石 偉

（中國煤炭科工集團(tuán)上海研究院有限公司常熟分院，江蘇 常熟 215500）

采煤機(jī)自動(dòng)化與智能化控制中最重要的基礎(chǔ)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(nèi)相關(guān)企業(yè)所使用的高精度位置編碼器與擺角傳感器在實(shí)際應(yīng)用中由于機(jī)械安裝、防護(hù)等問題導(dǎo)致其使用壽命較短，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，可靠性低。因此，對(duì)JOY采煤機(jī)D齒輪傳感器與國內(nèi)行走傳感器進(jìn)行研究與分析，并提出相對(duì)應(yīng)的國產(chǎn)化替代方案。

1 JOY采煤機(jī)D齒輪傳感器簡介

JOY采煤機(jī)D齒輪傳感器的功能是對(duì)JOY采煤機(jī)在工作面的牽引數(shù)據(jù)（主要包括行走速度、方向以及位置）做實(shí)時(shí)的檢測(cè)，是JOY采煤機(jī)自動(dòng)化傳感器中一個(gè)非常重要的傳感器。該傳感器類似于霍爾效應(yīng)接近開關(guān)，主要工作原理是在JOY采煤機(jī)行走箱中的E齒輪上安裝了3個(gè)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(duì)著E齒輪邊緣磁體安裝位置，D齒輪傳感器通過檢測(cè)E齒輪上固定的3個(gè)非均勻分布的磁性螺絲釘運(yùn)動(dòng)速度以及方向來確定E齒輪的運(yùn)動(dòng)速度以及方向，最終得出采煤機(jī)的實(shí)時(shí)牽引數(shù)據(jù)。如圖1為JOY采煤機(jī)行走箱中的D齒輪傳感器與磁性螺絲釘?shù)臋C(jī)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(jī)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(chǎn)的一種帶有鎖存單元并且可以數(shù)字輸出的超靈敏霍爾效應(yīng)開關(guān)。A1171霍爾傳感器可以單極驅(qū)動(dòng)或者全磁驅(qū)動(dòng)，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(qū)動(dòng)，配合獨(dú)特的時(shí)鐘算法，A1171霍爾傳感器在2.75VDC供電時(shí)的典型功耗為15 μW，這種低功耗特點(diǎn)使得A1171霍爾傳感器特別適合采煤機(jī)在斷電情況下使用。

與JOY采煤機(jī)D齒輪傳感器不同的是，A1171霍爾傳感器允許設(shè)計(jì)者配置其器件激磁方式，設(shè)計(jì)者可以配置單極（北極或者南極感應(yīng)）或者全磁感應(yīng)，同時(shí)配合可選擇的推挽輸出結(jié)構(gòu)，完成穩(wěn)定的斬波輸出。A1171霍爾效應(yīng)傳感器的斬波輸出具有良好的溫度穩(wěn)定性、非常低的開關(guān)點(diǎn)漂移和對(duì)相關(guān)物理應(yīng)力不敏感、超卓的溫度穩(wěn)定性、極低的開關(guān)點(diǎn)漂移、固態(tài)可靠性、小尺寸等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)都決定了A1171霍爾傳感器非常適合應(yīng)用在采煤機(jī)牽引數(shù)據(jù)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)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(bǔ)、推挽輸出，可以配置為單極輸出或者全級(jí)輸出。SELECT用來配置VOUTPx為輸出模式，可以配置為檢測(cè)到單極輸出低電平、檢測(cè)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(jié)構(gòu)框圖

圖3為典型的A1171霍爾傳感器檢測(cè)磁極與輸出電平的邏輯圖。A1171霍爾傳感器在檢測(cè)到相關(guān)的磁極后，會(huì)在對(duì)應(yīng)的VOUTPx管腳輸出相應(yīng)的電平，檢測(cè)電路通過輸出電平的變化可以獲知A1171霍爾傳感器當(dāng)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(cè)電路設(shè)計(jì)

