中南大学机械电子工程研究所  魏树伟，何将三，廖平，谢乐添，井欢欢

1 引言

在矿井下生产作业时，良好通风是保证安全生产的关键。常用的通风设备一局部通风机用于调节井下通风状况，调控瓦斯浓度。风机中的电机和其他电机一样，在运行过程中因为负载、电网及电机本身等因素常出现过载、缺相、短路等故障，影响其正常运行，从而影响矿井的正常通风。为了适应矿井生产需求，综合多方面因素及项目要求，研制一台多电机综合保护器，采用AT89C52单片机对煤矿井下多台电机的故障实现综合保护。

综合保护器掌握的矿井环境及电机运行状况信息传送到地面监控中心，同时地面监控中心可以发送控制指令控制地下电机综合保护器。通讯方面，由于CAN总线与一般通讯总线相比．具有较好的可靠性、实时性和灵活性，因此采用CAN总线，将故障信息、风机工作状况及瓦斯、风量信息传送至上位机。对矿井下的各种危险情况做出及时的反映，保证安全生产。

2 多电机综合保护器的基本组成

该综合保护器由两大模块组成：保护子模块和通信子模块。保护子模块主要是根据各传感器和外部检测装置输入单片机的信号进行处理、转换、显示以及驱动控制，实现相应功能，达到保护电动机和风机目的。通信子模块用于实现井下电机综合保护器与地面上位机通风监控系统的通信。

保护子模块采用Atmel公司生产的AT89C52单片机作为核心控制器，调控处理各种检测信息，并完成与CAN总线的接口。通信子模块采用Philips公司生产的CAN独立控制器SJA1000实现信息通讯。

2.1 保护子模块概述

综合保护器保护子模块由微处理器和外围I／O接口电路组成。

微处理器的核心器件AT89C52是一款低压、高性能CMOS 8位单片机，内含8 KB EPROM和256字节RAM；采用高密度、非易失性存储技术生产；与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容；内置通用8位CPU和Flash存储单元、32个可编程I／O口线、3个16位定时／计数器以及8个中断源，适用于较为复杂的控制应用场合。

该综合保护器能对一台风机的4个驱动电机的缺相、短路、过载、漏电故障进行综合保护。风机共有两台，一台主风机，一台备用风机。风机风量等级共有4级，每台风机的风速等级由4台电机高、低速运行的不同组合控制，其中3台电机是双速电机，即高速和低速两种运行模式，另一台电机是单速电机。风速等级如表1所示。瓦斯浓度不同，则启动不同的风速等级。当电机发生故障或达到风机倒换时间，则启动备用风机。根据保护器的要求及其在井下工作的特点，本综合保护器实现的主要功能见图1。

2.2 通信子模块概述

通信子模块采用的控制器是SJA1000 CAN总线控制器。SJA1000支持CAN2.0B通信协议，它与仅支持CAN2.0A的CAN控制器PCA82C200在硬件上和软件上完全兼容，并在其基础上增加了新的功能：标准帧数据结构和扩展帧数据结构，并且这两种帧格式都具有单／双接收过滤器；64字节的接收FI-FO；可读写访问的错误计数器和错误限制报警，以及只听方式等。在系统设计中，SJA000的内部寄存器作为AT89C52的片外寄存器，AT89C52和SJA1000之间状态、控制和数据的交换都是通过SJA1000在复位模式或工作模式下对这些寄存器的读写操作完成的。

3 通信子模块设计

3.1 通信子模块硬件设计

通信子模块用于完成电机保护器和上位监控机之间的信息传送，对下位机的运行状况和故障信息等及时做出相应的反映，保证井下风机正常运行。采用应用最广泛的CAN总线进行通信。CAN总线接口模块以AT89C52单片机作为处理核心器件，PC82C250为总线收发器，采用SJA1000作为总线控制器。整个模块有较强的可扩展性和较好的通用性。SJA1