便攜式地鐵車輛速度檢測裝置研究

劉衛華

摘要：為了解決對地鐵機車速度傳感器的檢測校驗問題，本文介紹了便攜式機車速度傳感器檢測儀的研制原理和研制過程。本文設計了一種基于PWM控制技術的直流伺服電機調速控制系統，及相關信號檢測控制系統。

中圖分類號：TL81文獻標識碼：A文章編號：1672-3791(2012)04(a)-0000-00

1 引言

在地鐵機車的運行過程之中，對機車速度進行檢測和控制是整個地鐵運行過程之中非常重要的一個環節。通過將速度傳感器裝在機車的輪對上面，可以方便地獲取機車在運行時的實時速度數據。機車的速度是關系行車安全以及確保列車正常行駛的重要參數，更是對機車的運行狀況進行監控記錄基礎。

2系統整體架構設計

2.1總體架構設計

系統整體架構設計的思路如圖2-1：創建一套轉動裝置并通過電機來驅動，讓速度傳感器在該驅動裝置的帶動下轉動起來，從而使傳感器進入正常的工作狀態之中，對機車的速度進行檢測監控。該驅動部分務必要保證可以在要求的范圍之內對轉速進行調節，還要能夠在一定的轉速穩定下來，保證傳感器在相對穩定的狀態下工作。同時，還要求實現轉速檢測結果的實時顯示，以便工作人員能快速直觀地觀察數據。根據設計的要求，還必須具有存儲數據、上傳數據至上位機等功能。在確保裝置的可行性的基本前提下，在各方應該考慮儀器體積較小、重量較輕輕的方案，這樣可以讓裝置具有良好的便攜性，方便使用。

因為地鐵機車用電全部是110V的直流電，所以系統中電機的驅動部分采用的是110V的直流伺服電機。該電機的速度調節范圍較廣且方式簡單易操作、硬特性良好，可以方便地在需要進行調速的場合應用。

2.2PWM技術原理

PWM技術的原理是通過導通和斷開大功率的半導體部件，將直流電壓轉換為電壓脈沖的序列，并利用對電壓脈沖的寬度或者周期的控制來實現變壓，或者是利用對電壓脈沖的寬度以及脈沖列周期的控制，來實現變頻變壓的一項控制技術。通過對脈沖序列周期進行控制就可以實現對脈沖頻率的控制，通過控制在1個周期內脈沖的寬度（占空比），就可以將輸出的電壓平均值改變，實現調壓功能。

由于被控制的對象為直流電機，因此對電機的轉速進行控制也就意味著對電樞電壓進行控制。 所以PWM的控制任務就簡化為對電壓進行調節，同時又不用進行調頻。雖然在實際的應用中沒有調頻任務，但是PWM信號工作的頻率是一定要確定的，頻率過低會出現電壓波動并導致直流電機出現抖動現象[1]。理論上，頻率越高的電機其轉動越平穩，然而由于受到半導體部件工作頻率的限制，加之當工作頻率到達某一個適當值的時候，電機運轉的狀態就已經非常好了，如果再增加頻率也沒多大意義，而且加大頻率也加重了半導體部件的開關的損耗，對電路本身也是一種負擔。實際的工作頻率通常設定為2KHz。

3硬件設計

3.1電機部分

從技術角度來看，對傳感器進行測試的關鍵是標準轉速的調節，也就是調節電機轉速的問題。本系統選擇PWM技術來實現對電機的調速控制。給定速度的環節由旋轉式的電位器來人為給定，而轉速的負反饋的回路中，用微積分電路來構成速度調節器（ASR），用以對信號進行處理。用電流調節器（ACR）來處理電流的負反饋信號和ASR電路的輸出信號，控制PWM輸入電壓的信號。電流的負反饋信號用串于電機電樞的回路里的電流傳感器來測量的電壓信號，電機的工作電流和它成正比關系。實際上ACR型電路也屬于個微積分型電路。SG3525是專門用于生成PWM波的芯片，它可以產生一定頻率的且占空比受控于輸入電壓的脈寬調制（PYVM）信號，將該信號輸入IGBT專用的控制驅動芯片M57962內， M57962可以產生PWM信號并且直接驅動直流電機的回路中串接的IGBT，它在驅動電機之中的工作原理其實相當于用三極管來實現通斷作用的功能，利用IGBT進行通斷來改變電機兩端的電樞電壓，從而達到讓電機轉動的目的[2]。

電機主軸上安裝有同軸的光柵盤，通過這個光柵盤的轉動可以讓和它連接的光電開關（M0C70T4）開始工作，產生脈沖信號，信號的轉速與頻率成正比關系。該信號經由可將頻率信號轉換成電壓信號的LN12907轉換芯片轉換成電壓信號，該電壓信號亦即轉速反饋的信號。

3.2單片機部分

在該系統中單片機起到了非常關鍵的作用，一方面，單片機在信號的采集與數據的存儲等工作中提供解決了控制核心的問題，另一方面，單片機為整個系統創造出非常友好的工作界面。在系統中單片機的主要作用有以下幾個方面:

