基于重力加速度的采煤机摇臂摆角检测装置.pdf

第 4 2卷 第 6期 2 O 1 6年 6月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Au t o mat i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 6 J u n ．2 0 1 6 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 6 0 0 1 6 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 - 2 5 1 X ． 2 0 1 6 ． 0 6 ． 0 0 5 赵名． 基于重力加速度的采煤机摇臂摆角检测装置[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 6 1 6 ～ 1 9 ． 基于重力加速度的采煤机摇臂摆角检测装置 赵 名 天地 科技 股份 有 限公 司 上 海分 公 司 ，上海2 0 0 0 3 0 摘要 针 对基 于转 角位移 检 测原理 的采煤机 摇臂 摆 角检 测装 置安 装 精度 要 求 高、 校 准 复 杂等 问题 ， 设 计 了基 于重力加 速度 的 采煤机 摇臂 摆 角检 测装置 。该装 置利 用 S C A8 3 0倾 角检 测计 来获 取装 置 绝对 倾 角 ， 再 根据机身倾 角和装置在摇臂上的安装位置计算出摇臂 实际摆 角。实验结果表 明， 该装置安装 、 校 准方便， 检 测 结 果 较 准 确 ， 而 且 反 映 迅 速 、 实 时性 较 好 。 关 键词 采 煤机 ； 摇臂 摆 角检 测 ；重 力加 速度 ； 倾 角检 测计 ；校 准 中图分 类号 TD 6 3 2 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 6 0 6 0 1 1 0 2 2 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 6 0 1 ． 1 0 2 2 ． 0 0 5 ． h t ml 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 1 - 2 0 ； 修 回日期 2 0 1 6 - 0 4 1 9 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 天地科技股份有限公司技术创新基金项 目 K J 一 2 0 1 4 一 TD S H一 0 3 。 作者简介 赵名 1 9 7 8 一 ， 女 ， 黑龙江鸡西人 ， lT程师 ， 硕士 ， 研究 方向为采煤机 电气控制 、 传感器应用设计 ， E ma i l z m0 0 7 o k 1 6 3 ． c o rn。 参考文献 [1 ] 张俊 峰 ， 李克 民，崔丽平．煤矿辅助 运输 系统 的适应 性分析E J ] ． 煤炭技术 ， 2 O 0 9 ， 2 8 5 5 8 5 9 ． [ 2] 杨韬仁．我 国煤 矿辅 助运输 的现 状 和无 轨胶 轮技 术 的应用[ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 0 6 ， 3 4 3 2 1 2 3 ． [3 ] 杨 勇 翔．煤 矿 井下 柴油 机 车 污染 及 防 治 措 施 [ J ] ． 煤矿设计 ， 1 9 8 8 1 2 3 3 3 8 ． [4 ] 袁 晓 明．煤矿 车 辆用 蓄 电池 技术 I- J ] ． 工矿 自动化 ， 2 Ol1， 37 6 26 2 8． [5] 王 步康 ， 金江 ， 袁 晓明．矿 用 电动无轨运 输车辆 发展 现状 与 关 键 技 术 [ J ] ． 煤 炭 科 学技 术 2 0 1 5 ， 4 3 1 74 76 ． [ 6] 路慧 ， 苏金然．锂离 子蓄电池的市场发展[ J ] ． 