煤矿防突钻机远程控制系统设计范文

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1电控系统硬件设计

1．1输入模块设计1)模拟量信号输入模块。模拟量信号主要有压力、温度、位移3类信号，其数据采集电路均相同，模拟量采集电路如图2。模拟量信号输入的传感器内部带有变送电路，其输出信号均为标准的4～20mA，此信号经由电流隔离模块U1隔离后输入到U2进行I/V转换，先将4～20mA电流转换成1～5V电压，再经过调幅电路将电压信降至0．5～2．5V后送往STM32的AD通道进行AD转换。2)数字量信号输入模块。数字量输入信号包括脉冲信号和开关量信号。转速传感器输出的是脉冲信号，其信号调理电路如图3。由于钻机动力头回转时采集的传感器转速信号均低于1kHz，因此在电路设计中采用低通滤波器。这种滤波器可以有效地过虑掉频率高于1kHz的干扰信号，降低高频信号对转速信号的干扰，使得输出信号稳定可靠。开关量输入电路如图4。外部诸如接近开关或其它开关量输入信号一旦接通，则外部供电的本安电源12V便通上电使光电耦合器导通，从而使的4脚输出一个低电平给STM32单片机。光电耦合器有效地隔离了本安12V电源与信号电源3．3V。

1．2输出模块设计1)开关量输出模块。系统中输出量包括开关量和PWM信号输出。开关阀的控制电路如图5。图中，开关阀线圈的通断由STM32单片机的数字量输出引脚输出高低电平控制。光电耦合器TLP627起隔离与放大的作用，用于隔离STM32单片机与外部强电器件，TLP627的最大输出电流可达150mA，满足驱动继电器要求。电路中的继电器属于感性元器件，为防止继电器切断时产生的反向电动势击穿光藕，在电路设计中选择加入二极管IN4007。2)PWM(比例阀控制)输出模块。钻机控制系统选用的速度调节元件均采用电液比例阀，比例阀最小工作电流(阀口初始开启时)约为200mA，最大工作电流(阀口完全开启时)为800mA。一般电磁比例阀的工作电压为24V，内阻只有几欧姆到十几欧姆，所需驱动电流达数百毫安，而STM32输出电流只有几毫安，输出功率小，不足以直接驱动比例阀，因此在电路中采用达林顿三极管TIP147组成功率放大器，对PWM信号进行隔离并进行放大。WM输出模块电路如图6。3)CAN通信电路设计。为了提高CAN总线的数据通信的可靠性，在硬件接口设计时需考虑抗干扰设计。本系统CAN接口电路的本质安全电路框图如图7。系统中通信方式采用CAN通信，CAN接口电路被设计成本质安全型电路，由外部本安电源供电，同时对信号通道之间、本安与非本安电源之间进行隔离处理。在图7中，主控芯片采STM32型32位微处理器，该微处理器以Cortex－M3为内核，外围接口非常丰富，内部自带2通道CAN控制器，加上外围CAN收发芯片82C250即可方便实现CAN接口电路，主频最大可以达到72MHz，是一款适应煤矿设备的控制器。本系统通过加入数字隔离芯片对CAN信号通道进行隔离，非本安电源对ARM芯片及数字隔离的一侧进行供电，本安电源供电对CAN收发器及数字隔离芯片另一侧供电。

2室内试验

远控钻机的模拟量参数有压力、温度、液位等。鉴于试验室条件有限，选择温度传感器来模拟测量室内温度。连接电控手柄、STM32控制器及硬件电路和计算机。室内调试与试验主要检验远程控制钻机控制系统硬件电路板、CAN通信协议传输的准确性。试验结果表明，在实验室环境下，控制系统中硬件满足设计要求，电控手柄信号可以通过CAN总线对液压开关阀进行控制，开关阀块响应及时准确。

3结语

煤矿防突钻机控制系统以统硬件以STM32控制器为核心，并通过设计相应的控制电路达到了操作人员远程控制钻机的目的。试验室调试结果表明:该控制系统各项监测参数和控制功能正常，控制系统达到了设计要求，可实现远程控制与监测，且可靠性高、抗干扰能力强。

作者：王贺剑 单位：中煤科工集团西安研究院有限公司