軌道車輛牽引電機速度傳感器設計與應用

陳 明 魏 婷

（湖南聯誠電氣科技有限公司，湖南 株洲 412000）

1 概述

轉速傳感器主要應用于各種軌道車輛牽引電機測速，為車輛控制系統提供實時的電機轉子的轉速信號，以實現車輛對牽引電機進行控制。目前，車輛牽引電機測速使用的傳感器主要包括磁電式速度傳感器、以釩鐵鈷合金為信號激勵源的速度傳感器、磁阻式速度傳感器和霍爾式速度傳感器。

鑒于霍爾式速度傳感器的優勢，如何設計一種霍爾式速度傳感器，使其結構具有一定的通用性，能夠滿足軌道交通不同型號電機轉速測量要求，并且滿足耐高溫、耐高寒、高防護等級、耐高振動沖擊、抗電磁干擾、耐溫度沖擊等要求，是本文著重需要解決的問題。

2 傳感器結構及設計原理

轉速傳感器輸出的信號頻率與被測轉速成正比，通過測量轉速傳感器輸出信號的頻率便可換算出被測物的轉速。

霍爾式轉速傳感器結構，使用基于霍爾效應的霍爾器件作為敏感器件，霍爾電壓可隨著磁場的變化而變化。霍爾式轉速傳感器就是一種輸出隨磁場的變化而變化的傳感器，當被測旋轉體能給霍爾探頭提供一個周期變化的磁場，那么霍爾器件將輸出一個交替變化的霍爾電壓信號，其基本工作原理如圖1 所示。

圖1 霍爾式轉速傳感器工作原理

如圖2 所示，傳感器的外殼固定于被測體的不動基座上，傳感器探頭正對被測體轉軸、與傳感器配套的導磁齒輪6，安裝間隙為G，在導磁齒輪6 轉動過程中，其輪齒齒頂和齒槽依次掃過霍爾器件5，因霍爾器件5 后面布置了永磁鐵，導磁齒輪6 掃過霍爾器件5 時，透過霍爾器件5 和安裝間隙G 間的磁場將不斷變化，齒頂通過時，磁感應強度變大，齒槽通過時，磁感應強度變小。

霍爾器件5 將感應的循環變化的磁場信號轉換為霍爾電壓信號，這個電壓信號經過信號整形電路3 的處理后，經輸出電纜2 輸出，可得到圖2 右側所示的方波信號，方波信號作為數字信號方便數字電路直接處理，這個信號的頻率與磁場變化的頻率也就是被測體的轉速成正比，通過對信號頻率的檢測就可知被測體的轉速。

圖2 霍爾集成電路傳感系統

3 速度傳感器設計

本文設計了一種用于測量軌道車輛牽引電機轉速、并為車輛控制系統提供車輛運行方向提供判據的霍爾傳感器：

速度傳感器芯片采用兩個相互獨立的霍爾集成電路，霍爾敏感集成電路通過所感應的磁場強度變化（當磁性測速齒輪的齒頂和齒根掃過傳感器探頭時，霍爾敏感集成電路中敏感元件感應到變化的磁場強度）產生電平高低變換的脈沖信號，該脈沖信號頻率與磁性測速齒輪旋轉速度成正比。兩個霍爾集成電路之間錯開一個距離后安裝在定位件上，使兩路脈沖信號之間產生相位差。

3.1 霍爾集成電路設計方案

3.1.1 霍爾集成電路原理

霍爾集成電路由傳感器集成電路（sensor IC）、后偏置磁鐵（back biasing magnet）、可選的極片（optional pole piece，用來優化磁鐵表明磁場分布）和目標齒輪(target gear)組成。

磁鐵的南極在傳感器件的烙印面的前面，北極在后，器件位置的磁場指定為正，而負的磁通密度定義為小于0（代數慣例）。為了感知非磁化的鐵質目標，傳感器件必須后偏置一塊小的永久磁鐵，磁鐵安置于器件的未烙字面。

霍爾集成電路的輸出信號隨鐵質目標（ferrous targets）產生的差動磁場跳變。這種元件能在很大的空氣隙和溫度范圍（-40～150℃）內工作，是理想的基于齒輪輪齒的速度、位置和定時應用的器件。通過組合后偏置磁鐵和合適的組裝技術，就可以使元件在輪齒或齒槽的前緣或（和）后緣產生占空比為50%的跳變。由移動的鐵塊引起的磁鐵表面磁場的變化，被霍爾集成電路內的敏感元件感知，并由芯片內的電子元件差動放大。芯片內的溫度補償和施密特觸發電路使霍爾集成電路在有效的工作氣隙內的漂移最小，在大的溫度范圍的跳變點使這款器件非常適合于嚴酷工業環境下的速度測量應用。

