煤礦斜井礦車ABS系統設計

朱教晉

(山西汾西礦業集團 柳灣煤礦，山西 孝義 032303)

斜井礦車是煤礦斜井運輸的主要工具，安全性能高的礦車對于煤礦的安全生產具有非常重要的作用。因此，防抱死系統在斜井礦車上設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]. 根據煤礦斜井的軌道環境，設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上，設計合適的防抱死系統硬件電路，輔以合適的算法，控制礦車在緊急情況時實現防抱死，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的硬件電路主要包括：系統供電電路、輪速信號調理電路、電磁閥驅動電路、CAN通信電路、故障燈驅動電路和診斷電路等[3-4].

1 輪速傳感器的信號采集調理電路

本設計所采用的檢測輪速信號的傳感器是磁電感應式輪速傳感器，也稱為感應式輪速傳感器。采用磁電感應式傳感器作為輪速傳感器已經成為現代汽車電子設備的主流選擇，它是利用導體在磁場中發生相對運動，而產生感應電動勢，這種傳感器的原理是機械能轉換為電能。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動而產生感應電動勢，因此，這種傳感器不需要供電設備，而且組成的電路結構也很簡單，且電路性能很穩定，對于振動、轉速、扭矩等測量效果良好，針對煤礦斜井的復雜環境，煤礦斜井礦車的輪速采集電路采用這種磁電感應式傳感器[5].

1.1 輪速傳感器工作原理及分析

電磁感應式輪速傳感器工作原理是利用電磁感應原理：當斜井礦車運行時，齒圈隨著礦車車輪的轉動而轉動，當齒圈的齒隙轉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，此時感應線圈邊的磁場比較弱；同理，隨著礦車車輪的轉動，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的通過磁鐵的磁場，磁通量會隨著這種交替循環而變化，由電磁感應原理可知，此時在線圈也產生了感應電動勢。通過產生的感應電動勢能夠測算出斜井礦車的輪速，最終實現控制防抱死。感應線圈中產生的感應電動勢為：

(1)

式中：

E—感應電動勢，V；

N—線圈匝數；

B—磁場強度，A/m；

θ—旋轉角速度，(°)/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的關鍵。在斜巷礦車的運行過程中，輪速傳感器隨著車輪的轉動一直處于工作狀態，檢測輪速傳感器是否處于正常工作狀態也是系統設計的組成部分，故障檢測電路可以實時對傳感器的工作狀態進行檢測，將輪速傳感器的檢測數據傳送到電子控制單元ECU，ECU根據數據分析判斷輪速傳感器的工作狀態是否正常。當判斷出輪速傳感器工作狀態不正常時，電子控制單元記錄故障情況，啟動報警燈，關閉防抱死系統，系統啟動常規制動系統，及時對系統進行故障排查，保證整個煤礦斜巷礦車防抱死系統的正常運行。

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，需要設計輪速信號調理電路。在設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器將正弦波轉換為方波，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為43，在實驗過程中采用調速電動機驅動斜井礦車的車輪轉動，設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，實驗的結果統計見表1.

表1 礦車實驗數據表

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 檢測結果分析

根據上面大量的實驗檢測結果可以得到電磁感應式輪速傳感器產生的波形信號具有一定的特點，現就輪速傳感器產生信號的共性的特點進行總結：

1) 通過實驗發現，ABS系統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該控制在0.8 mm左右。

2) 根據礦車輪速傳感器的原理可知，ABS系統中輪速傳感器產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與每秒鐘的輪速的乘積。

3) 通過實驗數據可知，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速的增大而增大。當轉速一定時，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，由于實際環境的影響，檢測到的輪速傳感器的波形信號會出現一定的誤差，在波形信號中會摻雜一些干擾信號，為了礦車防抱死系統的成功實現，需要對實際環境中檢測的輪速信號進行后續處理。

1.4 調理電路的總體設計

礦車車輪上安裝的輪速傳感器產生的輪速信號，是根據車速的不同而產生的頻率不同的正弦波。當礦車在高速行駛時，輪速傳感器產生的輸出電壓的幅值就稍大；當輪速較低時，產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。輪速信號是本系統設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設計成功的關鍵，因此信號處理電路必須達到系統設計所需要的條件，故輪速信號處理電路能夠完成以下4項要求：

1) 通過波形轉換電路可以將正弦波轉換為ECU需要的方波。

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

3) 能夠允許實驗設備存在一定的誤差，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生微小的變化，此時也能夠轉換出正確的波形圖。

4) 由于礦井的復雜環境，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、濾波電路的設計

當斜井礦車的速度比較快時，輪速傳感器產生的信號的幅度就會比較大，一旦礦車的速度太快，產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，當電動機驅動車輪以160 km/h的速度轉動時，車輪的速度已經基本達到最大值，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，從而實現輪速信號的初步處理。

