煤矿斜井矿车ABS系统设计

朱教晋

(山西汾西矿业集团 柳湾煤矿，山西 孝义 032303)

斜井矿车是煤矿斜井运输的主要工具，安全性能高的矿车对于煤矿的安全生产具有非常重要的作用。因此，防抱死系统在斜井矿车上设计安装成功对于煤矿的运输安全工作将会起到非常大的推动作用[1-2]. 根据煤矿斜井的轨道环境，设计合理安全的防护措施是必需的。在已有的煤矿防跑车装置的基础上，设计合适的防抱死系统硬件电路，辅以合适的算法，控制矿车在紧急情况时实现防抱死，减缓矿车的速度，对于矿车安全是十分重要的，通过安装防抱死制动系统提高煤矿斜井矿车的运行安全，具有较高的实用价值。煤矿斜巷矿车防抱死制动系统的硬件电路主要包括：系统供电电路、轮速信号调理电路、电磁阀驱动电路、CAN通信电路、故障灯驱动电路和诊断电路等[3-4].

1 轮速传感器的信号采集调理电路

本设计所采用的检测轮速信号的传感器是磁电感应式轮速传感器，也称为感应式轮速传感器。采用磁电感应式传感器作为轮速传感器已经成为现代汽车电子设备的主流选择，它是利用导体在磁场中发生相对运动，而产生感应电动势，这种传感器的原理是机械能转换为电能。因为轮速传感器一般安装在斜井矿车的车轮，轮速传感器一般随着车轮的转动而产生感应电动势，因此，这种传感器不需要供电设备，而且组成的电路结构也很简单，且电路性能很稳定，对于振动、转速、扭矩等测量效果良好，针对煤矿斜井的复杂环境，煤矿斜井矿车的轮速采集电路采用这种磁电感应式传感器[5].

1.1 轮速传感器工作原理及分析

电磁感应式轮速传感器工作原理是利用电磁感应原理：当斜井矿车运行时，齿圈随着矿车车轮的转动而转动，当齿圈的齿隙转至与传感器的磁极端部相对时，磁极端部与齿圈间的空气间隙达到最大值，此时感应线圈边的磁场比较弱；同理，随着矿车车轮的转动，当齿圈的齿顶与传感器的磁极端部相对时，磁极端部与齿顶间的空气间隙又变的很小，此时感应线圈周围的磁场强度比较大。由上分析可知，当斜井矿车在行驶过程中，齿圈的齿顶和齿隙交替循环的通过磁铁的磁场，磁通量会随着这种交替循环而变化，由电磁感应原理可知，此时在线圈也产生了感应电动势。通过产生的感应电动势能够测算出斜井矿车的轮速，最终实现控制防抱死。感应线圈中产生的感应电动势为：

(1)

式中：

E—感应电动势，V；

N—线圈匝数；

B—磁场强度，A/m；

θ—旋转角速度，(°)/s；

Asinθ—垂直于磁力线的有效面积，m2；

w—角速度，rad/s.

轮速传感器作为采集轮速信号的一部分，在煤矿斜井矿车防抱死系统中具有重要的作用，能够采集到合理准确的轮速信号是系统的关键。在斜巷矿车的运行过程中，轮速传感器随着车轮的转动一直处于工作状态，检测轮速传感器是否处于正常工作状态也是系统设计的组成部分，故障检测电路可以实时对传感器的工作状态进行检测，将轮速传感器的检测数据传送到电子控制单元ECU，ECU根据数据分析判断轮速传感器的工作状态是否正常。当判断出轮速传感器工作状态不正常时，电子控制单元记录故障情况，启动报警灯，关闭防抱死系统，系统启动常规制动系统，及时对系统进行故障排查，保证整个煤矿斜巷矿车防抱死系统的正常运行。

1.2 轮速信号的检测

在轮速信号中夹杂着许多高频的干扰信号，为了使进入电子控制单元的轮速信号能够更加合适准确，需要设计轮速信号调理电路。在设计中通过限幅电路使信号保持在一定的电压幅值，从而使信号的电压幅值与单片机的接口电压相符合，并通过二阶低通滤波电路滤除轮速传感器输入的高频干扰信号，选出轮速信号，最后利用施密特触发器将正弦波转换为方波，从而使单片机能够更方便地计算出斜井矿车的车轮速度等信息。

