新型速度傳感器試驗(yàn)臺(tái)研究

楊豐萍，劉 鋒，謝夢(mèng)莎，鄭文奇

（華東交通大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江西 南昌330013）

城市軌道交通以其準(zhǔn)時(shí)、便捷的優(yōu)點(diǎn)普遍受到國(guó)內(nèi)各大城市的青睞，軌道交通車輛使用的速度傳感器可對(duì)車輛行駛速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)并將速度信號(hào)實(shí)時(shí)傳送給車輛控制系統(tǒng)。 一旦速度傳感器出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致?tīng)恳苿?dòng)系統(tǒng)不能正常工作，直接影響軌道交通車輛的正常運(yùn)行[1]。 對(duì)于速度越來(lái)越快的軌道交通車輛，只有準(zhǔn)確掌握車輛的瞬時(shí)速度與當(dāng)前位置，才能確保列車的行車安全和準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)[2]。 因此，軌道交通車輛速度傳感器的定期檢測(cè)已成為一個(gè)重要的車輛檢查項(xiàng)目。

我國(guó)軌道交通車輛常用的速度傳感器主要有光電式、霍爾式、磁電式、離心式這幾種[3]。 趙凱[4]研究了某鐵路機(jī)電有限公司研制的光電速度傳感器試驗(yàn)臺(tái)， 它由大功率步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、TIC-2000 型機(jī)務(wù)檢測(cè)與試驗(yàn)設(shè)備通用控制器和恒流恒壓電源組成。 秦科強(qiáng)[5]主要利用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM），通過(guò)IGBT 控制直流伺服電機(jī)電樞兩端的電壓從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制來(lái)模擬速度傳感器的工作環(huán)境，同時(shí)通過(guò)單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理功能為儀器提供人機(jī)交互界面從而進(jìn)行測(cè)試。 以上兩試驗(yàn)臺(tái)都沒(méi)有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)和調(diào)節(jié)速度的功能，只能夠被動(dòng)的接收速度信號(hào)，對(duì)接收到的速度信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，無(wú)法進(jìn)行動(dòng)態(tài)的模擬測(cè)試。

湯璐詰[6]研制了便攜式霍爾式速度傳感器試驗(yàn)臺(tái)，由直流電機(jī)、DC15 V 電源、DC24 V 電源、PWM 直流控制板、機(jī)械轉(zhuǎn)速裝置等組成，它提供4 種不同的測(cè)試方法，分別為萬(wàn)用表測(cè)試法、示波器測(cè)試法、在線測(cè)試法和離線測(cè)試法。 莊宣哲[7]研制了機(jī)車光電速度傳感器和壓力變送器測(cè)試一體機(jī)，其測(cè)試軟件由工控機(jī)控制軟件、單片機(jī)程序和檢測(cè)數(shù)據(jù)查詢管理軟件組成。工控機(jī)軟件采用LabView 環(huán)境開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server 2000。 袁虎林[8]研制了磁電式速度傳感器試驗(yàn)設(shè)備，其測(cè)試軟件采用LabView 作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，數(shù)據(jù)處理采用Access 數(shù)據(jù)庫(kù)模式。 這些測(cè)試裝置都只能測(cè)試單一型號(hào)的速度傳感器，不具備實(shí)時(shí)輸入輪徑值的功能，檢測(cè)精度也不高，而且大部分采用美國(guó)NI 公司的LabView 作為軟件開(kāi)發(fā)工具，該軟件購(gòu)買費(fèi)用十分昂貴，導(dǎo)致成本過(guò)高，不利于批量生產(chǎn)。

針對(duì)以上不足，根據(jù)兩種型號(hào)速度傳感器自身參數(shù)以及軌道交通檢修部門對(duì)其檢測(cè)要求，以工控機(jī)、變頻器、交流異步電機(jī)、信號(hào)調(diào)理板和高速數(shù)據(jù)采集卡等作為硬件平臺(tái)，以微軟公司的Microsoft Visual Studio 2010 作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用Visual C++編程語(yǔ)言進(jìn)行軟件編寫(xiě)，配合SQL Server 2010 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)一種結(jié)合光電式和霍爾式兩種不同型號(hào)的速度傳感器試驗(yàn)臺(tái)。它采用交流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)模擬機(jī)車的行進(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，通過(guò)軟件手動(dòng)輸入根據(jù)輪徑值換算成機(jī)車速度作為標(biāo)準(zhǔn)速度以及通過(guò)PCI 高速數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)換算成速度作為實(shí)測(cè)速度，最后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)速度和實(shí)測(cè)速度以及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。 相比較之前的試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)能夠使用兩種不同類型的速度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，具有實(shí)時(shí)輸入輪徑值的功能，軟件開(kāi)發(fā)成本低，穩(wěn)定性更好，實(shí)時(shí)性更強(qiáng)，檢測(cè)精度也更高。

