新型地鐵速度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

楊豐萍，袁蘆北，鮑丙東，盧 義

(華東交通大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，江西 南昌330013)

0 引 言

地鐵速度傳感器的作用十分重要，其性能的好壞，將直接影響地鐵的行車(chē)安全和正常運(yùn)行，因此，為了乘務(wù)人員生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)地鐵速度傳感器的檢測(cè)已成為了必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。不同地鐵公司使用的速度傳感器類(lèi)型不同，我國(guó)地鐵公司主要采用由霍爾式和光電式兩大類(lèi)速度傳感器。如果采用常規(guī)方法，采用不同設(shè)備進(jìn)行分項(xiàng)測(cè)試，存在可靠性差、檢出率低、測(cè)試效率低等問(wèn)題，不利于批量生產(chǎn)［1］。所以，設(shè)計(jì)一種高效率、高性能、經(jīng)濟(jì)方便的新型測(cè)試系統(tǒng)是十分必要的［2］。

根據(jù)地鐵公司檢修部門(mén)對(duì)速度傳感器檢測(cè)要求和速度傳感器自身參數(shù)，以工控機(jī)、PCI 高速數(shù)據(jù)采集卡、變頻器和伺服電機(jī)等作為硬件平臺(tái)，以Microsoft Visual Studio 2008作為軟件平臺(tái)，本文設(shè)計(jì)一種能檢測(cè)霍爾式和光電式速度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有速度傳感器類(lèi)型選擇、手動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)檢測(cè)、輪徑值設(shè)置、波形顯示和歷史數(shù)據(jù)分析等功能，相比較現(xiàn)有的檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在一個(gè)臺(tái)子上檢測(cè)光電式和霍爾式兩種不同類(lèi)型的速度傳感器。

轉(zhuǎn)速測(cè)量被廣泛應(yīng)用在自動(dòng)化生產(chǎn)線、智能機(jī)器人、風(fēng)力水力發(fā)電機(jī)、電動(dòng)車(chē)汽車(chē)速度測(cè)量、伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速控制等諸多領(lǐng)域［3］。通過(guò)轉(zhuǎn)速測(cè)量可以在小空間內(nèi)進(jìn)行小角度變化、直線速度、大位移、乃至能量功率的測(cè)量計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)化工業(yè)的實(shí)時(shí)測(cè)量、監(jiān)控和控制［4～7］。該檢測(cè)系統(tǒng)用伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)模擬地鐵的行進(jìn)，通過(guò)變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)模擬不同時(shí)速，將編碼器固定在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，通過(guò)編碼器讀取電機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)輪徑值換算成地鐵速度作為標(biāo)準(zhǔn)速度，通過(guò)PCI 高速數(shù)據(jù)采集卡采集到數(shù)據(jù)換算成速度作為實(shí)測(cè)速度，通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)速度和實(shí)測(cè)速度，速度傳感器輸出波形的相位差和占空比來(lái)判斷速度傳感器性能的好壞。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

參考多種霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量系統(tǒng)［8～10］，速度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的組成如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Structure block diagram of system

工控機(jī)通過(guò)RS—232 轉(zhuǎn)RS—485 串口輸出十六進(jìn)制報(bào)文形式將頻率脈沖發(fā)送給變頻器，變頻器接收后根據(jù)報(bào)文內(nèi)容控制并且驅(qū)動(dòng)電機(jī)，再利用安裝在電機(jī)同軸上的編碼器將標(biāo)準(zhǔn)速度通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊調(diào)理成數(shù)據(jù)采集卡能分辨的直流電壓后，傳給PCI 數(shù)據(jù)采集卡;同時(shí)，速度傳感器測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速作為實(shí)測(cè)速度通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊調(diào)理成數(shù)據(jù)采集卡能分辨的直流電壓后，亦傳送給PCI 數(shù)據(jù)采集卡，最后由PCI 數(shù)據(jù)采集卡將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到工控機(jī)屏幕顯示出來(lái)，通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)速度和實(shí)測(cè)速度判斷該傳感器性能的是否合格，如果標(biāo)準(zhǔn)速度與實(shí)測(cè)速度誤差太大，可以通過(guò)顯示速度傳感器的波形圖，通過(guò)查看占空比和相位差來(lái)準(zhǔn)確找出傳感器故障原因。

1.1 數(shù)據(jù)采集卡

該方案采用北京中泰工控PCI—8348AJ 高速數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡可以直接通過(guò)工控機(jī)的PCI 插槽直接與工控機(jī)連接。該數(shù)據(jù)采集卡能夠提供8 路最高采樣頻率高達(dá)500 kHz 的同步模擬量輸入通道，14 路可編程數(shù)字量輸入輸出。設(shè)計(jì)時(shí)只使用了7 路同步模擬量輸入通道，1 通道作為編碼器信號(hào)采集通道;2，3 路分別作為霍爾式速度傳感器的A，B 通道信號(hào)采集通道;4，5，6，7 路分別作為光電式速度傳感器的A，B，C，D 通道信號(hào)采集通道。

