車(chē)載測(cè)速電機(jī)檢測(cè)方法研究

李小朋，汪 彧，薛 超，劉 明

（1.北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司通信信號(hào)分公司，北京 100082；2.北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司技術(shù)創(chuàng)新研究院分公司，北京 100082；3.北京和安易誠(chéng)通訊技術(shù)有限公司，北京 100020）

1 概述

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程以及城市的不斷擴(kuò)大，城市的交通擁堵不斷加劇。城市軌道交通的高運(yùn)力以及快捷在疏解城市交通擁堵、提高交通運(yùn)行效率方面起著非常重要的作用。隨著城市軌道交通總里程的不斷增加和車(chē)輛運(yùn)行密度的不斷提升，車(chē)輛的數(shù)量也在不斷增加，如何提高車(chē)輛的維護(hù)效率是一個(gè)重要問(wèn)題。

車(chē)輛的信號(hào)系統(tǒng)是車(chē)輛安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。例如，在目前北京地鐵車(chē)輛的信號(hào)系統(tǒng)中，設(shè)備所用的板卡均可裝車(chē)前在BTE 等離線(xiàn)設(shè)備上對(duì)其進(jìn)行離線(xiàn)測(cè)試，待測(cè)試通過(guò)后再行裝車(chē)。離線(xiàn)測(cè)試設(shè)備的使用避免了故障板卡被誤裝上車(chē)的可能，提高了設(shè)備維護(hù)的效率。

車(chē)載測(cè)速電機(jī)作為為車(chē)輛信號(hào)系統(tǒng)提供車(chē)輛運(yùn)行方向、速度以及精確定位等車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)的重要傳感器[1]，由于其在使用中直接與車(chē)輛的軸頸做固定連接，從而導(dǎo)致車(chē)載測(cè)速電機(jī)長(zhǎng)期工作在震動(dòng)、高低溫以及潮濕的環(huán)境中。目前在北京地鐵中被廣泛使用的哈斯勒車(chē)載測(cè)速電機(jī)，在實(shí)際運(yùn)行中由于潮濕以及高低溫的影響，導(dǎo)致了故障時(shí)有發(fā)生。目前還沒(méi)有一個(gè)可以為車(chē)載測(cè)速電機(jī)提供離線(xiàn)測(cè)試的檢測(cè)設(shè)備。由于測(cè)速電機(jī)的故障只有在車(chē)輛的行駛過(guò)程中才能被發(fā)現(xiàn)，而調(diào)度車(chē)輛對(duì)測(cè)速電機(jī)進(jìn)行測(cè)試需要使用較多的資源，因此迫切需要一個(gè)可以對(duì)車(chē)載測(cè)速電機(jī)進(jìn)行離線(xiàn)測(cè)試的設(shè)備，從而避免誤將故障的測(cè)速電機(jī)被安裝，確保安裝上車(chē)的測(cè)速電機(jī)的性能指標(biāo)符合要求。

為此，首先對(duì)北京地鐵目前使用較多的哈斯勒車(chē)載測(cè)速電機(jī)進(jìn)行分析和研究，并完成了樣機(jī)的設(shè)計(jì)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用，取得了較好的效果。

2 車(chē)載測(cè)速電機(jī)的結(jié)構(gòu)

哈斯勒車(chē)載測(cè)速電機(jī)是在北京地鐵中使用較多的測(cè)速電機(jī)。本文將通過(guò)研究哈斯勒車(chē)載測(cè)速電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及對(duì)其性能測(cè)試的不同方法，并結(jié)合在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)中的需求，找到一種適合現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)使用的對(duì)測(cè)速電機(jī)進(jìn)行快速檢測(cè)的方法。

哈斯勒車(chē)載測(cè)速電機(jī)是一種光電速度傳感器。它是由驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)與之固定連接的編碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，由一個(gè)或多個(gè)遠(yuǎn)紅外光電傳感器將編碼盤(pán)上的信息轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)提供給車(chē)輛的信號(hào)系統(tǒng)。遠(yuǎn)紅外光電傳感器被固定在編碼盤(pán)周邊法蘭盤(pán)上，可以通過(guò)調(diào)整法蘭盤(pán)的位置調(diào)整遠(yuǎn)紅外光電傳感器的之間的相對(duì)位置，如圖1 所示。