1 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)成

新型速度傳感器試驗(yàn)臺(tái)主要由機(jī)械和測(cè)控兩部分構(gòu)成[9]。 機(jī)械部分主要由操作臺(tái)、電機(jī)柜、速度傳感器測(cè)試工裝以及霍爾式速度傳感器測(cè)速齒輪等構(gòu)成。測(cè)控部分主要由控制系統(tǒng)、信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及測(cè)試軟件等構(gòu)成。

1.1 機(jī)械部分

試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械部分分為左右兩個(gè)部分。 左邊部分主要放置工控機(jī)、顯示器、打印機(jī)、變頻器等一些電氣元件；右邊主要放置兩電機(jī)及電機(jī)座、適用于光電式和霍爾式兩種型號(hào)的速度傳感器測(cè)試工裝以及霍爾式速度傳感器測(cè)速齒輪等。 試驗(yàn)臺(tái)外形如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)外形Fig.1 The shape of test bench

1.2 測(cè)控部分

測(cè)控部分主要利用工控機(jī)軟件通過(guò)MODBUS-RTU 協(xié)議操控變頻器控制交流異步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)模擬軌道車輛的行進(jìn)，通過(guò)PCI 高速數(shù)據(jù)采集卡采集速度傳感器的輸出信號(hào)并送至工控機(jī)進(jìn)行分析處理及顯示[10]。

1.2.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要包括主電路和電機(jī)控制電路兩部分。主電路中有2 臺(tái)三相交流異步電機(jī)：M1 為霍爾式傳感電機(jī)，M2 為TQG15 型光電式傳感電機(jī)，由接觸器KM2，KM3 的主觸點(diǎn)控制。 380 V 供電電源經(jīng)由斷路器QF1 連接到接觸器KM1，再接入變頻器，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)控，其主電路如圖2 所示。

對(duì)主電路的控制實(shí)際上是由電機(jī)控制電路來(lái)完成的，電機(jī)控制電路如圖3 所示。 對(duì)電機(jī)控制電路圖做簡(jiǎn)要分析，以選擇TQG15 型光電式傳感電機(jī)為例：

1） SA0 是電機(jī)控制電路電源開(kāi)關(guān)，SB3 是“緊急停止” 按鈕，SB1 是電機(jī)停止按鈕，SB2 是電機(jī)啟動(dòng)按鈕，SA1 是傳感器類型選擇旋鈕。

2） 將“傳感器類型”旋鈕SA1 旋轉(zhuǎn)到KM3 線圈所在支路，閉合電源開(kāi)關(guān)SA0， KM3 常開(kāi)觸頭閉合，常閉觸頭打開(kāi)，形成互鎖以保證同一時(shí)間只啟動(dòng)一個(gè)電機(jī)。

圖2 主電路圖Fig.2 Main circuit diagram

3） 按下電機(jī)啟動(dòng)按鈕SB2，線圈KM1 得電，其常開(kāi)觸頭閉合形成自鎖而持續(xù)得電，電機(jī)電源指示燈被點(diǎn)亮。 主電路中KM1 和KM3 的常開(kāi)觸頭閉合，變頻器得電工作啟動(dòng)電機(jī)M2。

4） 按下電機(jī)停止按鈕SB1，KM1 線圈失電，其常開(kāi)觸頭因失電而斷開(kāi)，自鎖解除，電機(jī)電源指示燈熄滅。 同時(shí)，主電路KM1 常開(kāi)觸頭斷開(kāi)，電機(jī)失電停止旋轉(zhuǎn)。

5） 遇到緊急情況時(shí)，按下“緊急停止”按鈕SB3，整個(gè)電機(jī)控制電路失電，主電路KM1 常開(kāi)觸頭打開(kāi)，電機(jī)失電停止旋轉(zhuǎn)，從而保護(hù)電路避免危險(xiǎn)發(fā)生。