电源技 术 ，2 0 0 6， 3 0 7 5 9 7 5 9 8 ． [ 7] Z HANG Gu o q i n g ，Z HANG L e i ，R AO Z h o n g h a o ， e t a 1 ． M a nu f a c t ur e a nd p e r f o r m a n c e t e s t s o f l i t h i u m i r on p ho s ph at e ba t t e r i e s us e d a s e l e c t r i c ve h i c l e p o we r [ J ] ． J o u r n a l o f Au t o mo t i v e S a f e t y a n d E n e r g y ， 2 0 1 1 ， 2 1 6 8 71 ． r 8] LI N，C H，HS I EH C Y，CHEN K H． A Li i o n b a t t e r y c h ar ge r wi t h s mo o t h c ont r ol c i r c ui t a n d b ui l t i n r e s i s t a nc e c o mpe ns at or f o r a c h i e v i ng s t a bl e a nd f a s t c h a r g i n g [ J ] ． I E E E Tr a n s a c t i o n s o n C i r c u i t s a n d S y s t e ms I Re g u l a r P a p e r s ，2 O 1 0，5 7 2 5 0 6 5 1 7 ． [9] 刘迎灿．矿用电机车蓄电池系统使用现状分析及升 级改造方 向研究E J ] ．煤 炭工程 ， 2 0 1 2 1 0 1 2 1 1 2 2 ． E l o ] 王震 坡 ， 孙逢春 ，林程．不一致性对动力 电池组 使用 寿命 影 响 的 分 析 [ J ] ． 北 京 理 工 大 学 学 报 ，2 0 0 6 ， 2 6 7 5 7 7 5 8 0 ． [ 1 1 ] 王佳元 ， 孙 泽 昌，魏学 哲 ， 等．电动 汽车 动力 电池分 选方法研究I- J ] ．电源技术 ， 2 0 1 2 ， 3 6 1 9 4 9 8 ． E 1 2 ] 林成涛 ， 仇 斌 ，陈全世 ， 等．电动汽 车 电池 非线 性等 效 电 路 模 型 的 研 究 [ J ] ． 汽 车 工 程 ， 2 0 0 6 ， 2 8 1 3 8 4 2． [ 1 3 ] S T UAR T T，Z HU W． F a s t e q u a l i z a t i o n f o r l a r g e l i t h i u m i o n b a t t e r i e s[ J] ． I E E E Ae r o s p a c e a n d El e c t r o ni c Sy s t e ms M a ga z i n e，2 00 9，24 7 27 - 31 ． [ 1 4 ] S T UA R T T A， Z HU W． Mo d u l a r i z e d b a t t e r y ma n a g e me n t f o r l a r g e l i t h i u m i o n c e l l s l, J ] ．J o u r n a l o f P o we r S o u r c e s ，2 0 1 l ， 1 9 6 1 4 5 8 4 6 4 ． [ 1 6 ] 肖林京 ， 常龙 ，张瑞 雪 ， 等．煤 矿避 难硐 室锂 离子 电 池后备 电源系统设 计E J ] ．工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 2 7 73 77 ． [ 1 6 ] 于志豪 ， 常龙 ，肖林 京 ， 等．一线 总线 器件 异步读 写 实现 方法I- J ] ． 自动化仪表 ， 2 0 1 4 ， 3 5 1 8 8 9 1 ． [ 1 7 ] 肖林 京 ， 常龙 ，张瑞雪 ， 等．基 于 T L C 6 8 0 3串联 锂离 子电池组电压 检测 及 均衡 系统 E J 3 ． 测 控 技 术 2 0 1 5 ， 3 4 4 4 3 4 7 ． [ 1 8 ] 于志豪 ，肖林 京 ，常龙 ， 等．锂 离子 电池动 力 电源 电 流检 测 系 统 的 设 计 [ J ] ． 电 源 技 术 ， 2 0 1 4 ， 3 8 4 6 4O 一 6 4 3． [ 1 9 ] 于志豪 ，常龙 ，肖林京 ， 等 ．