速度傳感器采集電路設(shè)計

馬春浩 李鵬飛

（1.中車青島四方車輛研究所有限公司制動事業(yè)部，山東 青島 266031；2.青島地鐵集團有限公司，山東 青島 266031）

1 電流型速度傳感器信號采集電路

電流型速度傳感器是有源型速度傳感器，需要防滑控制主機給速度傳感器提供DC15 V 電源。速度傳感器的輸出頻率為0 kHz～12 kHz，測量速度為0 km/h～600 km/h，能夠滿足城軌、機車、客車以及動車組等軌道交通列車的使用需求，是軌道交通行業(yè)應(yīng)用最廣泛的速度傳感器，其具有以下5 個優(yōu)點：1） 能檢測零速度和超低頻。2） 輸出信號的電壓幅度不隨頻率的變化而改變。3） 信號可以直接接到大多數(shù)電子電路上。4） 抗干擾能力強。5） 構(gòu)造簡單、堅固、體積小且耐沖擊。

電流型速度傳感器的工作原理也決定了它的缺點：1）不能單獨工作，需要配備一個電流信號激發(fā)設(shè)備。2）傳感器與后續(xù)電路進行連接時，如果輸出電壓過低，則需要多次使用信號放大器進行的逐級放大。3）鑒于其傳感器的輸出特性，實測的數(shù)據(jù)與真實的數(shù)據(jù)存在一定的誤差。

速度傳感器產(chǎn)生恒常的、高低不一的瞬態(tài)電脈沖（通常低電頻信號為7 mA，高電頻信號為14 mA），以表示ON/OFF狀態(tài)，傳感器輸出的曲線如圖1 所示。

圖1 電流型速度傳感器輸出特性曲線

在設(shè)計采樣電路時，先通過采樣電阻將電流脈沖信號轉(zhuǎn)換成電壓脈沖，經(jīng)過RC 濾波器后再進入比較器。電流脈沖信號轉(zhuǎn)換成電壓脈沖的原因為是比較器是將一個模擬電壓信號與一個基準電壓進行比較的電路。取其較大值作為比較器激活信號，如果模擬電壓信號比基準電壓信號大，則輸出為二進制信號的1，即通路或輸出高電位，反之則輸出為0 或低電位。在選擇比較器時，選用遲滯比較器。與單限比較器相比，遲滯比較器具有滯回特性、抗干擾能力強的特點，遲滯比較器具有2 個參考電平作為觸發(fā)電平（即和）。當輸入電壓值低于時，比較器將會輸出低電平；當輸入電壓值超出時，比較器將會輸出高電平；當輸入電壓值為～時，此時輸出結(jié)果將保持原有輸出不變。其電氣原理如圖2 所示。

圖2 遲滯比較器電氣原理圖

由分壓電阻、構(gòu)成正反饋。輸入電壓開始逐漸增加時（圖3），分壓電阻、和輸入電壓的增幅規(guī)律是一致的，在分壓電阻R處的電壓超過同相閾值之前， 輸出將一直保持為，如公式（1）所示。

圖3 遲滯比較器輸出波形

在閾值點，反相端輸入電壓大于同相端的輸入電壓，輸出電壓迅速從跳變?yōu)?。輸出保持為低電平，直到輸入?jīng)過新的閾值點5 ，這時同相輸入電壓高于反相輸入電壓，輸出電壓迅速跳變回。

如公式（2）所示。

式中：、為比較器的輸出電壓，單位為V；、為比較器的閾值。

遲滯比較器可以解決輸入信號的波動或噪聲導(dǎo)致誤觸發(fā)的問題。遲滯比較器將分壓電阻R處的電壓（其電壓增幅規(guī)律與輸入電壓一致）與基準電壓、進行比較，消除了因電流瞬變而導(dǎo)致的錯誤，同時，電壓的在遲滯比較器的和之間形成遲滯區(qū)間，遲滯區(qū)間會促使輸入波形噪聲和毛刺多次穿越臨界電壓，但是即便如此，仍可保證輸出信號的穩(wěn)定性。另外，遲滯區(qū)間區(qū)間值的大小會嚴重影響其抑制能力，區(qū)間越大其對噪聲的抑制能力越強，反之會越弱。當任何小于2的干擾或噪聲都不會引起輸出變化，提高了電路的抗干擾能力。但這種情況很容易形成一種遲滯區(qū)間越大越好的假象，易產(chǎn)生觸發(fā)遲鈍，即會造成對信號的變化不靈敏的情況。