傳感器集成電路工作原理：傳感器集成電路包含兩個霍爾敏感點（E1 和E2）用來感知掃過器件表面的磁場的變化。

當BE1-BE2>BOP時，觸發器使輸出跳變為打開（輸出低電平），當BE1-BE2

圖4 表示具有圖3 所示轉換特性的、帶后偏置磁鐵的傳感器集成電路的輸出狀態與齒輪輪廓和位置的關系。假設一北極偏置配置（與南極面對器件表面相等），齒輪的運動在E1 和E2 位置產生了具有相位差的磁場（圖4(a)）；內部處理電路把E1 和E2 處的磁場相減（圖4(b)）；在處理電路輸出處的施密特觸發器在預先設定的門檻值（BOP和BRP）跳變。如圖所示（圖4(c)），只要E1見到輪齒、E2 面對空氣，集成電路輸出就為低電平；只要E1 見到空氣、E2 見到輪齒，集成電路輸出就為高電平。

圖3 霍爾敏感元件轉換特性

圖4 輸出狀態與齒輪輪廓和位置的關系

3.1.2 本文采用的霍爾集成電路。本文采用的霍爾集成電路元件具備體積小、高度集成設計、檢測間隙大、工作溫度范圍廣、適用電壓范圍大等優點。

根據目標齒輪產生差動磁場信號，霍爾集成電路輸出信號跳變。霍爾敏感元件包含一個復雜的補償電路設計以減少磁鐵和系統失調的不利影響。模擬信號數字處理提供為芯片零速測量提供了可能，且不依賴于檢測氣隙。很多自動設備的目標齒輪會產生磁場異常，閾值滯回特性能夠減小磁場異常導致的不利影響。

該霍爾芯片能在高速和寬廣的溫度范圍內提供固定的占空比，這使其成為理想的傳輸和工業速度應用設備。

霍爾集成電路內部包含自校準的霍爾效應芯片（芯片內擁有兩個霍爾感應點），溫度補償放大器和失調消除電路。該芯片還包含一個電壓調節器，電壓調節器在工作電壓范圍內防止電壓噪聲耦合進來。霍爾傳感器和電子設備利用專有的BiCMOS 工藝，集成在同一硅襯底。由于存在放大器穩定設計和噪聲消除電路，溫度的變化對霍爾芯片的影響及其微弱。

該霍爾集成電路首創的自校準電路包含一個自動增益控制（AGC）電路：在每次通電后，該設備測量磁場信號的峰- 峰值。在霍爾元件額定工作氣隙內，增益自動調節確保霍爾芯片內部信號幅值固定。此特性不受空氣隙影響。

3.2 精密雙路運算放大器選型

霍爾集成電路輸出的方波信號雖然和軌道車輛空襲系統兼容，但由于其自身能夠提供的負載電路較小，無法滿足安裝在速度傳感器后級控制系統計數器消耗電流需求，因此需要在電路中增加精密雙路運算放大器（在后面稱為精密雙路運放）以提供車輛速度回路功耗電流、同時精密雙路運放也可以對和集成電路輸出的方波信號進行改善，有助于系統更好的識別速度傳感器信號。

本文選定的精密雙路運放除具備工作電壓范圍廣（±18）、工作溫度范圍廣（-55℃～125℃）、輸出電流大（最大25mA）、反應速度快（壓擺率≥25V/us）、輸入失調電流小（pA 級）等特點外，還具備以下優點：

按照美軍標MIL-883 進行篩選，極大增加了產品的應用可靠性。

先進的處理工藝和100%檢測保證低輸入失調電壓（3mV）,輸入失調電壓指定為熱態條件，激光切片工藝將輸入失調減少至最大5 uV/℃。

優良的動態響應。0.01%穩定時間為1 us，擁有最小16 V/us 的壓擺率（轉換速率）。

0.1Hz～10Hz，最大4 uV p-p 電壓噪聲。

輸入偏置電流小（即使在熱態條件下）。

3.3 電源反接保護設計

為確保外部電源反接時不損壞電路核心有源元件，利用二極管的單向導電性采用2 個肖特基二極管對核心元件進行反接保護。采用的肖特基二極管為鍺管，正向導通壓降≤0.3V、反向擊穿電壓≥30V，而一般的硅材料二極管的正向導通壓降為0.6～0.7V，采用肖特基二極管能夠有效提高傳感器輸出信號的高電平幅值。

3.4 電磁兼容保護設計

為確保傳感器在機車復雜惡劣的環境下可靠運行、防止浪涌（干擾）造成破壞，在傳感器芯片電源輸入端采用扼流器件和大功率瞬變二極管相配合的設計，確保在浪涌電流經過電源耦合到傳感器上時，保護器件迅速動作（干擾信號持續時間為us 級，動作時間為ns 級、遠比干擾信號迅速）將浪涌電流引到大地而不使傳感器損壞；同樣，當電源電壓升高到30V 后，瞬變二極管迅速導通，使電源短路從而無法施加在芯片后級元件上，形成過壓保護以保證傳感器不被損壞。

從試驗方法可知，干擾脈沖耦合進信號電纜的方式為容性耦合，消除容性耦合的方法是將電纜屏蔽起來、并有效接地，不僅有效防止瞬變電快速脈沖群擾動、同樣對靜電放電抗擾度有效。

