基于DSP的礦用隔爆型電機速度檢測技術研究

朱劍鋒

【摘要】 為了提高礦用隔爆型電機速度檢測精度，在詳細介紹數字信號處理器（DSP）和光電編碼器原理的基礎上，充分利用DSP內部正交編碼脈沖單元模塊，設計礦用隔爆型電機速度檢測系統，重點設計DSP與光電編碼器接口電路。系統能夠實現煤礦隔爆型電機的運行速度在線檢測，大大提高了速度檢測的精度和可靠性。

【關鍵詞】 煤礦 DSP 光電編碼器 電機 速度檢測

近年來，隨著我國推進小煤礦的資源整合與兼并重組工作，加快礦井的機械化改造步伐，有力的提升了煤礦安全生產保障水平，極大的促進了煤礦安全生產形勢的好轉。但煤礦兼并重組、整合技改工作地區間進展不平衡，部分整合技改煤礦違規生產或以整合技改名義逃避關閉。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，安全生產事故時有發生。煤礦安全生產形勢對井下輸變電和生產設備性能提出更嚴格的要求，尤其是提升運輸和搶險救援設備。礦用隔爆型電機是煤礦井下提升運輸、采掘和搶險救援的動力來源，開展礦用隔爆型電機運行速度檢測技術的研究，對于提升煤礦設備的可靠性、排除安全隱患、減小生產事故發生和保障人民生命財產安全具有重要的意義。

一、數字信號處理器

從TI公司在1982-1983年推出TMS系列數字信號處理器（DSP）第一代產品到今天的TMS320C2000/5000/6000產品系列，TI公司的DSP的處理速度不斷提高、結構更加合理、性能更加優越，DSP系統的開發環境也不斷完善。TMS320C2000系列DSP集成微控制器和高性能DSP的特點，整合了Flash存儲器、事件管理器、增強型CAN模塊、快速的A/D轉換器、正交編碼電路接口及多通道緩沖串口等外設，具有強大的控制和信號處理能力，能夠實現復雜的控制算法。在281x DSP上有兩個事件管理器EVA和EVB，它們是數字電機控制時使用較多的重要外設，能夠實現機電設備控制的各種功能。

每個事件管理器中包括定時器、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，提高了系統的可靠性。

二、光電編碼器

光電編碼器是利用光電轉換原理將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。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，檢測系統中光電盤與被檢測物同軸，被檢測物旋轉代動光電盤同速旋轉，經過發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，通過計算光電編碼器每秒輸出的脈沖數就能反映當前電機的轉速。

另外，光電編碼器提供相位相差90°的兩個通道信號輸出，系統可以根據雙通道光碼狀態的變化來判斷電機的轉向。根據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。

系統選用歐姆龍公司生產的E6B2-CWZ3E型光電編碼器作為礦用隔爆型電機速度和方向檢測器件，該傳感器利用光電轉換原理輸出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°，用來檢測電機的速度和方向。該傳感器具體參數如表1所示。

三、DSP與編碼器接口電路

DSP芯片的每個事件管理器模塊都有一個正交編碼脈沖（QEP）電路，當QEP電路被使能時， 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行解碼和計數。QEP電路可以用于連接光電編碼器，獲得礦用隔爆型電機的旋轉方向和速度信息。

在使能QEP電路時，CAP1/CAP2和CAP4/CAP5引腳的捕捉功能被禁止。QEP單元通過信號轉換單元與安裝在電機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行譯碼和計數，通過中斷程序實現對礦用隔爆型電機速度、向等參數的計算和存儲。

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，所以需要設計信號轉換電路將5V的方波信號轉換成DSP可接收的信號。5V方波信號經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，當輸入端電壓大于比較器參考電壓時，比較器輸出高電平。

5V穩壓電源經過輸出電壓可調的集成三端穩壓器LM317轉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，信號轉換電路如圖1所示。

四、結論

結合我國煤礦安全生產現狀，將DSP和光電編碼器有機結合在一起，設計礦用隔爆型電機速度檢測系統。光電編碼器經過信號轉換電路傳遞給DSP的正交編碼脈沖單元，DSP根據雙脈沖的先后順序和脈沖頻率經過內部處理可以得到電機的方向和速度。

檢測系統結構簡單、可靠性很高、實時性好，能夠實現礦用隔爆型電機速度實時檢測，滿足預期設計要求。

參 考 文 獻

[1] 國家安全監管總局 國家煤礦安監局.關于進一步加強煤礦安全監管監察工作的通知.〔2012〕130號.

[2] 李劍峰.高可靠性可編程水泵監控系統[J].煤礦機械，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[J].工礦自動化，2008（10）：62-65.

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