锂 离子 电池动 力 电源单 体 电 池 电 压 检 测 系 统 设 计 [ J ] ．电 源 技 术 ， 2 0 1 4 ， 38 5 8S 2 85 4． 2 0 1 6年 第 6期 赵名 基 于重 力加 速度 的采 煤机 摇臂摆 角检 测 装置 Sh e a r e r r o c k e r s wi ng a n g l e d e t e c t i o n de v i c e b a s e d o n gr a v i t y a c c e l e r a t i o n ZHA O M i ng Sha ngh a i Br a nc h，Ti a nd i Sc i e nc e a nd Te c h no l og y Co． ， Lt d． ，S ha n gha i 2 0 0 03 0，Ch i na Ab s t r a c t I n v i e w of pr o bl e m t ha t s he a r e r r o c ke r s wi ng a n gl e d e t e c t i on de vi c e ba s e d o n a ng ul a r d i s p l a c e m e nt de t e c t i o n p r i nc i pl e r e q ui r e s hi gh i n s t a l l a t i o n pr e c i s i o n a nd ha s c o m p l e x c a l i b r a t i o n，a s he a r e r r oc ke r s wi n g a n gl e d e t e c t i on d e v i c e ba s e d on gr a v i t y a c c e l e r a t i o n wa s d e s i gn e d． The de v i c e u s e s i n c l i n o me t e r S CA8 3 0 t o g e t a b s o l u t e i n c l i n e a n g l e o f t h e d e v i c e ，a n d t h e n c a l c u l a t e s o u t a c t u a l s wi n g a n g l e o f t he s he a r e r r o c ke r a c c or d i ng t O s he a r e r i n c l i n e a ng l e a n d t he d e v i c e S i n s t a l l a t i o n l oc a t i on． The e x pe r i me n t a l r e s ul t s s h ow t h a t t he d e v i c e i s e a s y t o mou nt a n d c a l i br a t e ， a n d ha s a c c ur a t e t e s t r e s u l t s， q ui c k r e s p ons e a n d go od r e a l t i m e pe r f o r m a n c e ． Ke y wo r d s s h e a r e r ；r o c k e r s wi n g a n g l e d e t e c t i o n；g r a v i t a t i o n a l a c c e l e r a t i o n；i n c l i n o me t e r ； c a l i b r a t i o n 0 引 言 当采煤 机 割 煤 时 ， 工 人 需 实 时知 道 摇 臂滚 筒 割 煤 的高 度 。因 为井下 割煤 现场 光 线 暗 、 煤尘 大 、 可见 度不高 ， 靠肉眼观察滚筒高度不仅准确率低 ， 而且增 加 了工 人 的劳动 强 度 ， 滚 筒 周 边 的 煤尘 也会 损 害工 人健康 。采煤机摇臂摆角 自动检测装置可 自动地准 确获 知滚 筒采 高 l 1 ] 。常用 的摇臂 摆 角检测 装 置是 基 于转角位移原理 ， 即传感器一部分安装在采煤机机 身上 ， 另一部 分 与摇 臂 相 连 ， 当摇 臂 摆 动 时 ， 靠 2个 部分 的相对 转 角位移 确 定摇臂 摆 角 。