基于DSP的矿用隔爆型电机速度检测技术研究

【摘要】 为了提高矿用隔爆型电机速度检测精度，在详细介绍数字信号处理器（DSP）和光电编码器原理的基础上，充分利用DSP内部正交编码脉冲单元模块，设计矿用隔爆型电机速度检测系统，重点设计DSP与光电编码器接口电路。系统能够实现煤矿隔爆型电机的运行速度在线检测，大大提高了速度检测的精度和可靠性。

【关键词】 煤矿 DSP 光电编码器 电机 速度检测

近年来，随着我国推进小煤矿的资源整合与兼并重组工作，加快矿井的机械化改造步伐，有力的提升了煤矿安全生产保障水平，极大的促进了煤矿安全生产形势的好转。但煤矿兼并重组、整合技改工作地区间进展不平衡，部分整合技改煤矿违规生产或以整合技改名义逃避关闭。煤矿兼并重组、整合技改过程中隐患大量存在，瓦斯等可可燃性气体遇到火花容易引起爆炸，安全生产事故时有发生。煤矿安全生产形势对井下输变电和生产设备性能提出更严格的要求，尤其是提升运输和抢险救援设备。矿用隔爆型电机是煤矿井下提升运输、采掘和抢险救援的动力来源，开展矿用隔爆型电机运行速度检测技术的研究，对于提升煤矿设备的可靠性、排除安全隐患、减小生产事故发生和保障人民生命财产安全具有重要的意义。

一、数字信号处理器

从TI公司在1982-1983年推出TMS系列数字信号处理器（DSP）第一代产品到今天的TMS320C2000/5000/6000产品系列，TI公司的DSP的处理速度不断提高、结构更加合理、性能更加优越，DSP系统的开发环境也不断完善。TMS320C2000系列DSP集成微控制器和高性能DSP的特点，整合了Flash存储器、事件管理器、增强型CAN模块、快速的A/D转换器、正交编码电路接口及多通道缓冲串口等外设，具有强大的控制和信号处理能力，能够实现复杂的控制算法。在281x DSP上有两个事件管理器EVA和EVB，它们是数字电机控制时使用较多的重要外设，能够实现机电设备控制的各种功能。

每个事件管理器中包括定时器、比较器、PWM逻辑电路、捕捉单元正交编码脉冲电路及中断逻辑电路，省去了外部死区控制逻辑和外部速度/定位传感器逻辑，降低了CPU的开销，提高了系统的可靠性。

二、光电编码器

光电编码器是利用光电转换原理将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置组成，光栅盘上等分若干长方形小孔，检测系统中光电盘与被检测物同轴，被检测物旋转代动光电盘同速旋转，经过发光二极管等电子元器件组成的检测装置检测若干脉冲信号，通过计算光电编码器每秒输出的脉冲数就能反映当前电机的转速。

另外，光电编码器提供相位相差90°的两个通道信号输出，系统可以根据双通道光码状态的变化来判断电机的转向。根据刻度方法及信号输出形式，光电编码器分为增量式、绝对式和混合式三种。

系统选用欧姆龙公司生产的E6B2-CWZ3E型光电编码器作为矿用隔爆型电机速度和方向检测器件，该传感器利用光电转换原理输出A、B和Z相三路方波脉冲信号。A相、B相两路信号之间互差90°，用来检测电机的速度和方向。该传感器具体参数如表1所示。

三、DSP与编码器接口电路

DSP芯片的每个事件管理器模块都有一个正交编码脉冲（QEP）电路，当QEP电路被使能时， DSP可以对CAP1/QEP1和CAP2/QEP2（对于EVA）或CAP4/QEP3和CAP5/QEP4（对于EVB）引脚上的正交编码脉冲进行解码和计数。QEP电路可以用于连接光电编码器，获得矿用隔爆型电机的旋转方向和速度信息。

在使能QEP电路时，CAP1/CAP2和CAP4/CAP5引脚的捕捉功能被禁止。QEP单元通过信号转换单元与安装在电机主轴上的增量式光电编码器相连接，DSP对正交编码脉冲信号进行译码和计数，通过中断程序实现对矿用隔爆型电机速度、向等参数的计算和存储。

光电编码器输出信号为5V的方波信号，而DSP可接收的电压最大为3.3V，所以需要设计信号转换电路将5V的方波信号转换成DSP可接收的信号。5V方波信号经过电容滤除杂波和快速光耦6N137隔离，在通过双电压比较器LM393转换成DSP可以接收的脉冲信号。LM393比较器的参考电压为1.8V，当输入端电压大于比较器参考电压时，比较器输出高电平。

5V稳压电源经过输出电压可调的集成三端稳压器LM317转换后为比较器提供工作电源，比较器输出DSP可识别的脉冲信号，信号转换电路如图1所示。

四、结论

结合我国煤矿安全生产现状，将DSP和光电编码器有机结合在一起，设计矿用隔爆型电机速度检测系统。光电编码器经过信号转换电路传递给DSP的正交编码脉冲单元，DSP根据双脉冲的先后顺序和脉冲频率经过内部处理可以得到电机的方向和速度。

检测系统结构简单、可靠性很高、实时性好，能够实现矿用隔爆型电机速度实时检测，满足预期设计要求。

参 考 文 献

[1] 国家安全监管总局 国家煤矿安监局.关于进一步加强煤矿安全监管监察工作的通知.〔2012〕130号.

[2] 李剑峰.高可靠性可编程水泵监控系统[J].煤矿机械，2009，（11）：127.

[3] 姜秀柱，徐钊，冯东芹.基于EPA 的煤矿井下水泵控制系统[J].工矿自动化，2008（10）：62-65.

[4] 易龙龙，张复春，郝雁中，陈鑫鑫.基于改进滑模的永磁同步电机控制研究[J].微电机，2013（12）：67-70.