多極磁環軸端霍爾轉速傳感器的研制

周志強　中國鐵路上海局集團有限公司電務處

1 設計思路

速度傳感器安裝在機車、車輛上，用于LKJ車載系統、機車控制系統、車輛防滑及軸承監測報警裝置的速度信號采集。光電轉速傳感器作為軸端安裝的速度傳感器，在鐵路機車、車輛上有著廣泛的應用。光電轉速傳感器安裝在機車、車輛的軸箱上，傳感器與輪軸傳動接口采用方形連接孔，互換、安裝比較方便。但在實際應用中存在一些問題，相對于目前應用的霍爾轉速傳感器而言，產品壽命短，使用維護成本高。霍爾傳感器采用非接觸式磁感應技術，通常采用傳感器+測速齒輪方式。測速齒輪安裝在需要測速的傳動軸上，霍爾傳感器安裝在測速齒輪頂面，通過感應齒頂、齒根不同的磁場強度，輸出與輪軸速度成線性比例的方波信號。此次研發的主要任務是設計一種能與光電傳感器安裝方式兼容的軸端霍爾傳感器，如果采用霍爾傳感器+測速齒輪方式計算：

按照每轉200脈沖，測速齒輪齒數=200，按模數=2計算，測速齒輪外徑達到404mm，軸端無法實現；

如果按照每轉72脈沖，測速齒輪齒數=72，按模數=2計算，測速齒輪外徑=148mm,按照現有的軸端光電傳感器的安裝方式，也是不能實現的。

因此，我們確定采用“多極磁環+霍爾感應電路”的一體化傳感器方式，考慮到每轉200脈沖傳感器的多級磁環研制難度最大，最后確定，軸端霍爾轉速傳感器每轉輸出200脈沖，其他不同脈沖數（72、80）的產品通過更換多極磁環實現。多極磁環軸端霍爾轉速傳感器采用霍爾技術，應用非接觸式磁感應原理，解決了光電速度傳感器應用中存在的參數漂移問題，有效降低了機械磨損對設備參數的影響，極大的延長了設備的使用壽命，降低了傳感器全壽命期的運營管理成本。傳感器采用軸端安裝方式，安裝結構、電氣連接方式與光電傳感器相同，能直接替換光電轉速傳感器。

多極磁環軸端霍爾轉速傳感器采用電流環監測技術，當傳感器出現電纜短路或通道短路故障時，監測電路能自動切斷故障通道供電，隔離短路通道，維持對非故障通道的供電，確保速度信號的正常輸出，提升車載速度系統的可靠性，降低速度傳感器通道故障對運輸安全的影響。

2 功能實現

2.1 應用范圍

多極磁環軸端霍爾轉速傳感器可用于機車ATP/LKJ車載系統、機車控制系統、車輛防滑及軸承監測報警裝置的速度信號采集。在車載LKJ系統中，速度信號是車載系統的控制依據，當速度傳感器故障時，車載系統也將轉入故障模式，直接影響列車安全運行。

2.2 主要特點

（1）采用“多極磁環+霍爾感應電路”的一體化傳感器方式，通過霍爾元件在每個磁極通過時產生一個相應的脈沖，傳感器輸出和速度成線性比例的方波信號。

（2）采用模塊化設計，霍爾感應電路分為磁感應電路和霍爾信號處理兩個部分，霍爾磁感應電路采用模塊化封裝方式。

（3）模塊電路采用多電位抗干擾接地方式，提高抗電磁干擾能力。

（4）采用電流環監測技術，當傳感器某一通道出現短路故障或工作電流異常超標時，自動切斷故障通道供電，實現通道隔離。

（5）采用高強度鋁鑄件，關鍵部件采用滲氮處理，提高部件的表面硬度及耐磨性，延長使用壽命。

（6）采用單軸承、雙油封設計方案，提高了安裝精度，保證了速度信號的準確性。

2.3 主要功能

（1）速度信號方波輸出功能。霍爾感應電路整體封裝在銅套內，安裝在殼體內側面，輪軸轉動時，連接軸帶動多極磁環與輪軸同步轉動，安裝在側面的霍爾元件在每個磁極通過時產生一個相應的脈沖，再經過波形處理及負載調節，輸出和輪軸速度成線性比例的方波信號。

（2）電源極性保護功能。輸入電源接反時，傳感器電路模塊自動截止反向電壓，保護電路模塊；恢復正常電源接入時，電路模塊正常工作。

（3）輸出短路保護功能。傳感器速度信號輸出端對地短路時，電路模塊自動進入限流模式，保護電路模塊；短路消除后，模塊能自動恢復。

（4）過壓防護功能。電源輸入端有過電壓脈沖時，ESD回路瞬間導通，自動抑制過電壓、消除干擾脈沖。

（5）通道短路隔離功能。多極磁環軸端霍爾轉速傳感器采用電流環監測技術，當某一通道出現短路故障或工作電流異常超標時，監測電路能自動切斷故障通道供電，避免影響其他通道的正常工作，確保其他速度通道能正常工作并輸出速度信號。