圖1 哈斯勒車(chē)載測(cè)速電機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of Hasler odometer

遠(yuǎn)紅外光電傳感器可以提供與車(chē)速成正比的脈沖輸出。

編碼盤(pán)與光電傳感器安裝在鋁合金防水外殼中，測(cè)速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)有驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)與驅(qū)動(dòng)叉兩種方式。驅(qū)動(dòng)銷(xiāo)（驅(qū)動(dòng)叉）安裝在測(cè)速電機(jī)的外側(cè)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)內(nèi)測(cè)固定在驅(qū)動(dòng)軸上的編碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)軸由固定在測(cè)速電機(jī)外殼上的軸承提供支撐。

哈斯勒車(chē)載測(cè)速電機(jī)提供了IP68 的防護(hù)等級(jí)。

3 哈斯勒車(chē)載測(cè)速電機(jī)輸出信號(hào)

如圖2 所示，哈斯勒車(chē)載測(cè)速電機(jī)由編碼盤(pán)、遠(yuǎn)紅外發(fā)射器和接收器組成。當(dāng)光線(xiàn)透過(guò)編碼盤(pán)的孔照射到傳感器的接收端時(shí)，測(cè)速電機(jī)輸出低電平，反之則輸出高電平。北京地鐵目前所使用的哈斯勒車(chē)載測(cè)速電機(jī)，依據(jù)不同的信號(hào)系統(tǒng)，其內(nèi)部有2個(gè)或3 個(gè)遠(yuǎn)紅外光電傳感器[2]。

圖2 光電傳感器原理Fig.2 Principles of optical pulse generator

由于本文主要研究關(guān)于哈斯勒車(chē)載測(cè)速電機(jī)的檢測(cè)方法，故其工作原理在這里不做贅述。

哈斯勒車(chē)載測(cè)速電機(jī)輸出信號(hào)的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

3.1 脈沖占空比

光電探頭的占空比的靜態(tài)指標(biāo)（6 kHz 時(shí)）為53%±1%。

對(duì)于有3 個(gè)遠(yuǎn)紅外探頭檢測(cè)編碼盤(pán)時(shí)鐘孔的情形，脈沖占空比允許的最大極限值為±18°；對(duì)于有2 個(gè)遠(yuǎn)紅外探頭檢測(cè)編碼盤(pán)時(shí)鐘孔的情形，脈沖占空比允許的最大極限值為±36°。

3.2 脈沖相位差

如圖3 所示，對(duì)于有3 個(gè)遠(yuǎn)紅外探頭檢測(cè)編碼盤(pán)時(shí)鐘孔的情形：當(dāng)采用的是每圈100 個(gè)時(shí)鐘孔的編碼盤(pán)時(shí)，每100 個(gè)脈沖周期（即測(cè)速電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周），3 個(gè)時(shí)鐘脈沖之間的相位差互為120°，且重疊裕量應(yīng)不小于24°。

圖3 3脈沖輸出相位差Fig.3 Phase setting for three- pulse outputs

對(duì)于有2 個(gè)遠(yuǎn)紅外探頭檢測(cè)編碼盤(pán)時(shí)鐘孔的情形：2 個(gè)時(shí)鐘脈沖之間的相位差互為90°，且重疊裕量應(yīng)不小于18°，如圖4 所示。

圖4 2脈沖輸出相位差Fig.4 Phase setting for two-pulse outputs

4 分析及檢測(cè)測(cè)速電機(jī)的性能指標(biāo)

靜態(tài)元器件的檢測(cè)，如蓄電池內(nèi)阻的檢測(cè)，繼電器勵(lì)磁線(xiàn)圈內(nèi)阻以及繼電器觸點(diǎn)接觸電阻的檢測(cè)等靜態(tài)指標(biāo)的測(cè)量，在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中其狀態(tài)是相對(duì)穩(wěn)定、固定不變的。