1.2 速度閉環(huán)控制部分

電動(dòng)機(jī)采用三相交流異步電機(jī)，可操控性強(qiáng)，在變頻器輸出的PWM 脈沖信號(hào)控制下，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)［11］。為了使得系統(tǒng)更加準(zhǔn)確可靠，該系統(tǒng)采用了閉環(huán)控制，通過(guò)編碼器實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速并且反饋到數(shù)據(jù)采集卡，然后返回到工控機(jī)，通過(guò)與工控機(jī)設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比來(lái)保證電機(jī)轉(zhuǎn)速與工控機(jī)設(shè)定值完全一致，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1.3 變頻器

變頻器選用德國(guó)SIEMENS 公司生產(chǎn)的V20 變頻器，該種變頻器結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用、調(diào)速迅速、操作簡(jiǎn)便且經(jīng)濟(jì)適用。

1.4 信號(hào)調(diào)理模塊

霍爾式速度傳感器工作電源電壓Vcc 為10～20 VDC，標(biāo)稱(chēng)電壓為15 VDC，輸出脈沖幅度高電平VH≥0.8 Vcc，低電平VL≤1.0 V;光電式速度傳感器輸出秒沖幅度高電平VH≥9 V，低電平VL≤2.0 V。由于數(shù)據(jù)采集卡只能采集0～10 V 電壓，所以，需要設(shè)計(jì)一個(gè)全波精密整流降壓電路來(lái)對(duì)交流電壓進(jìn)行降壓處理，如圖2 所示。S1 是為L(zhǎng)M324 供電的±15 V 的開(kāi)關(guān)電源的引腳，S2 是速度傳感器輸出信號(hào)的引腳，經(jīng)過(guò)全波精密整流并且降壓，得到數(shù)據(jù)采集卡能夠識(shí)別的信號(hào)。S3 中的1 引腳就是速度傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊調(diào)理之后的模擬信號(hào)，通過(guò)PCI 數(shù)據(jù)采集卡A/D 轉(zhuǎn)換就可以輸入到工控機(jī)中進(jìn)行處理。

圖2 調(diào)理模塊電路Fig 2 Conditioning module circuit

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

用戶在使用PCI—8348AJ 高速數(shù)據(jù)采集卡，只需要將其提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)導(dǎo)入到開(kāi)發(fā)平臺(tái)即可，然后調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)提供的函數(shù)接口就可以讀取采集卡采集到的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)在Microsoft Visual Studio 2008 開(kāi)發(fā)平臺(tái)下采用VC++編程語(yǔ)言進(jìn)行軟件編寫(xiě)，變頻器通過(guò)微軟公司提供的MSCOMM 串口通信控件遵循MODBUS－RTU 通信協(xié)議與工控機(jī)連接，在工控機(jī)上直接操控變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的操控，軟件設(shè)計(jì)流程如圖3 所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig 3 Flow chart of software design

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以寧波南車(chē)時(shí)代傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)的TQG19 型霍爾速度傳感器作為待測(cè)設(shè)備進(jìn)行30，60，80km/h 測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1 所示，波形圖如圖4 所示。

TQG19 合格脈沖占空比為50%±20%，從表中數(shù)據(jù)和波形圖可以看出:當(dāng)速度為3 0 km/h 時(shí)，對(duì)應(yīng)周期為3.555 ms，當(dāng)速度翻50%變?yōu)?0 km/h，對(duì)應(yīng)周期為1.775 ms，幾乎正好是30 km/h 所對(duì)應(yīng)周期3.555 ms 的50%，該系統(tǒng)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)精度高，占空比穩(wěn)定在50%左右，說(shuō)明該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，證明了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)需求。

表1 TQG19 速度傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)表Tab 1 Test data table of TQG19 speed sensor

圖4 TQG19 波形圖Fig 4 Waveform diagram of TQG19

4 結(jié)束語(yǔ)

該新型地鐵速度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，操作簡(jiǎn)便，電機(jī)轉(zhuǎn)速控制范圍寬，并且能夠在工控機(jī)上遠(yuǎn)程操控電機(jī)，可以讓檢測(cè)人員不必在條件惡劣的現(xiàn)場(chǎng)去手動(dòng)操控變頻器來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，降低了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員危險(xiǎn)。能夠在一臺(tái)試驗(yàn)臺(tái)上實(shí)現(xiàn)光電式和霍爾式兩種不同工作方式的速度傳感器的檢測(cè)，對(duì)于不同地鐵集團(tuán)使用的地鐵輪徑值不同，不需要改變硬件結(jié)構(gòu)，只需要在軟件中配置輪徑值，就可以用于不同地鐵集團(tuán)。該檢測(cè)系統(tǒng)目前已經(jīng)在長(zhǎng)沙軌道交通集團(tuán)投入使用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，并且操作方便，大大提高了生產(chǎn)效率，顯示出了很好的應(yīng)用前景。

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