電路抗干擾分析

抗干擾是任何系統(tǒng)設(shè)計的過程中都需要考慮的主要問題，干擾源多種多樣，在礦車ABS系統(tǒng)的設(shè)計中，一旦單片機被干擾，會對礦車的安全運行產(chǎn)生重大的影響，因此在系統(tǒng)設(shè)計的初期，要重視抗干擾設(shè)計。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計中干擾信號的產(chǎn)生

電磁兼容性是指電子設(shè)備在預(yù)定的工作環(huán)境下，既不受周圍電磁場的影響，也不影響周圍的環(huán)境。因此，任何信號源本身有可能就是干擾信號，一路正常的信號串入別的通路，對于被串入的通路，這路信號源即是干擾信號。在礦車ABS系統(tǒng)的設(shè)計中，會有很多路的信號，這些信號共同處在復(fù)雜的煤礦斜井巷道內(nèi)，很容易互相產(chǎn)生干擾。另外，在煤礦斜井礦車ABS系統(tǒng)的電路中有大量的電阻、電容等元件，它們有可能在礦車的運行過程中，產(chǎn)生共振回路，即共振電路。除上述的干擾信號之外，還有許多的干擾信號會產(chǎn)生，這些干擾信號的產(chǎn)生，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有非常大的破壞性，因此，采取合適的設(shè)計規(guī)避這些干擾信號非常重要。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計中干擾信號的消除

要消除控制系統(tǒng)中的干擾信號，主要從以下兩方面入手：一方面是消除干擾源，另一方面是避免干擾信號竄入設(shè)計的系統(tǒng)電路中。具體的措施如下：

1) 電路模塊化設(shè)計。在煤礦斜井礦車防抱死系統(tǒng)的設(shè)計過程中，將輪速傳感器信號采集電路、控制電路等組成部分進行模塊化設(shè)計。

2) 加入濾波器電路。應(yīng)用最廣泛的抗干擾措施是采用濾波器。由此，在礦車防抱死系統(tǒng)的設(shè)計過程中根據(jù)信號與干擾信號的頻率差別，選擇合適的濾波器，就可以屏蔽干擾信號。在設(shè)計中選擇了二階有源濾波器，很好地將傳感器輸出信號中的雜波信號濾除。

3) 合適的接地方式。通過實踐證明，單片機設(shè)備的抗干擾性能與接地方式有重要的關(guān)系。良好的接地可以抑制內(nèi)部的噪音耦合，也可以防止外部信號的竄入，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。

4 結(jié) 論

礦車在斜井運輸中具有重要的作用，安全性能高的礦車對于煤礦的安全生產(chǎn)具有重大的現(xiàn)實意義。礦車的安全性能主要體現(xiàn)在當?shù)V車發(fā)生跑車事故時能否有好的防護措施以避免事故的擴大。本設(shè)計就是在現(xiàn)有的礦車防護措施的基礎(chǔ)上，借鑒在汽車上已經(jīng)成熟使用的防抱死系統(tǒng)，并把防抱死系統(tǒng)安裝在礦車上，實現(xiàn)煤礦斜井礦車防抱死功能。

參 考 文 獻

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