3.1 檢測(cè)電路主要功能

考慮到檢測(cè)的精度，要求不管采煤機(jī)是否有電，該D齒輪霍爾傳感器檢測(cè)電路都能夠正常工作。當(dāng)采煤機(jī)有電時(shí)，采煤機(jī)輸出本安電壓5 VDC為該D齒輪霍爾傳感器檢測(cè)電路供電；當(dāng)采煤機(jī)斷電時(shí)，該D齒輪霍爾傳感器檢測(cè)電路能夠自動(dòng)切換到其內(nèi)部的電池供電方式，同時(shí)要求檢測(cè)電路計(jì)算出來的采煤機(jī)在工作面的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)以及相關(guān)的偏移量存儲(chǔ)在FLASH存儲(chǔ)芯片里。該供電方式解決了采煤機(jī)在斷電溜車的情況下，牽引數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)缺失的問題，保證了牽引數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)的可靠性與準(zhǔn)確性。

3.2 檢測(cè)電路主要組成

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

圖4 檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)框圖

3.3 檢測(cè)電路主要電路原理設(shè)計(jì)

3.3.1 MCU控制電路設(shè)計(jì)

考慮到基于A1171的D齒輪霍爾傳感器檢測(cè)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(chǎn)的專門為低功耗產(chǎn)品設(shè)計(jì)的控制器。

3.3.2 電源管理電路

LTC4412電平檢測(cè)集成電路可以通過檢測(cè)其相關(guān)引腳的電平變化輸出相應(yīng)的控制電平來驅(qū)動(dòng)三極管或者mosfet器件的開斷從而達(dá)到電源自動(dòng)切換。

3.3.3 FLASH存儲(chǔ)單元驅(qū)動(dòng)電路

考慮到FLASH存儲(chǔ)電路具有斷電不丟失數(shù)據(jù)的特性，所以檢測(cè)電路中的FLASH電路的主要作用是存儲(chǔ)檢測(cè)電路計(jì)算出來的采煤機(jī)實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)以及一些和位置數(shù)據(jù)相關(guān)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(qū)動(dòng)電路是基于A1171的D齒輪霍爾傳感器檢測(cè)電路的核心電路。

4 A1171傳感器檢測(cè)電路測(cè)試

基于A1171的D齒輪霍爾傳感器檢測(cè)電路通過電源自動(dòng)切換電路可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)在上電和斷電情況下的正常工作，能夠通過檢測(cè)安裝在E齒輪上的磁體的磁極的變化，實(shí)時(shí)檢測(cè)采煤機(jī)行走箱中的E齒輪旋轉(zhuǎn)速度以及方向，從而計(jì)算出采煤機(jī)實(shí)時(shí)行走速度以及方向，最終能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出采煤機(jī)在工作面上的位移，并將采煤機(jī)在工作面的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)以及相關(guān)偏移量存儲(chǔ)在檢測(cè)電路中的FLAH存儲(chǔ)器里。整個(gè)檢測(cè)電路板對(duì)外通信采用485通信方式。圖5為示波器檢測(cè)電路板檢測(cè)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖5 A1171霍爾傳感器檢測(cè)電路實(shí)輸出波形

5 結(jié)論

基于A1171的D齒輪霍爾傳感器檢測(cè)電路的主要功能是作為JOY采煤機(jī)D齒輪霍爾傳感器的國產(chǎn)化方案，該D齒輪霍爾傳感器檢測(cè)電路可以替代JOY采煤機(jī)D齒輪霍爾傳感器的檢測(cè)功能，用于檢測(cè)JOY采煤機(jī)的行走箱中的E齒輪旋轉(zhuǎn)的速度以及方向，從而計(jì)算出JOY采煤機(jī)在工作面的實(shí)時(shí)行走速度、方向以及位置數(shù)據(jù)。該電路在采煤機(jī)有溜車情況出現(xiàn)時(shí)，也能保證牽引數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性，為采煤機(jī)的自動(dòng)化與智能化控制提供可靠的基礎(chǔ)支撐。