車(chē)載測(cè)速電機(jī)的檢測(cè)是動(dòng)態(tài)檢測(cè)，是在車(chē)載測(cè)速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)下進(jìn)行。所有的指標(biāo)參數(shù)因測(cè)速電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)中元器件的不一致性，其輸出的電氣特性指標(biāo)處于不斷變化之中。

針對(duì)車(chē)載測(cè)速電機(jī)指標(biāo)參數(shù)動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，如果仍然采用固定的指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，顯然不符合電機(jī)在實(shí)際工況下的工作狀態(tài)。因此，采用統(tǒng)計(jì)的方法，在一定時(shí)間內(nèi)，例如在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定圈數(shù)內(nèi)，判斷各項(xiàng)性能指標(biāo)是否滿(mǎn)足測(cè)速電機(jī)的性能指標(biāo)要求，能夠更準(zhǔn)確地反映電機(jī)在實(shí)際工況下的工作狀態(tài)。

因此，筆者認(rèn)為，對(duì)于車(chē)載測(cè)速電機(jī)這類(lèi)性能指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化的設(shè)備，應(yīng)該采用統(tǒng)計(jì)分析的方法對(duì)其性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估及分析。收集在測(cè)試期間測(cè)速電機(jī)輸出的全部信號(hào)，并與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的閾值進(jìn)行逐一分析對(duì)比，從而判斷所測(cè)試測(cè)速電機(jī)的性能指標(biāo)是否符合規(guī)范要求。只有這樣才能充分體現(xiàn)出被測(cè)試的測(cè)速電機(jī)的實(shí)際工況。

5 測(cè)速電機(jī)輸出信號(hào)不同檢測(cè)方法的對(duì)比

5.1 示波器

使用多宗示波器對(duì)哈斯勒車(chē)載測(cè)速電機(jī)的輸出信號(hào)進(jìn)行分析和研究，從而判斷其輸出信號(hào)是否符合技術(shù)規(guī)范的要求。但是使用示波器需要人工干預(yù)，并且由于示波器的采樣同步對(duì)于偽隨機(jī)碼的采樣同步比較困難，特別是當(dāng)車(chē)載測(cè)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的情況下，對(duì)偽隨機(jī)碼的采樣觸發(fā)就變得更加困難。這對(duì)車(chē)載測(cè)速電機(jī)輸出信號(hào)的電氣性能進(jìn)行精確的分析和研究十分不利，并且過(guò)多的人工干預(yù)不能滿(mǎn)足便捷化檢測(cè)的要求。

5.2 邏輯分析儀

采用邏輯分析儀可以很好地解決使用多宗示波器帶來(lái)的過(guò)多人工干預(yù)以及人工分析的問(wèn)題。由于邏輯分析儀可以針對(duì)其輸入的信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的采樣并通過(guò)軟件對(duì)采樣的結(jié)果進(jìn)行邏輯分析。這就首先解決人工使用示波器需要人工干預(yù)的問(wèn)題，同時(shí)由于使用了邏輯分析儀對(duì)車(chē)載測(cè)速電機(jī)的輸出信號(hào)進(jìn)行采樣與記錄，就可以對(duì)車(chē)載測(cè)速電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速（模擬不同車(chē)速）下的性能進(jìn)行分析。可以使用軟件對(duì)邏輯分析儀的采樣結(jié)果進(jìn)行分析。

5.3 信號(hào)采集卡（DAQ）

使用邏輯分析儀只能對(duì)采集的輸入信號(hào)的高低電平的閾值進(jìn)行設(shè)定，不能對(duì)其采集信號(hào)的波形（如信號(hào)的上升沿、下降沿、高底電平的幅度和抖動(dòng)等性能指標(biāo)）進(jìn)行精確的分析。在之前對(duì)哈斯勒車(chē)載測(cè)速電機(jī)的維修實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在很多情況下，由于哈斯勒車(chē)載測(cè)速電機(jī)內(nèi)部的光電探頭長(zhǎng)期工作在惡劣環(huán)境中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)光電探頭的性能指標(biāo)不符合要求而導(dǎo)致測(cè)速電機(jī)故障。而這類(lèi)故障通常是隨機(jī)發(fā)生，這也是有些車(chē)載測(cè)速電機(jī)上車(chē)后不定期報(bào)錯(cuò)的原因之一。

