D齒輪傳感器國產化替代方案的研究與設計

石 偉

（中國煤炭科工集團上海研究院有限公司常熟分院，江蘇 常熟 215500）

采煤機自動化與智能化控制中最重要的基礎支撐是采高控制和行走方向、速度與位置控制[1-2]。目前，國內相關企業所使用的高精度位置編碼器與擺角傳感器在實際應用中由于機械安裝、防護等問題導致其使用壽命較短，數據不準確，可靠性低。因此，對JOY采煤機D齒輪傳感器與國內行走傳感器進行研究與分析，并提出相對應的國產化替代方案。

1 JOY采煤機D齒輪傳感器簡介

JOY采煤機D齒輪傳感器的功能是對JOY采煤機在工作面的牽引數據（主要包括行走速度、方向以及位置）做實時的檢測，是JOY采煤機自動化傳感器中一個非常重要的傳感器。該傳感器類似于霍爾效應接近開關，主要工作原理是在JOY采煤機行走箱中的E齒輪上安裝了3個磁性螺絲釘，其安裝位置非均勻分布，D齒輪傳感器蓋板安裝打孔位置在D齒輪與E齒輪嚙合處，一般基本正對著E齒輪邊緣磁體安裝位置，D齒輪傳感器通過檢測E齒輪上固定的3個非均勻分布的磁性螺絲釘運動速度以及方向來確定E齒輪的運動速度以及方向，最終得出采煤機的實時牽引數據。如圖1為JOY采煤機行走箱中的D齒輪傳感器與磁性螺絲釘的機械剖面圖。由圖可知，D齒輪傳感器與E齒輪磁性螺絲釘之間的間隙大約是4 mm。

圖1 D齒輪傳感器與磁性螺絲釘機械剖面圖

2 A1171霍爾傳感器

2.1 A1171霍爾傳感器簡介

A1171霍爾傳感器是Allegro公司生產的一種帶有鎖存單元并且可以數字輸出的超靈敏霍爾效應開關。A1171霍爾傳感器可以單極驅動或者全磁驅動，其工作電壓在1.6VDC～3.5VDC之間，使得A1171霍爾傳感器特別適合用于電池驅動，配合獨特的時鐘算法，A1171霍爾傳感器在2.75VDC供電時的典型功耗為15 μW，這種低功耗特點使得A1171霍爾傳感器特別適合采煤機在斷電情況下使用。

與JOY采煤機D齒輪傳感器不同的是，A1171霍爾傳感器允許設計者配置其器件激磁方式，設計者可以配置單極（北極或者南極感應）或者全磁感應，同時配合可選擇的推挽輸出結構，完成穩定的斬波輸出。A1171霍爾效應傳感器的斬波輸出具有良好的溫度穩定性、非常低的開關點漂移和對相關物理應力不敏感、超卓的溫度穩定性、極低的開關點漂移、固態可靠性、小尺寸等特點，這些特點都決定了A1171霍爾傳感器非常適合應用在采煤機牽引數據檢測電路的設計中。

2.2 A1171霍爾傳感器工作原理

由圖2可知，A1171霍爾傳感器的輸出管腳包括VOUTPS和VOUTPN，VOUTPS和VOUTPN都為互補、推挽輸出，可以配置為單極輸出或者全級輸出。SELECT用來配置VOUTPx為輸出模式，可以配置為檢測到單極輸出低電平、檢測到全磁極輸出高電平或者浮空輸出。

圖2 A1171霍爾傳感器功能結構框圖

圖3為典型的A1171霍爾傳感器檢測磁極與輸出電平的邏輯圖。A1171霍爾傳感器在檢測到相關的磁極后，會在對應的VOUTPx管腳輸出相應的電平，檢測電路通過輸出電平的變化可以獲知A1171霍爾傳感器當前所處的磁極。

圖3 A1171霍爾傳感器磁極輸出電平邏輯圖

3 A1171霍爾傳感器檢測電路設計

3.1 檢測電路主要功能

考慮到檢測的精度，要求不管采煤機是否有電，該D齒輪霍爾傳感器檢測電路都能夠正常工作。當采煤機有電時，采煤機輸出本安電壓5 VDC為該D齒輪霍爾傳感器檢測電路供電；當采煤機斷電時，該D齒輪霍爾傳感器檢測電路能夠自動切換到其內部的電池供電方式，同時要求檢測電路計算出來的采煤機在工作面的實時位置數據以及相關的偏移量存儲在FLASH存儲芯片里。該供電方式解決了采煤機在斷電溜車的情況下，牽引數據、位置數據缺失的問題，保證了牽引數據、位置數據的可靠性與準確性。

3.2 檢測電路主要組成

基于A1171的D齒輪霍爾傳感器檢測電路由MCU控制電路、電源自動切換電路、485通信電路、FLASH存儲電路、電池充電電路和A1171傳感器電路組成，如圖4。

圖4 檢測電路結構框圖

3.3 檢測電路主要電路原理設計

3.3.1 MCU控制電路設計

考慮到基于A1171的D齒輪霍爾傳感器檢測電路的低功耗要求，MCU控制器選擇了TI公司的MSP430F419控制器。該控制器是TI公司生產的專門為低功耗產品設計的控制器。

3.3.2 電源管理電路

LTC4412電平檢測集成電路可以通過檢測其相關引腳的電平變化輸出相應的控制電平來驅動三極管或者mosfet器件的開斷從而達到電源自動切換。

3.3.3 FLASH存儲單元驅動電路

考慮到FLASH存儲電路具有斷電不丟失數據的特性，所以檢測電路中的FLASH電路的主要作用是存儲檢測電路計算出來的采煤機實時位置數據以及一些和位置數據相關的偏移量。FLASH芯片和MCU控制器之間通過SPI接口通信。

A1171傳感器驅動電路是基于A1171的D齒輪霍爾傳感器檢測電路的核心電路。

4 A1171傳感器檢測電路測試

基于A1171的D齒輪霍爾傳感器檢測電路通過電源自動切換電路可以實現采煤機在上電和斷電情況下的正常工作，能夠通過檢測安裝在E齒輪上的磁體的磁極的變化，實時檢測采煤機行走箱中的E齒輪旋轉速度以及方向，從而計算出采煤機實時行走速度以及方向，最終能夠準確檢測出采煤機在工作面上的位移，并將采煤機在工作面的實時位置數據以及相關偏移量存儲在檢測電路中的FLAH存儲器里。整個檢測電路板對外通信采用485通信方式。圖5為示波器檢測電路板檢測到實時數據。

圖5 A1171霍爾傳感器檢測電路實輸出波形

5 結論

基于A1171的D齒輪霍爾傳感器檢測電路的主要功能是作為JOY采煤機D齒輪霍爾傳感器的國產化方案，該D齒輪霍爾傳感器檢測電路可以替代JOY采煤機D齒輪霍爾傳感器的檢測功能，用于檢測JOY采煤機的行走箱中的E齒輪旋轉的速度以及方向，從而計算出JOY采煤機在工作面的實時行走速度、方向以及位置數據。該電路在采煤機有溜車情況出現時，也能保證牽引數據和位置數據的準確性、可靠性，為采煤機的自動化與智能化控制提供可靠的基礎支撐。