史曉娟 張修德 齊彪

摘 ?要： 為了更好地提高礦用電機(jī)車在較高速度下的工作效率和安全性，在礦用電機(jī)車微機(jī)防滑制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以DSP TMS320F28335為核心對(duì)礦用電機(jī)車防滑制動(dòng)系統(tǒng)的硬件和軟件分模塊設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可以更好地防止電機(jī)車產(chǎn)生滑行，加快了系統(tǒng)檢測(cè)速度，可達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。采用滑模變結(jié)構(gòu)控制算法，在Matlab/Simulink中進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，采用滑模變結(jié)構(gòu)控制算法的礦用電機(jī)車防滑制動(dòng)系統(tǒng)具有更好的制動(dòng)效果。

關(guān)鍵詞： 礦用電機(jī)車; 微機(jī)防滑控制系統(tǒng); DSP28335; 實(shí)時(shí)監(jiān)控; 電子控制單元; 滑模變結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)： TN99?34; TD744 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）07?0118?03

Research on microcomputer anti?skid braking system for mine electric

locomotive based on DSP28335

SHI Xiaojuan， ZHANG Xiude， QI Biao

（College of Mechanical Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China）

Abstract： On the basis of the microcomputer anti?skid braking system of mine electric locomotive， modular designs for the hardware and software of anti?skid braking system of mine electric locomotive are respectively conducted with DSP TMS320F28335 as the core to better improve the working efficiency and safety when the mine electric locomotive works at high speed. The designed system can better prevent the electric locomotive from sliding， speed up the system detection， and realize the real?time monitoring. The sliding mode variable structure control algorithm is used to simulate the proposed system in Matlab/Simulink. The simulation results show that the mine electric locomotive anti?skid braking system with the sliding mode variable structure control algorithm has a better braking effect.

Keywords： mine electric locomotive; microcomputer anti?skid braking system; DSP28335; real?time monitoring; electronic control unit; sliding mode variable structure

0 ?引 ?言

礦用電機(jī)車在煤炭、材料、設(shè)備和人員的長(zhǎng)距離運(yùn)輸方面發(fā)揮著重要的作用，它能牽引礦車或人車組成的列車。為防止礦用電機(jī)車在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)撞車、追尾及掉道撞人等運(yùn)行事故，保證電機(jī)車的運(yùn)行安全，必須使其具備可靠的防滑制動(dòng)系統(tǒng)。因此，對(duì)礦用電機(jī)車防滑制動(dòng)系統(tǒng)的研究尤為重要。隨著微計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，誕生了微機(jī)防滑制動(dòng)系統(tǒng)。該防滑制動(dòng)系統(tǒng)可以檢測(cè)和控制機(jī)車在運(yùn)行過(guò)程中的制動(dòng)、滑行及再粘著控制等動(dòng)作。為了加快系統(tǒng)檢測(cè)速度，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，本文以DSP TMS320F28335處理器為核心，對(duì)礦用電機(jī)車微機(jī)防滑制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 ?防滑控制系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)

礦用電機(jī)車是有軌電機(jī)車，和其他機(jī)車一樣，利用輪軌間的粘著來(lái)制動(dòng)。粘著力影響制動(dòng)效果，防滑的依據(jù)就是粘著力的大小。理想的粘著系數(shù)和滑移率曲線關(guān)系表明，當(dāng)滑移率在20%附近，粘著系數(shù)最大，此時(shí)制動(dòng)效率最高[1]。

防滑制動(dòng)系統(tǒng)主要由傳感器、防滑制動(dòng)系統(tǒng)電子控制單元（電控單元）、防滑制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行單元（防滑排風(fēng)閥）組成[2]，如圖1所示。在粘著制動(dòng)時(shí)，防滑制動(dòng)系統(tǒng)首先通過(guò)速度傳感器對(duì)車輪的行駛速度進(jìn)行采集、處理，然后將結(jié)果送給防滑制動(dòng)系統(tǒng)的電子控制單元。電控制單元根據(jù)事先設(shè)定的公式計(jì)算出機(jī)車車輪的速度和機(jī)車是否滑行的判據(jù)（如速度差等），根據(jù)計(jì)算得到的結(jié)果電子控制單元對(duì)機(jī)車的行駛狀態(tài)做出判斷，然后發(fā)出控制指令使排風(fēng)閥做出相應(yīng)的動(dòng)作，阻止機(jī)車滑行。制動(dòng)結(jié)束后機(jī)車恢復(fù)正常行駛，電控單元會(huì)重新判斷和處理，以保證機(jī)車正常行駛。