通过实验对煤矿矿车需要使用的ABS系统的轮速传感器波形信号进行了检测，在本实验中斜井矿车车轮的滚动半径为25 cm，轮速传感器中的齿圈齿数为43，在实验过程中采用调速电动机驱动斜井矿车的车轮转动，设定斜井矿车的初始车速10 km/h，然后逐步地增大至150 km/h，改变斜井矿车的速度是实验的一部分，另一部分是调整齿圈与传感器之间的间隙，间隙分别选择在0.8 mm与1.1 mm这两种状态下，通过在不同的车速和不同的间隙下，定义4种情况：S1、S2、S3、S4，将4种情况下轮速传感器的输出信号输出显示，实验的结果统计见表1.

表1 矿车实验数据表

由表1可知，矿车在相同速度下，当齿圈与传感器之间的间隙不同时，矿车传感器传出的信号频率与信号的电压幅值是不同的。同理，在传感器与齿圈的间隙一定的情况下，斜井矿车处于不同的车速时，传感器传出信号的频率与幅值也是不同的。处于不同状态时，斜井矿车车轮轮速传感器输出信号的波形见图1，图2，图3，图4.

图1 S1时输出信号波形图

图2 S2时输出信号波形图

图3 S3时输出信号波形图

图4 S4时输出信号波形图

1.3 检测结果分析

根据上面大量的实验检测结果可以得到电磁感应式轮速传感器产生的波形信号具有一定的特点，现就轮速传感器产生信号的共性的特点进行总结：

1) 通过实验发现，ABS系统中轮速传感器的磁头和齿圈间隙保持在比较合适的间隔时，矿车车轮转动时轮速信号比较容易采集，而且信号比较清楚，干扰信号比较少，磁头与齿圈的合适间隙应该控制在0.8 mm左右。

2) 根据矿车轮速传感器的原理可知，ABS系统中轮速传感器产生的轮速信号是正弦波信号，而且矿车轮速信号的频率是齿圈的齿数与每秒钟的轮速的乘积。

3) 通过实验数据可知，当传感器的磁头和齿圈的间隙一定时，轮速传感器输出信号的电压幅值随着矿车车轮转速的增大而增大。当转速一定时，轮速传感器输出信号的电压幅值随着间隙的变大而变小。在煤矿斜井中，矿车在实际运行中，由于实际环境的影响，检测到的轮速传感器的波形信号会出现一定的误差，在波形信号中会掺杂一些干扰信号，为了矿车防抱死系统的成功实现，需要对实际环境中检测的轮速信号进行后续处理。

1.4 调理电路的总体设计

矿车车轮上安装的轮速传感器产生的轮速信号，是根据车速的不同而产生的频率不同的正弦波。当矿车在高速行驶时，轮速传感器产生的输出电压的幅值就稍大；当轮速较低时，产生的输出信号的强度就比较弱而且存在很多高频的干扰信号。正是由于轮速信号的这些特点，需要设计轮速信号处理电路，而且在处理电路中需要添加限幅电路、滤波电路、放大和整形电路等。轮速信号是本系统设计中矿车运行状况的最基本的信息，获得准确的轮速信息是系统设计成功的关键，因此信号处理电路必须达到系统设计所需要的条件，故轮速信号处理电路能够完成以下4项要求：

1) 通过波形转换电路可以将正弦波转换为ECU需要的方波。

2) 可以实现频率较低的正弦波转换为方波，矿车车速较低时，传感器输出的波形频率较低，此正弦波能够转换为频率一样的方波。

3) 能够允许实验设备存在一定的误差，齿圈与传感器之间的间隙可能会随着矿车运行时的震动而产生微小的变化，此时也能够转换出正确的波形图。

4) 由于矿井的复杂环境，电路具有良好的电磁兼容性，抑制噪声干扰，确保矿车的正常运行。

1.5 限幅、滤波电路的设计

当斜井矿车的速度比较快时，轮速传感器产生的信号的幅度就会比较大，一旦矿车的速度太快，产生的信号的幅度过高，一方面不能符合单片机的接口电平的要求，另一方面，也会影响处理电路中的电子元器件的工作。因此，对于轮速传感器输出的信号进行的首要处理就是限制信号幅度，故设计限幅电路，将轮速传感器的输出信号的幅值在正半轴限制在3 V，负半轴限制为-0.6 V. 限幅特性如下：