信號(hào)采集卡的使用可以很好地解決上述問(wèn)題，由于信號(hào)采集卡[3]可以通過(guò)軟件對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析[4]，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)速電機(jī)測(cè)試的自動(dòng)化。因此，信號(hào)采集卡在測(cè)速電機(jī)測(cè)試設(shè)備中使用不但可以簡(jiǎn)化測(cè)試過(guò)程，避免人工分析，同時(shí)還可以降低對(duì)使用人員技術(shù)水平的要求，規(guī)避可能發(fā)生的錯(cuò)誤。

為滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作的需要，采用DAQ 加軟件的哈斯勒車(chē)載測(cè)速電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)，如圖5 所示。

圖5 采用信號(hào)采集卡分析Fig.5 Odometer analysis system using DAQ

驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、齒輪減速機(jī)以及驅(qū)動(dòng)控制器組成。驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)車(chē)載測(cè)速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬車(chē)輛行駛。驅(qū)動(dòng)裝置可以在軟件的控制下模擬車(chē)輛不同的行駛速度，且可以模擬車(chē)輛不同的行駛方向。車(chē)載測(cè)速電機(jī)在驅(qū)動(dòng)裝置的控制下輸出信號(hào)至信號(hào)采集設(shè)備。

為保證檢測(cè)平臺(tái)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，檢測(cè)平臺(tái)與測(cè)速電機(jī)的電氣接口[5]能夠完全兼容不同型號(hào)的哈斯勒測(cè)速電機(jī)，同時(shí)符合車(chē)載信號(hào)系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范要求。

信號(hào)采集設(shè)備將實(shí)時(shí)采集[6]車(chē)載測(cè)速電機(jī)的輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器[7]濾除干擾信號(hào)以及抖動(dòng)后，將采集到的信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元對(duì)采集到的信息以及相應(yīng)的脈沖時(shí)間戳進(jìn)行存儲(chǔ)，在后續(xù)的分析軟件模塊中，分別對(duì)采集到的測(cè)速電機(jī)輸出信號(hào)的脈沖波形、占空比以及脈沖的相位差進(jìn)行計(jì)算，并與軟件中預(yù)置的閾值進(jìn)行分析比較。當(dāng)分析結(jié)果在閾值范圍之內(nèi)，則在用戶(hù)UI 中提示測(cè)試結(jié)果正常。反之則提示故障。

為使對(duì)車(chē)載測(cè)速電機(jī)的測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確，輸出的測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)是基于整個(gè)測(cè)試過(guò)程統(tǒng)計(jì)出的數(shù)據(jù)的最大值與最小值如圖6 所示，并且在用戶(hù)UI中提示了對(duì)應(yīng)的測(cè)試結(jié)果的正常值范圍，從而使用戶(hù)能夠?qū)Ρ粶y(cè)的車(chē)載測(cè)速電機(jī)有更準(zhǔn)確的了解。

圖6 基于統(tǒng)計(jì)分析的測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test results based on statistical analysis

通過(guò)軟件開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)控制驅(qū)動(dòng)裝置啟停、轉(zhuǎn)動(dòng)方向以及調(diào)速功能，可以實(shí)現(xiàn)從控制到測(cè)試結(jié)果輸出的一體化UI 設(shè)計(jì)。

6 采用信號(hào)采集卡的優(yōu)點(diǎn)以及軟件的可移植性

通過(guò)采用硬件電路對(duì)測(cè)速電機(jī)的性能進(jìn)行分析，需要針對(duì)不同的測(cè)速電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、成本高、靈活性差。且設(shè)計(jì)定型后無(wú)法在后續(xù)根據(jù)需求增加新的功能。