3.5 印刷電路板設計

印刷電路板布線是EMC、ESD 保護的一個關鍵要素，設計中我們重點關注以下方面：

3.5.1 電路環路。電流通過感應進入到電路環路，這些環路是封閉的，并具有變化的磁通量。電流的幅度與環路面積成正比。較大的環路包含有較多的磁通量，因而在電路中感應出較強的電流。因此，必須減少環路面積。

最常見的環路，由電源和地線所形成。在可能的條件下，可以采用具有電源及接地層的多層PCB 設計。多層電路板不僅將電源和接地間的回路面積減到最小，而且也減小了EMC、ESD 脈沖產生的高頻EMI 電磁場。

本文采用雙面板，既可以減小環路面積，同時對于插孔元器件而言，由于過孔兩端均有焊盤，能夠有效提高電路板的可靠性。

3.5.2 電路連線長度。長的信號線也可成為接收ESD、EMC 脈沖能量的天線，盡量使用較短信號線可以降低信號線作為接收ESD、EMC 電磁場天線的效率。

設計中我們盡量將互連的器件放在相鄰位置，以減少互連的印制線長度。

3.5.3 地線和電源線。在設計中盡可能使得地線和電源線更寬一些（地線最寬，電源線次之，信號線再次之）以降低布線電阻及其電壓降，可減小寄生電感耦合而產生自激。

3.5.4 過孔。設計中盡量減少過孔數量。過空中存在著寄生電容和寄生電感，寄生電容會延長信號上升時間，降低電路工作速度，寄生電感會削弱旁路電容的作用，減弱整個電源系統的濾波效果。

3.6 整體電路設計

根據以上選定的霍爾集成電路、精密雙路運放和保護元件，得到速度傳感器整體電路原理圖。

傳感器芯片除霍爾集成電路、精密雙路運放外，其余電子元器件均采用貼片封裝，在滿足客戶訂貨技術要求的前提下，最大程度的減小了傳感器芯片的體積，增大了傳感器的內部空間，為提高傳感器的絕緣耐壓能力提供了改進空間。

3.7 定位件設計

根據軌道車輛運行時控制系統要求：兩個霍爾敏感元件的輸出信號相差應為90°。因此在速度傳感器探頭部布置兩個霍爾集成電路，霍爾集成電路之間進行錯位組裝，錯開距離根據霍爾集成電路中2 個敏感點之間距離來決定：一個完整的齒（包括齒頂與齒根）掃過這2 個敏感點時，霍爾集成電路產生一個完整的360°的脈沖輸出信號，2 個敏感點間相距2.23mm。器件間錯位1/4 敏感點距離時，傳感器即能輸出兩路相位差為90°的方波脈沖信號，比如順時針轉時信號一超前信號二90°，那么逆時針轉時信號二超前信號一90°。

為保證霍爾集成電路與電路板保持相對固定，便于傳感器芯片安裝調試，采用定位件來固定霍爾集成電路。定位件可以固定兩個霍爾集成電路，同時使兩個霍爾集成電路錯開0.55mm，確保測速齒輪掃過霍爾集成電路時，兩個霍爾集成電路感應出的脈沖信號之間存在90°相位差。安裝時將兩個霍爾集成電路的引腳通過工裝其折彎90°后依次插入定位件通孔中，使霍爾集成電路感應面與定位件表面保持平齊，再將電路板插入定位件凹槽中，最后依次將兩個霍爾敏感元件的引腳焊在電路板對應孔上。

3.8 絕緣設計

為確保傳感器耐壓性能滿足技術要求，并留有一定裕量，速度傳感器采用內套作為傳感器芯片耐電壓保護結構，其材料為聚醚醚酮（PEEK）。

將傳感器芯片套入內套，使用高導熱環氧樹脂灌封膠將傳感器芯片固化在內套內。通過加裝內套，傳感器工頻耐受電壓可以達到2000V 以上，必要時還可以在內套的基礎上加長絕緣件，使整個電路板全部被絕緣材料包裹，從而使得傳感器工頻耐受電壓達到4000V 以上。

以上為速度傳感器的整體設計思路，其余部件如電纜、防水接頭、絕緣導熱填充材料及各種輔料等可按照從實際運行環境、安裝尺寸進行選型設計，本文不再贅述。

4 速度傳感器應用

傳感器應用安裝，轉速傳感器安裝于牽引電機非傳動端的軸承蓋上（探頭與安裝于牽引電機非傳動端軸端導磁齒輪對齊）。

本文提及的速度傳感器通過了裝車運行考核，目前已經廣泛應用于軌道交流傳動牽引車輛，如HXD1C 型、深度國產化HXD1 型電力機車、各類軌道工程車、地鐵、城際動車項目的牽引電機轉速測量。另外因接口一致，可完全互換軌道牽引裝備早期引進部件上的原進口轉速傳感器，如DJ4 機車牽引電機用轉速傳感器，可解決此類產品進口過程中存在的價格昂貴、采購周期長等問題。