(2)

限幅电路可以限制信号的幅值，从而保护信号调理电路，轮速传感器传出的信号中还掺杂着很多的干扰信号，限幅电路并不能对干扰信号进行直接滤除，因此，为了获得有效的轮速信号，设计滤波电路，保留有效的轮速信号，滤除掉干扰信号。滤波电路的主要作用就在于滤除和衰减干扰信号，二阶有源滤波电路可以实现上述要求，此滤波电路的主要作用是可以使高频信号能够迅速衰减，以达到滤波的效果。该滤波电路可以允许的信号通过的最高频率为1 200 Hz，当轮速信号中掺杂f>1 200 Hz的干扰信号时，通过滤波电路的滤波，干扰信号就以-40dB/10倍频的速率递减，从而被抑制。在实验过程中，当电动机驱动车轮以160 km/h的速度转动时，车轮的速度已经基本达到最大值，输出波形信号的频率为1 050 Hz，所以，不同频率的信号通过此滤波电路后，有效的矿车车轮轮速信号能够被保留下来，滤波电路对轮速传感器传出信号中的高频干扰信号进行滤波处理，从而实现轮速信号的初步处理。

1.6 施密特触发器与波形转换

轮速信号经过限幅电路和滤波电路处理后的是频率和幅度在一定范围内的正弦信号，处理后的轮速信号要送到ECU进行运算处理，为了方便ECU的运算处理，需要将轮速信号的正弦信号转换为频率一样的方波信号。在一般的设计过程中，单限电压比较器完全可以实现正弦波转换为方波，然而，在煤矿斜井矿车防抱死系统的设计中，由于矿井的复杂环境，干扰源比较多，经常造成信号输出不稳定，影响信号的进一步处理，单限电压比较器抗干扰能力差的弱点就被放大，虽单限电压比较器有其电路设计简单等优点，但在此设计中也不宜采取。在此设计使用迟滞电压比较器，可以有效地规避抗干扰能力较差的缺点，结合限幅和滤波处理以后的轮速信号的特点，迟滞电压比较器的参考电压值Uref取为0.1 V，对迟滞电压比较器电路的性能进行仿真研究，仿真电路见图5. 分析可知，当轮速在高速或者是低速时，设计采用的迟滞电压比较器均可以把正弦波转换为频率相同的方波，根据仿真结果显示方波的高电平为4.1 V与单片机的接口电平一致，波形转化后的方波信号可以传送到ECU进行处理运算。

图5 高速时波形转换仿真图

2 主控电路设计

XCl64CS是特别为汽车电子产品打造的专属芯片，其安全可靠的特性以及在汽车控制系统成功的应用，满足煤矿斜巷矿车防抱死控制系统的设计要求，所以，把它作为整个ABS控制器的主CPU是非常合适的。整个硬件系统的控制框图见图6. 在描述了输入电路，确定了主控芯片后，就主CPU外围电路的主要环节进行说明，主要外围电路包括电源电路、报警灯驱动电路、检测电路以及电磁阀驱动与故障检测电路等。

图6 系统硬件电路框架图

2.1 电源电路

矿车所用电源为12 V，本设计中采用的主控芯片XCl64CS的工作电压为5 V，内核电压为2.5 V. 因此，电源电路的设计思路是要把12 V转变为5 V和2.5 V这两种幅值的电压。

2.2 总线电路

为提高系统各电子设备之间通讯可靠性和连接导线的简便性，ABS扩展了CAN通信功能，电路见图7，系统采用的单片机自带有CAN接口，总线收发器包括TJAl050，R89是一个终端电阻，在设计中，R89电阻值120.由于斜井矿车在运行的过程中CAN通信电路只是备用电路，因此，考虑节约成本，节点之间并没有隔离。

