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1電控系統(tǒng)硬件設(shè)計

1．1輸入模塊設(shè)計1)模擬量信號輸入模塊。模擬量信號主要有壓力、溫度、位移3類信號，其數(shù)據(jù)采集電路均相同，模擬量采集電路如圖2。模擬量信號輸入的傳感器內(nèi)部帶有變送電路，其輸出信號均為標準的4～20mA，此信號經(jīng)由電流隔離模塊U1隔離后輸入到U2進行I/V轉(zhuǎn)換，先將4～20mA電流轉(zhuǎn)換成1～5V電壓，再經(jīng)過調(diào)幅電路將電壓信降至0．5～2．5V后送往STM32的AD通道進行AD轉(zhuǎn)換。2)數(shù)字量信號輸入模塊。數(shù)字量輸入信號包括脈沖信號和開關(guān)量信號。轉(zhuǎn)速傳感器輸出的是脈沖信號，其信號調(diào)理電路如圖3。由于鉆機動力頭回轉(zhuǎn)時采集的傳感器轉(zhuǎn)速信號均低于1kHz，因此在電路設(shè)計中采用低通濾波器。這種濾波器可以有效地過慮掉頻率高于1kHz的干擾信號，降低高頻信號對轉(zhuǎn)速信號的干擾，使得輸出信號穩(wěn)定可靠。開關(guān)量輸入電路如圖4。外部諸如接近開關(guān)或其它開關(guān)量輸入信號一旦接通，則外部供電的本安電源12V便通上電使光電耦合器導(dǎo)通，從而使的4腳輸出一個低電平給STM32單片機。光電耦合器有效地隔離了本安12V電源與信號電源3．3V。

1．2輸出模塊設(shè)計1)開關(guān)量輸出模塊。系統(tǒng)中輸出量包括開關(guān)量和PWM信號輸出。開關(guān)閥的控制電路如圖5。圖中，開關(guān)閥線圈的通斷由STM32單片機的數(shù)字量輸出引腳輸出高低電平控制。光電耦合器TLP627起隔離與放大的作用，用于隔離STM32單片機與外部強電器件，TLP627的最大輸出電流可達150mA，滿足驅(qū)動繼電器要求。電路中的繼電器屬于感性元器件，為防止繼電器切斷時產(chǎn)生的反向電動勢擊穿光藕，在電路設(shè)計中選擇加入二極管IN4007。2)PWM(比例閥控制)輸出模塊。鉆機控制系統(tǒng)選用的速度調(diào)節(jié)元件均采用電液比例閥，比例閥最小工作電流(閥口初始開啟時)約為200mA，最大工作電流(閥口完全開啟時)為800mA。一般電磁比例閥的工作電壓為24V，內(nèi)阻只有幾歐姆到十幾歐姆，所需驅(qū)動電流達數(shù)百毫安，而STM32輸出電流只有幾毫安，輸出功率小，不足以直接驅(qū)動比例閥，因此在電路中采用達林頓三極管TIP147組成功率放大器，對PWM信號進行隔離并進行放大。WM輸出模塊電路如圖6。3)CAN通信電路設(shè)計。為了提高CAN總線的數(shù)據(jù)通信的可靠性，在硬件接口設(shè)計時需考慮抗干擾設(shè)計。本系統(tǒng)CAN接口電路的本質(zhì)安全電路框圖如圖7。系統(tǒng)中通信方式采用CAN通信，CAN接口電路被設(shè)計成本質(zhì)安全型電路，由外部本安電源供電，同時對信號通道之間、本安與非本安電源之間進行隔離處理。在圖7中，主控芯片采STM32型32位微處理器，該微處理器以Cortex－M3為內(nèi)核，外圍接口非常豐富，內(nèi)部自帶2通道CAN控制器，加上外圍CAN收發(fā)芯片82C250即可方便實現(xiàn)CAN接口電路，主頻最大可以達到72MHz，是一款適應(yīng)煤礦設(shè)備的控制器。本系統(tǒng)通過加入數(shù)字隔離芯片對CAN信號通道進行隔離，非本安電源對ARM芯片及數(shù)字隔離的一側(cè)進行供電，本安電源供電對CAN收發(fā)器及數(shù)字隔離芯片另一側(cè)供電。

2室內(nèi)試驗

遠控鉆機的模擬量參數(shù)有壓力、溫度、液位等。鑒于試驗室條件有限，選擇溫度傳感器來模擬測量室內(nèi)溫度。連接電控手柄、STM32控制器及硬件電路和計算機。室內(nèi)調(diào)試與試驗主要檢驗遠程控制鉆機控制系統(tǒng)硬件電路板、CAN通信協(xié)議傳輸?shù)臏蚀_性。試驗結(jié)果表明，在實驗室環(huán)境下，控制系統(tǒng)中硬件滿足設(shè)計要求，電控手柄信號可以通過CAN總線對液壓開關(guān)閥進行控制，開關(guān)閥塊響應(yīng)及時準確。

3結(jié)語

煤礦防突鉆機控制系統(tǒng)以統(tǒng)硬件以STM32控制器為核心，并通過設(shè)計相應(yīng)的控制電路達到了操作人員遠程控制鉆機的目的。試驗室調(diào)試結(jié)果表明:該控制系統(tǒng)各項監(jiān)測參數(shù)和控制功能正常，控制系統(tǒng)達到了設(shè)計要求，可實現(xiàn)遠程控制與監(jiān)測，且可靠性高、抗干擾能力強。

作者：王賀劍 單位：中煤科工集團西安研究院有限公司