不靈敏的表現(xiàn)為遲鈍和不動作，例如當輸入電壓在R處的電壓分量達到2或者是2時，輸出電壓才會發(fā)生變化。

速度信號采集電路設(shè)自檢功能，在速度信號超范圍后報故障，故障信號通過光耦隔芯片對內(nèi)外電路進行隔離處理后傳送到CPU。自檢電路電氣原理如圖4 所示。

圖4 故障電路設(shè)計原理

電流頻率信號經(jīng)過采樣電阻后轉(zhuǎn)換為電壓脈沖信號，再進入由2 個比較器組成的窗口比較器，參考電平經(jīng)過電阻分壓后作為窗口比較器的閾值。

當速度信號正常時，2 個比較器同時輸出高電平。當速度信號超出正常范圍后，一個比較器輸出低電平，在與另一個比較器輸出的高電平進行比較后，輸出低電平。同樣通過光耦的隔離及電平轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過與非門的進一步整形后輸入CPU，CPU 檢測出速度信號超范圍后報故障并顯示。

電流型速度傳感器采集電路原理如圖5 所示，速度傳感器感受速度產(chǎn)生7 mA 或14 mA 的速度信號經(jīng)過采樣電阻后轉(zhuǎn)換為0.77 V 或1.54 V 的電壓信號，經(jīng)過RC 濾波器后進入滯回比較器，與滯回比較器的基準電壓、進行比較，從而決定輸出電壓為高電平的24 V 或者0 V，滯回比較器的輸出電壓進入光耦隔離后送出并轉(zhuǎn)換為電壓為0 V 或者5 V的頻率信號，經(jīng)過與非門后進入CPU 進行頻率計算。

圖5 電流型速度傳感器采集電路原理圖

自檢電路負責速度信號的故障判斷，當速度信號低于7 mA 或高于14 mA 時，給CPU 輸出故障信號。

電流型速度傳感器內(nèi)部具有電源和信號2 根線，信號線同時也是傳感器供電回路的電源負線，頻率信號需要串聯(lián)1個阻值與之相適應(yīng)的采樣電阻，目的是將電流信號轉(zhuǎn)換成一定幅值的電壓信號，從而經(jīng)調(diào)理后輸出TTL 電平的頻率信號，并傳送給處理器。

2 電壓型速度傳感器信號采集電路

電壓型速度傳感器為無源型速度傳感器，采用永磁式電磁感應(yīng)原理，在磁路上設(shè)置線圈，當被測鐵質(zhì)齒輪的齒頂掃過傳感器端頭時，設(shè)置在磁路上的線圈感應(yīng)電勢，輸出正弦波，通過檢測正弦波的頻率達到檢測轉(zhuǎn)速的目的。其優(yōu)點如下：1） 價格低。2） 雙線連接。所用的線可高可低，避免接線誤差，2 根引線短路并不損壞敏感元件。3） 使用壽命長。4） 速度檢測頻率超過20 kHz。

但其缺點也較為明顯：1）采用的是電池感應(yīng)原理，當被測齒輪不能快速運動產(chǎn)生電動勢時，傳感器上的磁路不能產(chǎn)生感應(yīng)正弦波，因此不能用于檢測超低頻或零速度的轉(zhuǎn)速。2） 當轉(zhuǎn)速過高時，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也會過高，輸出正弦波也隨之增高，即輸出信號電壓的幅值隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，轉(zhuǎn)速太高時可能損壞轉(zhuǎn)速計電路。3） 輸出正弦波的斜率隨信號幅度的不同而變化，當幅值過高時，其激增的斜率也越高，存在一定誤差。因此電壓型速度傳感器在軌道交通行業(yè)應(yīng)用較少，其輸出波形如圖6 所示。

圖6 電壓型速度傳感器輸出波形

傳感器輸出頻率與轉(zhuǎn)速成正比，其輸出電壓峰峰值也會隨輸出頻率的提高而增大，在某一時刻可達到最大值300 V，然后逐漸收斂，一直降至電壓最低值（與最高值對稱，為-300 V），再升高-降低，在電壓高峰峰值與低谷最小值之間呈正弦狀態(tài)反復(fù)變化。為了處理該高電壓信號，通過2 個二極管對該信號進行削波，電路如圖7 所示。

圖7 削波電路

二極管選用1N4007 整流二極管，最高反向耐壓為1 000.0 V。當輸入電壓低于5.7 V 時，二極管D導(dǎo)通，1 點電壓變?yōu)?.7 V；當輸入電壓低于-0.7 V 時，二極管D導(dǎo)通，1 點電壓變?yōu)?0.7 V。經(jīng)過削波后，1 點電壓波形如圖8 所示。為了防止輸入高電壓對二極管造成損壞，在二極管前端加了1 個功率為2 W 的電阻，以消耗能量。