2 ?防滑制動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

礦用電機(jī)車的微機(jī)防滑制動(dòng)系統(tǒng)是以電子控制單元（ECU）為核心的微機(jī)控制系統(tǒng)。其主要工作是完成信號(hào)的輸入、處理和輸出、實(shí)時(shí)控制、故障診斷和故障處理等。由輸入單元傳感器、中央處理單元DSP和執(zhí)行單元防滑排風(fēng)閥組成，包括信號(hào)采集電路、防滑排風(fēng)閥控制電路、故障檢測(cè)電路、電源等[3]。

2.1 ?DSP最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文選用以DSP28335最小系統(tǒng)為控制核心，其中，包含DSP28335芯片、電源、時(shí)鐘、復(fù)位電路和JTAG仿真接口等。

2.2 ?信號(hào)輸入模塊

車輪輪速、車身加速度和車身重力是礦用電機(jī)車防滑控制系統(tǒng)的主要輸入信號(hào)，電控單元根據(jù)這些信號(hào)做出正確判斷。輪速信號(hào)由輪速傳感器獲取，是防滑制動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)輸入信號(hào)。機(jī)車的速度不能直接得到，對(duì)輪速傳感器獲取的輪速信號(hào)采用特定的計(jì)算方法進(jìn)行估算，得到的參考速度即為機(jī)車速度。常見(jiàn)的計(jì)算方法有：最大輪速法、斜率法和峰值連線法[4?5]。其中，光電式傳感器、電磁感應(yīng)式傳感器和霍爾效應(yīng)式傳感器是目前常用的輪速傳感器。在防滑制動(dòng)系統(tǒng)中加速度也是一個(gè)重要的參數(shù)，不能直接獲取，而是通過(guò)一定的算法得到參考加速度，用參考加速度判斷路面粘著狀態(tài)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，軸重會(huì)影響輪軌間的粘著[6]，本文采用壓力傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車載荷的測(cè)量。ECU在采集信號(hào)后，會(huì)做出相應(yīng)的處理和不同的判斷，輸出不同的控制信號(hào)以控制防滑排風(fēng)閥相應(yīng)動(dòng)作。

1） 車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)的輸入

轉(zhuǎn)速信號(hào)是礦用電機(jī)車防滑制動(dòng)系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的輸入信號(hào)，安裝在車輪上的輪速傳感器根據(jù)車輪轉(zhuǎn)速輸出交流信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)放大調(diào)理輸入DSP。DSP28335需要采集的信號(hào)為低頻信號(hào)，而輪速傳感器輸出的信號(hào)中包含有高頻干擾信號(hào)，所以，首先要過(guò)濾高頻干擾信號(hào)。其設(shè)計(jì)電路如圖2所示。在圖2中，[R7]和[C12]構(gòu)成初級(jí)濾波器，LM324是放大器，[R8]和[C11]組成次級(jí)慮波器，LM339是電壓比較器。本文設(shè)計(jì)第一步是通過(guò)RC振蕩電路即低通濾波器過(guò)濾掉高于15 Hz以上的高頻信號(hào)，這里[R7]為2 kΩ，[C12]為30 μF。然后基于LM324，二級(jí)濾波器采用RC震蕩電路的形式獲取頻率為10 Hz左右的信號(hào)。[R8]取1 kΩ，則[C11]取0.1 μF。LM339的比較電壓選擇2.5 V，[R24]和[R25]阻值應(yīng)相等，取值為10 kΩ。[R22]作為上拉電阻取值為5.1 kΩ，[R23]是反饋電阻取值為27 kΩ。

2） 加速度信號(hào)的輸入

加速度是礦用電機(jī)車防滑制動(dòng)系統(tǒng)中重要的控制參數(shù)，其準(zhǔn)確性對(duì)防滑控制有很大的影響。本文設(shè)計(jì)的電機(jī)車平動(dòng)加速度是通過(guò)常用的加速度傳感器水銀觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)測(cè)量，傳感器在安裝時(shí)與電機(jī)車的前進(jìn)方向保持一致。機(jī)車正常行駛狀態(tài)下，水銀觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)為閉合狀態(tài)，當(dāng)機(jī)車開(kāi)始制動(dòng)且制動(dòng)減速度超過(guò)限定值后，傳感器內(nèi)的水銀位置發(fā)生變化，水銀觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，輸出信號(hào)發(fā)生變化。本文設(shè)計(jì)中的加速度傳感器輸出信號(hào)需要經(jīng)過(guò)光電隔離然后輸入DSP，DSP處理后作為控制系統(tǒng)的判斷依據(jù)之一。隔離器件選用光電耦合器TLP521?1作為隔離器件，不僅可以提高輸入回路的抗干擾能力，而且可以避免輸入回路直接耦合造成的干擾，其內(nèi)部封裝的發(fā)光器件和光敏器件分別是發(fā)光二極管和光敏三極管。