图7 总线电路图

2.3 报警灯驱动电路

设计中，ABS被检测到处于不正常的工作状态时，ECU会立即发送指令关闭斜井矿车ABS系统并且恢复到矿车的常规制动，在设计中安装报警灯，关闭煤矿斜井矿车ABS后，立即点亮报警灯，斜井矿车的制动系统恢复到常规制动状态，ABS报警灯驱动电路见图8，由电源电路供电，BC337驱动ABS报警灯，8050控制报警灯驱动电路的控制端，8050控制过程大体是通过XCl64CS的PWM口控制8050的基级，单片机PWM波占空比是1时，ABS报警灯不亮；当PWM波占空比是0时，ABS报警灯处于点亮状态。

图8 报警灯驱动电路图

3 ABS系统中硬件电路抗干扰分析

抗干扰是任何系统设计的过程中都需要考虑的主要问题，干扰源多种多样，在矿车ABS系统的设计中，一旦单片机被干扰，会对矿车的安全运行产生重大的影响，因此在系统设计的初期，要重视抗干扰设计。

3.1 系统设计中干扰信号的产生

电磁兼容性是指电子设备在预定的工作环境下，既不受周围电磁场的影响，也不影响周围的环境。因此，任何信号源本身有可能就是干扰信号，一路正常的信号串入别的通路，对于被串入的通路，这路信号源即是干扰信号。在矿车ABS系统的设计中，会有很多路的信号，这些信号共同处在复杂的煤矿斜井巷道内，很容易互相产生干扰。另外，在煤矿斜井矿车ABS系统的电路中有大量的电阻、电容等元件，它们有可能在矿车的运行过程中，产生共振回路，即共振电路。除上述的干扰信号之外，还有许多的干扰信号会产生，这些干扰信号的产生，对系统的稳定性具有非常大的破坏性，因此，采取合适的设计规避这些干扰信号非常重要。

3.2 系统设计中干扰信号的消除

要消除控制系统中的干扰信号，主要从以下两方面入手：一方面是消除干扰源，另一方面是避免干扰信号窜入设计的系统电路中。具体的措施如下：

1) 电路模块化设计。在煤矿斜井矿车防抱死系统的设计过程中，将轮速传感器信号采集电路、控制电路等组成部分进行模块化设计。

2) 加入滤波器电路。应用最广泛的抗干扰措施是采用滤波器。由此，在矿车防抱死系统的设计过程中根据信号与干扰信号的频率差别，选择合适的滤波器，就可以屏蔽干扰信号。在设计中选择了二阶有源滤波器，很好地将传感器输出信号中的杂波信号滤除。

3) 合适的接地方式。通过实践证明，单片机设备的抗干扰性能与接地方式有重要的关系。良好的接地可以抑制内部的噪音耦合，也可以防止外部信号的窜入，提高系统的抗干扰性能。

4 结 论

矿车在斜井运输中具有重要的作用，安全性能高的矿车对于煤矿的安全生产具有重大的现实意义。矿车的安全性能主要体现在当矿车发生跑车事故时能否有好的防护措施以避免事故的扩大。本设计就是在现有的矿车防护措施的基础上，借鉴在汽车上已经成熟使用的防抱死系统，并把防抱死系统安装在矿车上，实现煤矿斜井矿车防抱死功能。

参 考 文 献

[1] 李卫华. 汽车转弯过程中的防抱死制动系统的研究[D]. 秦皇岛：燕山大学，2016.

[2] 苗建明. 基于加速度实时校正参考车速的汽车防抱制动系统理论分析及其仿真研究[D].太原：太原理工大学,2014.

[3] 孙习武. 车辆防抱制动系统的仿真研究[D]. 合肥：合肥工业大学,2016.

[4] 王启瑞,李 耀. 汽车ABS轮速传感器故障诊断电路设计[J]. 汽车电器,2015(1):23-25.

[5] 项承寨,夏群生. ABS控制量的研究[J]. 汽车技术,2017(1):18-20.