这种 方法 的优 点是可靠性高， 缺点是安装复杂 ， 安装精度要求高 ， 校准费时 ， 且使用过程 中会 因煤块撞击 等因素容易 损坏 装 置 。为克 服 以上 弊 端 ， 本 文 设 计 了基 于重 力 加 速度 的采 煤机 摇臂 摆 角检测 装 置 ] 。 M SP4 30 F24 9 1 装 置硬 件设 计 基 于重力 加速 度 的采煤 机摇 臂摆 角检 测装 置 由 S C A8 3 0倾 角检测 计 、 外 围 电路 、 MS P 4 3 0 F 2 4 9低 功 耗单片机等组成。S C A8 3 0倾角检测计是基于重力 加速度 的单轴倾角检测仪器 ， 其量程为 1 g ， 具有 S P I 数 字通 信 接 口 ， 输 出代 表 加 速 度大 小 的 AD转 换值 输 出范围为 一3 2 7 6 8 ～3 2 7 6 8 。单 片机读取 S C A8 3 0输 出 的数 字 量 ， 计 算 出 装 置 当 前 的绝 对 倾 角 ， 然 后再 根据 装 置敏 感 轴 与 摇 臂 摆 动 轴 问 的 固有 夹角 及采 煤机 机身 当前 倾角 计算 出采 煤机 摇臂 的实 际摆角 ， 最后将摆角信息通过 RS 4 8 5总线传输 给采 煤机主控系统 ， 主控系统再计算滚筒当前采高 。 摇臂 摆角 检测装 置 电路 如 图 1 所示 。 VCC 图 1 摇臂摆 角检测装 置电路 1 8 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 2 装 置软件 设 计 2 ． 1 摇 臂摆 角计算 摇 臂 回转 中心到滚 筒 中心 的连 线称 为摇 臂摆 动 轴 。采 煤机摇 臂 摆角计 算 如 图 2所示 。 线 图 2采 煤 机 摇 臂 摆 角 根据 图 2 ， 有 0 1 一 1 一 一0 2 式中 0 。 为左摇 臂摆角 左摇臂摆 动轴与机 身的夹 角 ； 为左摇 臂 绝 对 倾 角 相 对 于 水 平 面 ； 0为采 煤机 机 身倾角 当采 煤 机 右 边 高 时为 正 值 ； 0 为右 摇臂摆角 右摇臂摆动轴 与机身的夹角 ； 为右摇 臂绝 对倾 角 相对 于水平 面 。 因 为 S C A8 3 0倾 角 检 测 计 存 在 个 体 差 异 ， 加 上 它在 摆 角检测 装 置 内 的安 装 位 置 误 差 ， 所 以最好 对 每个 摆 角检 测装 置进行 校 准 。需校 准 的参 数 为装 置 比例系 数 和零点 漂移 。校 准公 式如 下 S一 3 _ ● 一 L J 一 4 式 中 s为 装 置 的 比例 系 数 ； N 为 装 置 位 于 9 O 。 时 S C A8 3 0 输 出 的 数 字 量 ； N 为 装 置 位 于 一 9 O 。 时 S C A8 3 0 输 出的数字 量 ； f 。 为装 置零 倾 角位 的漂移 。 装 置 的绝对 倾角 为 ， 一 a r c s i n 二 5 S 式 中 N 为 S C A8 3 0输 出 的数 字 量 。 摆 角检 测 装置 安 装 于 摇臂 上 后 ， 其 自身 敏感 轴 与摇臂摆动轴之问可能有一个夹角 ， 因此将式 1 、 式 2 修正为 l一 。 6 一 一 一 0 7 式 中 为 装 置 自身 敏 感 轴 与 摇 臂 摆 动 轴 之 间 的 夹 角 。 在 将装 置安装 到采 煤 机上 之前 须校 准 比例系 数 及 零 点 漂 移 ， 获 得 s和 。 。在 摇 臂 上 安 装 好 装 置 后 ， 输入零摆角校准命令字， 计算并记录 。参数经 厂家工 作人 员设 定 后 无 需更 改 ， 煤 矿 工人 直 接 使 用 即 司 。 2 ． 2滤 波 方 法 采 煤 机 摇 臂 在 升 降 动 作 及 割 煤 动作 中 会 有 振 动 ， 所 以基 于加 速 度 检 测原 理 的 S C A8 3 0倾 角 检 测 计 的输 出值 是 波 动 的 ， 而且 波动 范 围较 大 。因摇 臂 倾 角 的变 化是 连续 缓 慢 的 ， 所 以体 现倾 角 变 化 的数 字 输 出量应 该 是低 频 变 化 的 ， 高 频 波 动 一定 不 是 由 摇 臂倾 角 变化 带来 的 。为 了获取 实 际反 映摇臂 倾角 变 化 的数据 ， 需 对 S C A8 3 0倾 角 检 测 计 的原 始 输 出 进 行滤 波 ， 剔除 干 扰 。