1.6 施密特觸發器與波形轉換

輪速信號經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換為頻率一樣的方波信號。在一般的設計過程中，單限電壓比較器完全可以實現正弦波轉換為方波，然而，在煤礦斜井礦車防抱死系統的設計中，由于礦井的復雜環境，干擾源比較多，經常造成信號輸出不穩定，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計簡單等優點，但在此設計中也不宜采取。在此設計使用遲滯電壓比較器，可以有效地規避抗干擾能力較差的缺點，結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，設計采用的遲滯電壓比較器均可以把正弦波轉換為頻率相同的方波，根據仿真結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 高速時波形轉換仿真圖

2 主控電路設計

XCl64CS是特別為汽車電子產品打造的專屬芯片，其安全可靠的特性以及在汽車控制系統成功的應用，滿足煤礦斜巷礦車防抱死控制系統的設計要求，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外圍電路的主要環節進行說明，主要外圍電路包括電源電路、報警燈驅動電路、檢測電路以及電磁閥驅動與故障檢測電路等。

圖6 系統硬件電路框架圖

2.1 電源電路

礦車所用電源為12 V，本設計中采用的主控芯片XCl64CS的工作電壓為5 V，內核電壓為2.5 V. 因此，電源電路的設計思路是要把12 V轉變為5 V和2.5 V這兩種幅值的電壓。

2.2 總線電路

為提高系統各電子設備之間通訊可靠性和連接導線的簡便性，ABS擴展了CAN通信功能，電路見圖7，系統采用的單片機自帶有CAN接口，總線收發器包括TJAl050，R89是一個終端電阻，在設計中，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，考慮節約成本，節點之間并沒有隔離。

圖7 總線電路圖

2.3 報警燈驅動電路

設計中，ABS被檢測到處于不正常的工作狀態時，ECU會立即發送指令關閉斜井礦車ABS系統并且恢復到礦車的常規制動，在設計中安裝報警燈，關閉煤礦斜井礦車ABS后，立即點亮報警燈，斜井礦車的制動系統恢復到常規制動狀態，ABS報警燈驅動電路見圖8，由電源電路供電，BC337驅動ABS報警燈，8050控制報警燈驅動電路的控制端，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。

圖8 報警燈驅動電路圖

3 ABS系統中硬件電路抗干擾分析

抗干擾是任何系統設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系統的設計中，一旦單片機被干擾，會對礦車的安全運行產生重大的影響，因此在系統設計的初期，要重視抗干擾設計。

3.1 系統設計中干擾信號的產生

電磁兼容性是指電子設備在預定的工作環境下，既不受周圍電磁場的影響，也不影響周圍的環境。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系統的設計中，會有很多路的信號，這些信號共同處在復雜的煤礦斜井巷道內，很容易互相產生干擾。另外，在煤礦斜井礦車ABS系統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生，這些干擾信號的產生，對系統的穩定性具有非常大的破壞性，因此，采取合適的設計規避這些干擾信號非常重要。

3.2 系統設計中干擾信號的消除

要消除控制系統中的干擾信號，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計的系統電路中。具體的措施如下：

1) 電路模塊化設計。在煤礦斜井礦車防抱死系統的設計過程中，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計。

2) 加入濾波器電路。應用最廣泛的抗干擾措施是采用濾波器。由此，在礦車防抱死系統的設計過程中根據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，單片機設備的抗干擾性能與接地方式有重要的關系。良好的接地可以抑制內部的噪音耦合，也可以防止外部信號的竄入，提高系統的抗干擾性能。

4 結 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具有重大的現實意義。礦車的安全性能主要體現在當礦車發生跑車事故時能否有好的防護措施以避免事故的擴大。本設計就是在現有的礦車防護措施的基礎上，借鑒在汽車上已經成熟使用的防抱死系統，并把防抱死系統安裝在礦車上，實現煤礦斜井礦車防抱死功能。

參 考 文 獻

[1] 李衛華. 汽車轉彎過程中的防抱死制動系統的研究[D]. 秦皇島：燕山大學，2016.

[2] 苗建明. 基于加速度實時校正參考車速的汽車防抱制動系統理論分析及其仿真研究[D].太原：太原理工大學,2014.

[3] 孫習武. 車輛防抱制動系統的仿真研究[D]. 合肥：合肥工業大學,2016.

[4] 王啟瑞,李 耀. 汽車ABS輪速傳感器故障診斷電路設計[J]. 汽車電器,2015(1):23-25.

[5] 項承寨,夏群生. ABS控制量的研究[J]. 汽車技術,2017(1):18-20.