（6）抗電磁干擾功能。多極磁環軸端霍爾轉速傳感器采用多電位抗干擾接地方式，在傳感器電源負線和外殼之間施加峰峰值為500V,頻率8kHz模擬電磁干擾信號條件下，傳感器每轉脈沖數、占空比、信號幅值，相位差符合要求。

3 系統構成

多極磁環軸端霍爾轉速傳感器由器座組件、連接電纜及電連接器組成，器座組件由機械結構及電路模塊兩部分組成。

機械結構部分主要由鑄鋁器座、端蓋、萬向聯軸器、高速軸承、多極磁環及安裝軸組成。

電路部分主要由電源輸入電路、霍爾感應電路、波形處理、負載調節、輸出保護、電流檢測及故障隔離電路組成。

多極磁環軸端霍爾轉速傳感器電路結構技術框圖見圖1。

圖1 傳感器電路結構框圖

傳感器電連接器采用JL5型航空連接器，方便與車載電纜的連接。

傳感器電路采用整體灌封，密封性能好，絕緣強度高；電流檢測-故障隔離電路模塊封裝在JL5連接器的連體尾部，對傳感器電路模塊及連接電纜進行短路防護隔離。

4 原理概述

4.1 機械結構原理

多極磁環軸端霍爾轉速傳感器采用高強度鑄鋁件，所用部件均采用數控設備加工，各部件加工后進行金屬熱處理，提高部件強度及耐用性，主要部件采用滲氮處理，提高部件表面硬度和耐磨性，提高了加工、安裝精度，確保了速度方波的一致性和準確度。

傳感器轉動部分采用高速雙列角接觸球軸承，極限轉速高、徑向載荷大，解決了單列雙軸承結構由于軸承配對不良造成的同心度偏差，保證了產品精度。

傳感器傳動部分采用萬向聯軸器連接，能克服安裝不同心及驅動間隙造成的運行故障。

為了提高傳感器防水防油密封性能，軸端霍爾轉速傳感器采用雙油封結構，解決了安裝端面的防水防塵問題，提高了軸承的潤滑性能，保證了速度信號的精度（見圖2）。

圖2 高速軸承剖面結構圖

4.2 電路工作原理

傳感器電路模塊采用整體灌封，提高了密封性及絕緣性能。霍爾感應電路封裝在銅套內，抗電磁干擾效果好，也方便安裝調試。考慮到傳感器在高速轉動及振動環境下長期工作，選用高可靠性高速軸承，使用壽命期內免維護，提高了設備運行可靠性。

模塊電路主要完成磁電轉換及速度信號方波輸出。輪軸轉動時，通過霍爾效應芯片感應環形磁環磁極，經磁電轉換及波形處理后輸出與速度成線性比例的方波信號（見圖3）。

圖3 傳感器（四通道）波形圖

傳感器電路模塊主要由電源電路、霍爾感應電路、霍爾信號處理電路及抗干擾電路組成。

電源電路主要由極性保護電路、過壓保護電路、ESD保護電路、穩壓電路組成。

霍爾感應電路主要由恒壓驅動電路及霍爾效應芯片組成。

霍爾信號處理電路主要由波形處理電路、負載調節、輸出保護電路組成（見圖4）。

圖4 霍爾磁感應等效電原理圖

為了提高模塊電路的抗干擾能力，模塊電路采用多電位抗干擾接地方式，較好的解決了各回路間的“竄擾”處理問題，實現各功能回路間的電磁干擾濾波抑制，提高了抗電磁干擾能力。

4.3 電流檢測--故障隔離電路原理

傳感器電流檢測-故障隔離電路模塊封裝在電連接器的連體尾部。當傳感器某一速度通道出現短路故障或工作電流異常超標時，模塊電路自動切斷該通道供電，避免由于短路或電流異常造成LKJ供電側過流保護，從而停止傳感器供電，使無故障通道不能得電工作的問題。

故障通道隔離后，模塊電路切除該通道的供電，使LKJ供電側負載恢復正常，從而使無故障速度通道恢復正常工作，并輸出速度信號，確保車載LKJ系統的正常運行。傳感器電流檢測-故障隔離電路由環路電流檢測、電流值比較、隔離控制和通道斷開電路組成（見圖5）。

各單元電路功能：（1）環路檢測單元：實現傳感器各通道的工作電流檢測。（2）電流值比較單元：通道電流與設定最大電流（短路電流）進行比對控制。

（3）隔離控制：通道電流超限時，輸出控制信號。

（4）通道斷開單元：隔離故障通道，切斷供電。

圖5 電流檢測-故障隔離電路原理框圖

5 結束語

研制開發的多極磁環軸端霍爾轉速傳感器，采用磁感應霍爾技術提高傳感器使用壽命，降低常態機械磨損對傳感器參數的影響，提高傳感器全壽命期技術參數的一致性，降低使用成本、提高運營管理效率，同時實現傳感器通道短路故障的自動隔離，進一步提升速度傳感器的抗干擾能力和運行可靠性。通過更換多極磁環，可以實現不同脈沖數的速度方波信號輸出，提升了產品使用價值，擴展了更多應用領域。進一步促進了車載設備整體質量，更好地保障了行車安全。

[1]LKJ列控技術與應用[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

[2]傳感器原理及應用[M].北京：清華大學出版社，2008.