使用信號(hào)采集卡以及通過(guò)軟件對(duì)測(cè)速電機(jī)的性能進(jìn)行分析，可以避免上述的弊端。信號(hào)采集卡的引入，避免了與不同種類(lèi)測(cè)速電機(jī)輸出信號(hào)之間接口的硬件電路設(shè)計(jì)。由于在分析軟件中采用了模塊化的設(shè)計(jì)，如針對(duì)占空比測(cè)試、相位差測(cè)試以及統(tǒng)計(jì)分析等均是通過(guò)不同的軟件模塊配以相應(yīng)的參數(shù)實(shí)現(xiàn)的。因此，在針對(duì)不同種類(lèi)的測(cè)速電機(jī)以及性能指標(biāo)參數(shù)，通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的軟件模塊即可實(shí)現(xiàn)針對(duì)該種類(lèi)測(cè)速電機(jī)的性能分析。同時(shí)，還可以針對(duì)不同的用戶(hù)需求有針對(duì)性的為用戶(hù)提供新的功能。

7 實(shí)際成果

一個(gè)測(cè)速電機(jī)快速檢測(cè)樣機(jī)已經(jīng)完成從設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的過(guò)程。該樣機(jī)能夠在70 s 左右完成對(duì)哈斯勒車(chē)載測(cè)速電機(jī)的自動(dòng)化測(cè)試。在測(cè)速電機(jī)快速檢測(cè)樣機(jī)中，通過(guò)采用信號(hào)采集卡對(duì)測(cè)速電機(jī)的輸出信號(hào)進(jìn)行采集，并且由于在設(shè)計(jì)中設(shè)置了較大的系統(tǒng)緩沖存儲(chǔ)器，可以對(duì)測(cè)速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)N圈輸出信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)分析軟件通過(guò)對(duì)系統(tǒng)緩存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而可以得到測(cè)速電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)N圈內(nèi)的全部輸出信號(hào)的性能指標(biāo)，在通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析后輸出測(cè)速電機(jī)的每項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中的最大值和最小值，以及指標(biāo)測(cè)試結(jié)果是否超出測(cè)速電機(jī)指標(biāo)的閾值。

由于測(cè)試過(guò)程是基于對(duì)測(cè)速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)多圈輸出信號(hào)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，從而避免了之前通過(guò)示波器對(duì)測(cè)速電機(jī)進(jìn)行故障測(cè)試中出現(xiàn)的測(cè)試準(zhǔn)確性問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)對(duì)在用的測(cè)速電機(jī)的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)有些測(cè)速電機(jī)雖然在信號(hào)系統(tǒng)中可以正常使用，但是其某些輸出信號(hào)的狀態(tài)已經(jīng)處于臨界或超過(guò)測(cè)速電機(jī)性能指標(biāo)的范圍。如在對(duì)某報(bào)告不正常的測(cè)速電機(jī)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，測(cè)速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)50 圈的測(cè)量結(jié)果中，其A、B、C 輸出脈沖占空比超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)最大值的次數(shù)分別達(dá)到1 123、97 和128 次，如表1 所示。經(jīng)過(guò)與相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員的共同分析，認(rèn)為對(duì)于此類(lèi)測(cè)速電機(jī)雖然目前在設(shè)備中可以正常使用，但在設(shè)備維護(hù)中應(yīng)該被列為故障隱患。

表1 占空比統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 Statistics of test results for duty ratio

目前，樣機(jī)已經(jīng)在北京地鐵設(shè)備維護(hù)中投入使用，并取得了良好的效果。

8 總結(jié)

車(chē)載測(cè)速電機(jī)的檢測(cè)是一個(gè)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的檢測(cè)。通過(guò)使用數(shù)據(jù)采集設(shè)備并通過(guò)軟件分析采集到的測(cè)速電機(jī)輸出信息，可以極大地提高測(cè)試的準(zhǔn)確性，并避免通過(guò)人工分析有可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤。數(shù)據(jù)采集設(shè)備在測(cè)速電機(jī)檢測(cè)中的應(yīng)用，為針對(duì)不同廠(chǎng)家型號(hào)的測(cè)速電機(jī)的檢測(cè)提供了方便、可移植的平臺(tái)。同時(shí)，靈活的UI 可以為用戶(hù)提供方便快捷的用戶(hù)體驗(yàn)。