? 對電機進行正反轉控制和啟動、停止、暫停控制；

? 采集并計算被檢測到的電機的轉速信號與待檢測的速度傳感器發送的信號；

? 將檢測結果顯示在單色的圖形點陣LCD上；

? 和上位機進行串行通信并傳輸檢測數據；

? 接收系統中由控制開關發出的命令，進行狀態轉換；

本文的設計所采用的單片機，其型號為MCS-51系列的AT-89C-52型單片機。之所以選擇該型號的單片機，其原因主要是因為該單片機內部的RAM的總量是256比特，相比之下，89C-51型單片機中的RAM的總量僅有128比特，串行數據的傳輸過程必將使用到一定數量的內存，52型單片機可以很好地滿足這一要求。

3.38253芯片

為了實現對標準轉速的脈沖信號與來自傳感器的4路脈沖一共5路脈沖信號的同時計數，僅僅依靠52型單片機其自身攜帶的三只計數器是不可能達到要求的。為此，系統使用兩個M8253-2型可編程的計數芯片來充當計數器，這樣就可以實現對前面提及的多達5路的脈沖信號進行檢測的功能。該器件共包含了3個16位的獨立計數器，每一個計數器計數速率都是2MHz。全部工作方式都可以通過軟件編程來實現。8253型計數芯片被廣泛地應用與工業控制領域。

8253-2型計數芯片屬于Intel微機部件，它的連接方式和系統中其他所有的外圍器件一樣，系統將它作為一系列的外圍的1/O口。其中的3個口為計數器，第4個口是針為工作方式的編程提供的控制寄存器。選擇不同的輸入端A0或 Al，用以對口進行選擇。當選擇輸入端為A0時, Al就連接到中央處理器上的A0、Al的地址總線，可以利用現選法將CS信號直接和地址總線連接，或者是和譯碼器輸出端連接。各控制指令字與計數初始值以及計數的輸出值，都是經由D7-DO數據端口和單片機的數據總線實現連接的[3]。8253-2型計數芯片的所有功能都通過系統的編程來確定，中央處理器必須發送1組控制字，將計數芯片的每1個計數器都預置為系統要求的數值和形式。在預置以前，所有計數器其工作方式與計數值以及輸出都是未確定的。

4軟件設計

該系統中的軟件是由兩部分組成的，分別是上位機檢測數據的接收程序與下位機單片機的控制程序，上位機檢測數據接收程序的功能，是采用VB構建一個圖形操作界面，接收來自下位機發的數據并用報表顯示出來，同時保存成EXECEL的文件格式，用于對傳感器的性能進行長期的監測和分析。下位機控制程序的功能，是利用單片機系統硬件平臺對信號進行檢測，將檢測結果顯示在LCD上并將數據保存，完成和上位機的串行通信并接收控制要求，響應要求并完成控制動作。

4.1單片機控制程序[4]

實際上，單片機的全部程序就是一個持續的循環的過程，大循環中包含查詢與判斷以及跳轉指令，利用這些指令用來查詢、判斷控制開關工作狀態，在查詢到了相應狀態以后，利用跳轉指令跳轉程序指令到相應子程序的入口處，從而實現系統某一特定功能。單片機的控制系統的硬件是進行軟件設計的基礎，對于特定硬件需要編寫具體軟件操作。比如，針對特定的芯片的工作原理、口地址、操作模式等為其編寫相應的軟件。

主程序是一個持續進行的循環判斷過程，大循環周期就是一個不斷地進行定時中斷，不斷地循環判斷是否有換向操作，不斷地循環判斷定時1s有沒有到來，然后不斷地將定時清除，再次置零循環，開定時中斷的循環過程。在主程序中，主要是進行LCD初始化的處理，判斷輪徑值并顯示，判斷電機的正反轉并，調用電機的正反轉的子程序的循環過程。所采集的數據的顯示和保存過程，其實是由定時中斷的子程序完成，LCD上實現的數據顯示，也是在由子程序完成數據采集以后，再進行1次LCD顯示的寫操作才實現的。

4.2上位機程序

PC機采用VB編程，具有簡單易學、高效且功能強大等特點。利用VB可以進行面向對象程序設計，事件驅動的編程模式具有良好的結構性，而且支持控件的無限擴增，可以實現非常友好的人機界面。而對于標準串口通信，支持使用功能強大的MSComm通信控件。該通信控件支持設置串行通信數據的發送與接收，可以進行對串口通信信息格式與串口狀態以及協議的設置。該通信屬于標準的10位串口通信，其中有標準數據8位、1位數據起始位、1位停止位。一個通信控件和一個串口對應，能夠設計若干通信控件用來訪問若干通信口。該系統采用VB語言編寫的上位機的數據接收的軟件，可以有效地實現數據顯示和文檔保存等功能。在進入初始化的界面后，進入到接收主界面，單擊“建立連接”后，上位機將握手信號發送給單片機，雙方完成數據通信的連接后進行數據傳輸。完成數據接收后以報表打印和文件保存兩種形式將數據長久保存。

5 結論

本文詳細介紹了研制地鐵機車速度傳感器檢測儀的過程，對檢測儀的結構、功能、原理、實現的依據等方面做了詳細介紹。現在，基于本論文設計的機車速度傳感器校驗儀已進入生產階段，并已應用到國內的地鐵線路上。

參考文獻

[1]. 黃立培.電動機控制[M].清華大學出版社.2003:47~52.

[2]. 劉星平等.基于SG3525控制的可逆直流脈寬調速系統[J].湖南工程學院學報:2002(1)27-30.

[3]. 莫易敏等.機車速度傳感器在線校驗儀的研制[J].測控技術2004:8-13.

[4]. 鄧星鐘主編.機電傳動控制[M].武漢:華中科技大學出版社，2001:112-114.