3） 載重信號(hào)的輸入

我國(guó)相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，軸載重不僅會(huì)影響輪軌間的粘著力，而且對(duì)滑移率的影響也較大[7]。本設(shè)計(jì)選取啟力生產(chǎn)的橋式傳感器作為壓力傳感器完成對(duì)機(jī)車載荷的測(cè)量，其輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，所以需要信號(hào)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換。選擇AD620AR放大器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行成比例放大，是因?yàn)槠渚哂械统杀?、高精度、低失調(diào)電壓和低失調(diào)漂移的特性。經(jīng)過(guò)放大調(diào)理后的壓力信號(hào)輸入DSP，DSP28335內(nèi)部有16路12位A/D轉(zhuǎn)換器，其模擬電壓輸入范圍為0～3 V。

2.3 ?控制輸出模塊

在機(jī)車制動(dòng)過(guò)程中，DSP輸出的控制信號(hào)控制電磁閥實(shí)現(xiàn)防滑排風(fēng)閥的增壓、保壓、減壓等相關(guān)動(dòng)作。防滑排風(fēng)閥的閥門電磁鐵可以分別看作制動(dòng)電磁閥和緩解電磁閥，相互配合完成相關(guān)動(dòng)作。

DSP與電磁閥之間的接口電路必須滿足電壓隔離功能和信息傳遞功能。本文設(shè)計(jì)選擇光電耦合器KPC357NT，輸出驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。DSP控制信號(hào)由GPIOA0口輸出，[R18]，[R19]為限流電阻。當(dāng)DSPGPIOA0口輸出低電平時(shí)，光電耦合器發(fā)光元件發(fā)出光線，光敏元件導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管左端被拉高，輸出端導(dǎo)通，電磁閥得電。

3 ?防滑控制系統(tǒng)控制算法和軟件設(shè)計(jì)

3.1 ?防滑控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的礦用電機(jī)車防滑制動(dòng)軟件包括防滑制動(dòng)主程序和中斷服務(wù)程序部分，程序框圖如圖4所示。其中，防滑制動(dòng)主程序主要采集傳感器信號(hào)，進(jìn)行計(jì)算處理，實(shí)時(shí)判斷并發(fā)出控制指令控制電磁閥做出相關(guān)動(dòng)作。中斷服務(wù)程序的作用是定時(shí)產(chǎn)生中斷，中斷產(chǎn)生時(shí)進(jìn)入防滑制動(dòng)主程序。

3.2 ?控制算法的設(shè)計(jì)和仿真

目前常用的機(jī)車防滑制動(dòng)系統(tǒng)控制算法主要有最優(yōu)控制、邏輯門限制控制、模糊控制、PID 控制及滑模變結(jié)構(gòu)控制等[8?9]。本文選取滑移率[10]為主要的控制參數(shù)，使用滑模變結(jié)構(gòu)作為機(jī)車防滑制動(dòng)系統(tǒng)的控制方法。在研究電機(jī)車防滑制動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，本文采用單輪模型（礦用電機(jī)車一般有兩個(gè)輪對(duì)），并忽略空氣阻力。

用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真，所選礦用電機(jī)車仿真參數(shù)為：機(jī)車質(zhì)量[M]為6 t;車輪半徑[R]為0.3 m;車輪質(zhì)量為20 kg;趨近率為0.3;制動(dòng)速度[V]為10 m/s;重力加速度[g]為9.8 m/s2 。仿真結(jié)果如圖5所示，圖5a）為礦用電機(jī)車速度的仿真結(jié)果，其中，實(shí)線表示機(jī)車車身速度，虛線表示機(jī)車車輪速度。

機(jī)車速度和車輪速度設(shè)定初始速度為10 m/s，當(dāng)機(jī)車開(kāi)始制動(dòng)，輪速和車速都迅速減小，但輪速減小速度比車速減小的速度快，且在制動(dòng)過(guò)程中車輪的速度始終小于機(jī)車速度，直到制動(dòng)結(jié)束，車速為0。在制動(dòng)開(kāi)始后滑移率在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)期值0.2，此時(shí)制動(dòng)力矩最大，所以，機(jī)車盡量控制滑移率在0.2附近。

仿真結(jié)果顯示，在制動(dòng)過(guò)程中車速和輪速一直保持一定的差距，可以使滑移率更快地到達(dá)且更接近預(yù)期值，且能得到更大一點(diǎn)的制動(dòng)力矩。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種以DSP28335數(shù)字處理器為核心的礦用電機(jī)微機(jī)防滑制動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。在電機(jī)車防滑制動(dòng)系統(tǒng)的原理基礎(chǔ)上，根據(jù)其需要實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)了微機(jī)防滑制動(dòng)系統(tǒng)的硬件電路。

選用滑模變結(jié)構(gòu)控制方法對(duì)電機(jī)車防滑制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，制動(dòng)開(kāi)始后滑移率在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)預(yù)期值0.2，且盡量保持在0.2，能夠使制動(dòng)力矩更大，縮短制動(dòng)距離。

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