高速軌道檢測系統精確控制技術

■ 李穎 魏世斌

軌道檢測系統經過多年的開發和應用，已經成為檢查軌道病害、指導線路養護維修、保障行車安全的重要手段。列車正常運行時有加速、減速和恒速3個狀態，軌道檢測系統必須能夠剔除列車運行速度變化對測量結果的影響，實現方式采用空間采樣信號。目前，高速軌道檢測系統按0.25 m對傳感器進行一次數據采集，這樣列車運行速度的變化不會對檢測結果產生影響。適應高速軌道檢測、實現等距離精確采樣和控制是檢測中的關鍵技術難點。

1 軌道檢測系統距離采樣原理

為實現等距離空間采樣，在列車軸頭安裝光電編碼器，通過其采集脈沖（見圖1）。編碼器轉動一周輸出固定的脈沖個數。通過速度與距離和脈沖的關系可測算光電編碼器的脈沖數量，并獲得等距離值。若光電編碼器轉動一周輸出脈沖數為M，設車輪直徑D（單位：m），則距離為L（單位：m）等距離采樣時需要計算的脈沖數δ為：

軌道檢測系統中使用M=5 000轉光電編碼器，按照空間等距離L=0.25 m采集一次數據，無論列車以怎樣的速度運行，只要準確計量列車運行0.25 m光電編碼器產生的脈沖數δ，然后對傳感器進行一次數據采集，經過合成計算即可得到采樣位置的軌道幾何參數。列車高速運行時，脈沖數頻率大大提高，準確計算脈沖數、不產生丟失現象是重點研究的問題。

2 軌道檢測脈沖計數方法

隨著計算機的普及和應用，由計算機及其外圍接口插卡組成的應用系統廣泛應用。檢測列車速度和位置時采用光電碼器與脈沖信號采集計數器卡相結合方式。在控制系統中，一般將碼盤信號經光電隔離后送入信號采集卡進行處理，采集及處理的過程對系統具有重要影響。實時計算機系統中，采用的計數器卡是一塊通用的具有計數器/定時器和I/O功能的插卡，可用于各種信號采集和數字輸入輸出口的控制系統。采用PCI總線的4軸正交解碼器和計數器卡含有4個32-bit正交A、B相編碼計數器，帶多范圍時基選擇器的8-bit 定時器及4個隔離數字量輸入和輸出。

脈沖計數器卡每個通道都有一個增量編碼器的解碼電路，輸入類型是單端或差分。正交輸入是有索引和無索引的線性或旋轉編碼器信號，電編碼器采用A相與B相相位差90°對脈沖計數（見圖2）。

最大正交輸入頻率為2 MHz，計數器模式下的最大輸入頻率為8 MHz，可對每個計數器進行單獨置成A/B正交信號模式、脈沖/方向信號模式或正/反脈沖信號模式。每個通道都可接收數字量輸入，并作為旋轉編碼器的索引信號輸入或線性編碼器的原點感應開關信號輸入。在使用特定的數字量輸入口、計數器正向溢出/反向溢出、高于/低于比較值或設定時間間隔產生中斷時，脈沖計數器卡可向計算機系統發出中斷信號。在0.02～51 s內，計數器可對用戶設定任何時間間隔連續產生中斷。通過中斷能夠監測到檢測系統的運行速度。

3 軌道檢測同步采集控制

圖1 光電編碼器脈沖采集

在高速軌道檢測系統中，列車上安裝了很多傳感器，還有激光攝像圖像處理系統，數據同步采集是重點研究的問題。經過大量研究與實驗，以及多年的應用經驗，采用脈沖計數器卡，其可提供4個數字量輸出通道，每個通道可接收平常TTL輸出的數字量輸出。當脈沖數記錄到δ個時，實時數據處理計算機向激光攝像計算機發出高電平信號，接收信號后，激光攝像計算機向數據處理計算機發送經過計算后的單邊軌距數據，以供實時數據處理計算機進行合成計算。同時，數據處理計算機對在AD采集卡上獲取的數據進行一次采集，通過脈沖計數值達到δ個，將采集的所有數據信息進行合成，達到整個系統數據采集同步控制（見圖3）。

在通常脈沖計數法中，計數器在閘門時間內對信號脈沖進行計數。普通脈沖計數器只能輸出整數脈沖，測量出的脈沖信號頻率存在較大的量化誤差（±1）。降低脈沖計數量化誤差的途徑主要有測周期法、鎖相環技術及脈沖零頭計數技術等方法。測周期法和鎖相環技術不能從根本上消除脈沖計數的±1誤差；測出脈沖零頭數Δnq，i和Δnq，i＋1，即可避免±1誤差，降低脈沖計數的量化誤差。

通過高精度高頻率的時鐘信號，測量脈沖零頭所持續的時間δτ，并與待測脈沖周期τx進行比對，估算脈沖零頭：

測量時間δτ為測量該段時間內時鐘信號的脈沖個數。為滿足實時性要求，通過計數器脈沖和時鐘信號控制累加器與寄存器以實現計數目的。用光電編碼器脈沖的上升沿觸發累加器A，即在每個光電編碼器脈沖A相與B相相差90°的情況下觸發累加器加1，用時鐘信號的上升沿觸發累加器B，累加器A和B在計數滿值（溢出）時自動清零，重新開始計數，如此循環不斷。脈沖計數誤差消除方法見圖4，圖中第i個（i=1、2…N，N為自然數）閘門的累加器數值Ai、B1，i、B2，i、B3，i和第i+1個閘門的累加器數值Ai＋1、B1，i＋1、B2，i＋1、B3，i＋1為待測脈沖。測量脈沖零頭持續時間δτ為測量該段時間內已知頻率的時鐘脈沖個數，即該段時間起點和終點的累加器B計數值之差。測量待測脈沖周期τx為測量陀螺信號相鄰2個脈沖之間的時鐘脈沖個數，即相鄰2個陀螺脈沖處累加器B計數值之差。在第i個閘門的脈沖零頭為：

第i+1個閘門的脈沖零頭為：

第i到第i+1個閘門脈沖的計數值為：

在列車高速運行條件下，采用脈沖數精準技術對光電編碼器脈沖準確計數，實現同步采樣控制。

圖2 光電編碼器對脈沖計數

圖3 數據采集同步控制

圖4 脈沖計數誤差消除方法

4 結束語

高速軌道檢測系統精確控制技術是檢測系統中的重要環節之一，脈沖計數準確和同步控制方法需要不斷改進和提升。采用脈沖計數誤差消除方法可精確實時測量光電編碼器輸出的脈沖數，并同步控制時鐘信號，穩定實現計數功能，提高軌道檢測系統性能。

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