一 般 采 煤 机摇 臂 从 最低 处 摆 至最 高处 ， 空 载 时最 快要 十 几 秒 ， 频率 在 0 ． 1 Hz以 下 ， 属 于低 频 。频 率高 于 0 ． 1 Hz 的加 速度 变化 都不 是由摇臂摆角变化带来的， 可 以滤除。本装置结合 平均 值法 和滞 后法 来滤 波 。 令单片机每经 1个采样周期 t 触发 1轮采样 ， 1轮采样中单片机连续读取 8次 S C A8 3 0倾角计输 出值 ， 再取平均值作为采样结果 z 。 滞后 法是 一 种低通 滤 波方法 ， 滤 波公 式 为 Y 一 a x 1一 a y 一 1 8 式 中 y 为 本次滤 波结 果 ； a为滤 波 系 数 ， 0 n 1 ； Y 为上次滤波结果 。 截止频率 为 f 一 9 厶 7 c 2 ． 3 软 件 流 程 装 置 主程序 流程 如 图 3所示 。图 3中虚线 框 内 步骤 为装 置校准 时 用 ， 一 般 在 采 煤 机 出 厂 前 对装 置 进 行校 准 ， 出厂 后用 户不 需要 校准 。 3 实验论 证 结合理论与实践来选择合理 的采样周期 t 和滤 波系数 n值 ， 分 别将 采样 周 期 t 设 为 5 ， 1 0 ms ， 每 5 ， 1 0 ms 触发 一 轮采样 并 取平 均值 ； 分别 取 n为 1 ／ 3 z ， 1 ／ 6 4进 行实 验 。将 装置 以 3 0 。 左 右 的 角度 固定 在振 动实 验 台上 ， 进 行 变 频 振 动 实 验 ， 观 察 装 置 检 测 结 果 ， 实验 数据 见表 1 。 经 比照检 测 结 果准 确 性 ， 兼 顾 要 获 取 较 低 的截 止频 率 ， 最终 选取 口 一 1 ／ 6 4 ， t 一 1 0 ms 。将 a ， t 代 人 式 8 ， 得 YY 一 裔 1 1 0 、 ” 一 十 育 在 上 述条件 下 ， 滤波 的截 止频 率 为 0 ． 2 5 Hz 。 将 2 个 校 准好 的摆 角检 测装 置分 别安 装 于采煤 2 0 1 6年 第 6期 赵 名 基 于重力加 速度 的 采煤机 摇臂 摆 角检 测装 置 1 9 t 单 片机读取倾 角检 测计的输出数据 I 滤 波 ， 计 算 摇 臂 摆 角 l 与 采 煤 机 主 控系 统 通 信 ’ N ＼、命令字输入 ／ ＼／ 上v 将装置置于 记录 9 0 。 采样 数值 9 0 。 位置 N Y 记 录 -90。采 样 数 值 ， ⋯ -{鬯 篙l 计 算 和 值 ，并 存 储 ’ N ＼ 、 龟 令 字 输 二 ／ ＼／ 装 置安装 到采 煤 机摇臂上， 使采煤 此时的绝对倾角 0 ， 并存 储I ’ 机机身处于水平 面， 将摇臂置于 I 零 摆 角 位 置 图 3 装置主程序流程 表 1 装置检测结果 机左右摇臂上 ， 将摇臂置于零 摆角位 。输入零摆 角 校 准命 令 字 ， 确 定零 摆角 位并 存储 下来 ， 摆 角检 测装 表 2 一组测 试数据 。 置即可正式使用 了。分别将左右摇臂升降到一定角 度 ， 观 察装 置 的输 出 ， 比较 装置 检测 到 的摇 臂 摆角 与 实 际摆 角 的差别 。表 2 为 一组 测试 数据 。 实验结果表 明， 该装置检测结果较准确 ， 而且反 映迅速 ， 实 时性 较好 。 4 结语 基 于重 力加 速度 的采 煤机 摇臂 摆 角检测 装置 安 装 方便 ， 校 准过 程简 单 。实验结 果 表 明 ， 该装 置 可 以 实时监 测 到采煤 机 摇 臂 摆 角 的变 化 ， 从 而使 采 煤 机 主控 系统 准确获 知滚 筒 的采 高 ， 方 便 了工人 的操作 。 参考文献 李庆亮 ， 朱信 平 ， 张斌 ， 等．采煤 机 位姿 参数 测量 系统 设计及测 量 方 法 [ J ] ．煤 炭 科 学 技 术 ， 2 0 1 3 ， 4 1 8 9 9 1 O1 ． 张群英． 基 于 A D XL 3 4 5的提 升机 容器 姿态 感知 系统 设计E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 7 2 5 2 8 ． 郭敏 ， 尹光洪 ， 田曦， 等． 基 于三轴加速度 计的倾斜角传 感器 的研 究 与设 计 [ J ] ． 现 代 电子 技 术 ， 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