圖8 削波后速度信號波形

當速度較低（低于1 km/h）時，速度信號幅值較低，峰值低于0.3 V。為了能夠采集低速信號，在對速度信號進行削波后，放大速度信號。選用運算放大器PA340 芯片為輸入、輸出，以增強信號，單電源5 V 供電，輸入電壓范圍為0 V～5 V，輸出電壓范圍為0 V～5 V。簡化后的模擬量放大電路如圖9 所示。

圖9 差分比例放大電路

如公式（3）所示。

式中：、為輸入電壓，V；為輸入電壓，V。

通過配置電阻阻值可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。在放大速度信號后，通過與電流型速度傳感器相同的滯回比較器、光耦進行隔離以及與非門進行整形后，進入CPU。CPU 采集此次脈沖信號的頻率，以計算列車速度。

電壓型速度傳感器輸出信號電壓范圍較大，無法確定其上、下限，因此沒有設(shè)計故障判斷電路。

電壓型速度傳感器采集電路原理如圖10 所示，因為電壓型速度傳感器輸出的正弦波信號峰峰值波動范圍較大，所以先設(shè)計了削波電路，將電壓信號限值為-0.7 V～5.7 V，后端設(shè)計了差分比例放大電路，放大峰值較小的速度信號，通過滯回比較器后輸出0 V 或者24 V 高、低電平，再進入光耦隔離輸出并轉(zhuǎn)換為0V 或者5 V 的電壓頻率信號，經(jīng)過與非門后進入CPU 進行頻率計算。

圖10 電壓型速度傳感器采集電路原理圖

電壓型傳感器的內(nèi)部采集原理一般需要3 根線：電源線、信號線和地線，傳感器與調(diào)理電路共地，信號經(jīng)過調(diào)理，將TTL 電平的頻率信號傳輸給處理器。

3 速度采集電路功能驗證

在完成速度傳感器采集電路的設(shè)計工作后，分別制成電流型速度傳感器采集電路板及電壓型速度傳感器采集電路板，在實驗室對其功能進行測試，測試工裝包括電機、測速齒盤、電流型及電壓型速度傳感器和速度信號采集板。

電機控制器控制電機按照一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，電機帶動測速齒盤轉(zhuǎn)動，速度傳感器采集電路對采集的速度信號進行處理并傳輸給CPU，CPU 計算轉(zhuǎn)速后，通過CAN 總線發(fā)送到上位機進行顯示，將計算的轉(zhuǎn)速與控制電機的轉(zhuǎn)速進行對比，判斷速度傳感器采集電路的功能及精度。

該文對上述2 種傳感器采集電路板進行性能和精度分析，依次在不同速度量程下實測不同速度值，通過采用數(shù)學(xué)評價的方法，選取平均值、方差依次研究分析其準確性和精度，詳細數(shù)據(jù)如下。

數(shù)據(jù)分析：由上述量表數(shù)據(jù)分析可知，當測量數(shù)據(jù)為2 500 r/min～5 500 r/min 時，實際測量值與電機實際轉(zhuǎn)速最接近，其準確率也高，在這段測量范圍內(nèi)，電壓型速度傳感器采集電路板比電流型速度傳感器采集電路板更接近實際值，即前者的精度比后者更高。

由上述數(shù)據(jù)的平均方差可知，S2 電流型速度傳感器＞S2電壓型速度傳感器，即在數(shù)據(jù)置信度足夠時，電壓型速度傳感器采集電路板的測量誤差比電流型速度傳感器采集電路板更低，數(shù)據(jù)收斂程度更高。

經(jīng)過測試，2 種速度采集電路都能夠采集電流型速度傳感器及電壓型速度傳感器產(chǎn)生的速度信號，CPU 采集速度信號精度小于或等于0.1%，滿足防滑控制主機系統(tǒng)的要求。

分別將2 種速度采集電路與防滑系統(tǒng)一起進行絕緣耐壓、電磁兼容以及高低溫等一系列地面型式試驗，試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果均符合鐵路相關(guān)標準要求。

4 結(jié)語

該文研究了電流型速度傳感器及電壓型速度傳感器的工作原理，針對兩者輸出速度信號的特點，分別設(shè)計了2 種速度采集電路，使用科學(xué)的數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)分析其在速度測量方面的性能，結(jié)果顯示，2 種速度采集電路均能滿足鐵路列車防滑系統(tǒng)的使用要求。速度傳感器的采集電路在地鐵車輛上已然進行裝車運用，并已在城軌、客車以及動車組等軌道交通列車上實現(xiàn)了批量應(yīng)用。

表1 電壓型速度傳感器采集電路板數(shù)據(jù)

表2 電流型速度傳感器采集電路板數(shù)據(jù)