1.2.2 信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)

TQG15 型光電式速度傳感器工作電源電壓Vcc為10～30 VDC，本研究TQG15BL 型工作電壓為24 VDC，輸出脈沖幅度高電平VH≥9 V，低電平VL≤2.0 V；霍爾式速度傳感器工作電源電壓Vcc為10～20 VDC，在本研究中設(shè)定為15 VDC，輸出脈沖幅度高電平VH≥0.8 V，低電平VL≤1.0 V，由于數(shù)據(jù)采集卡只能采集0～5 V電壓，所以，需要設(shè)計(jì)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。 TQG15BL 型光電式速度傳感器使用直流電壓傳感器作為信號(hào)調(diào)理模塊， 該器件采用調(diào)制解調(diào)型隔離原理， 對(duì)其輸出的直流電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并將其變換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓V2輸出，輸出送入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集處理[11]；霍爾式速度傳感器使用交直流電壓傳感器作為信號(hào)調(diào)理模塊，該器件采用線性光電隔離原理，對(duì)其輸出的交直流電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并將其變換為標(biāo)準(zhǔn)的跟蹤電壓Vg輸出，輸出送入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集處理[12]。

1.2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要利用PCI 高速數(shù)據(jù)采集卡采集速度傳感器的模擬信號(hào)， 經(jīng)過(guò)采集卡的A/D 轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳送給工控機(jī)進(jìn)行分析處理顯示[13]。 其數(shù)據(jù)采集和處理流程圖分別如圖4，圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.4 Flow chart of data acquisition

圖5 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.5 Flow chart of data processing

1.2.4 測(cè)試軟件

試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試軟件主要使用Microsoft Visual Studio 2010 軟件開(kāi)發(fā)工具下的VC++開(kāi)發(fā)語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，采用SQL Server 2010 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。 該檢測(cè)軟件具有速度傳感器實(shí)時(shí)波形顯示、檢測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查看和清空、生成打印報(bào)表等功能。 軟件設(shè)計(jì)流程如圖6 所示。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.6 Flow chart of software design

2 試驗(yàn)臺(tái)的功能實(shí)現(xiàn)

2.1 速度測(cè)試

通過(guò)軟件手動(dòng)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)速度以及通過(guò)變頻器來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以一定的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)速度傳感器測(cè)試電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，將實(shí)測(cè)速度與標(biāo)準(zhǔn)速度進(jìn)行對(duì)比來(lái)判斷速度傳感器性能的好壞。不同速度下的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 速度測(cè)試數(shù)據(jù)表Tab.1 Speed test data sheet

從表中可以看出：該試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試精度較高，可以達(dá)到0.2%，滿足實(shí)際檢測(cè)要求。

2.2 波形測(cè)試

高速數(shù)據(jù)采集卡將速度傳感器測(cè)試電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的模擬信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換傳入工控機(jī)，經(jīng)檢測(cè)軟件計(jì)算處理后得出速度傳感器的波形以及信號(hào)周期、占空比和兩路信號(hào)的相位差。

對(duì)TQG15BL 型光電式速度傳感器在10，40，80 km/h 的速度下進(jìn)行測(cè)試， 其占空比分別為51.5%，49.9%，50.1%； 相位差分別為113.5°，100.2°，88.9°。 而TQG15 型光電式速度傳感器合格脈沖占空比是50±20%，合格相位差是90°±45°，由此可見(jiàn)IQG15BL 型光電式速度傳感器性能良好。與此同時(shí)，從波形曲線穩(wěn)定程度上看，試驗(yàn)臺(tái)有效抑制了測(cè)試過(guò)程中的隨機(jī)干擾信號(hào)，穩(wěn)定性和抗干擾性較好。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)的新型速度傳感器試驗(yàn)臺(tái)操作簡(jiǎn)便，抗干擾性強(qiáng)，電機(jī)調(diào)速控制范圍寬，有效提高了檢測(cè)精度；同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了兩種不同類型速度傳感器的多參數(shù)性能檢測(cè)，彌補(bǔ)了之前檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)功能單一性缺陷，提高了檢測(cè)效率，降低了經(jīng)濟(jì)成本。 試驗(yàn)臺(tái)已初步調(diào)試成功，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠。