新型地鐵速度傳感器檢測系統(tǒng)設計*

楊豐萍，袁蘆北，鮑丙東，盧 義

(華東交通大學 電氣與電子工程學院，江西 南昌330013)

0 引 言

地鐵速度傳感器的作用十分重要，其性能的好壞，將直接影響地鐵的行車安全和正常運行，因此，為了乘務人員生命財產(chǎn)安全，對地鐵速度傳感器的檢測已成為了必不可少的一個環(huán)節(jié)。不同地鐵公司使用的速度傳感器類型不同，我國地鐵公司主要采用由霍爾式和光電式兩大類速度傳感器。如果采用常規(guī)方法，采用不同設備進行分項測試，存在可靠性差、檢出率低、測試效率低等問題，不利于批量生產(chǎn)［1］。所以，設計一種高效率、高性能、經(jīng)濟方便的新型測試系統(tǒng)是十分必要的［2］。

根據(jù)地鐵公司檢修部門對速度傳感器檢測要求和速度傳感器自身參數(shù)，以工控機、PCI 高速數(shù)據(jù)采集卡、變頻器和伺服電機等作為硬件平臺，以Microsoft Visual Studio 2008作為軟件平臺，本文設計一種能檢測霍爾式和光電式速度傳感器檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有速度傳感器類型選擇、手動檢測、自動檢測、輪徑值設置、波形顯示和歷史數(shù)據(jù)分析等功能，相比較現(xiàn)有的檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在一個臺子上檢測光電式和霍爾式兩種不同類型的速度傳感器。

轉速測量被廣泛應用在自動化生產(chǎn)線、智能機器人、風力水力發(fā)電機、電動車汽車速度測量、伺服電機轉速控制等諸多領域［3］。通過轉速測量可以在小空間內(nèi)進行小角度變化、直線速度、大位移、乃至能量功率的測量計算，最終實現(xiàn)對自動化工業(yè)的實時測量、監(jiān)控和控制［4～7］。該檢測系統(tǒng)用伺服電機的轉動來模擬地鐵的行進，通過變頻器控制電機的轉速來模擬不同時速，將編碼器固定在電機的轉軸上，通過編碼器讀取電機轉速根據(jù)輪徑值換算成地鐵速度作為標準速度，通過PCI 高速數(shù)據(jù)采集卡采集到數(shù)據(jù)換算成速度作為實測速度，通過對比標準速度和實測速度，速度傳感器輸出波形的相位差和占空比來判斷速度傳感器性能的好壞。

1 系統(tǒng)結構

參考多種霍爾轉速傳感器測量系統(tǒng)［8～10］，速度傳感器檢測系統(tǒng)的組成如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖Fig 1 Structure block diagram of system

工控機通過RS—232 轉RS—485 串口輸出十六進制報文形式將頻率脈沖發(fā)送給變頻器，變頻器接收后根據(jù)報文內(nèi)容控制并且驅動電機，再利用安裝在電機同軸上的編碼器將標準速度通過信號調(diào)理模塊調(diào)理成數(shù)據(jù)采集卡能分辨的直流電壓后，傳給PCI 數(shù)據(jù)采集卡;同時，速度傳感器測量電機的轉速作為實測速度通過信號調(diào)理模塊調(diào)理成數(shù)據(jù)采集卡能分辨的直流電壓后，亦傳送給PCI 數(shù)據(jù)采集卡，最后由PCI 數(shù)據(jù)采集卡將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到工控機屏幕顯示出來，通過對比標準速度和實測速度判斷該傳感器性能的是否合格，如果標準速度與實測速度誤差太大，可以通過顯示速度傳感器的波形圖，通過查看占空比和相位差來準確找出傳感器故障原因。

1.1 數(shù)據(jù)采集卡

該方案采用北京中泰工控PCI—8348AJ 高速數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡可以直接通過工控機的PCI 插槽直接與工控機連接。該數(shù)據(jù)采集卡能夠提供8 路最高采樣頻率高達500 kHz 的同步模擬量輸入通道，14 路可編程數(shù)字量輸入輸出。設計時只使用了7 路同步模擬量輸入通道，1 通道作為編碼器信號采集通道;2，3 路分別作為霍爾式速度傳感器的A，B 通道信號采集通道;4，5，6，7 路分別作為光電式速度傳感器的A，B，C，D 通道信號采集通道。

1.2 速度閉環(huán)控制部分

電動機采用三相交流異步電機，可操控性強，在變頻器輸出的PWM 脈沖信號控制下，轉速平穩(wěn)［11］。為了使得系統(tǒng)更加準確可靠，該系統(tǒng)采用了閉環(huán)控制，通過編碼器實時檢測電機轉速并且反饋到數(shù)據(jù)采集卡，然后返回到工控機，通過與工控機設定電機轉速進行對比來保證電機轉速與工控機設定值完全一致，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1.3 變頻器

變頻器選用德國SIEMENS 公司生產(chǎn)的V20 變頻器，該種變頻器結構緊湊、堅固耐用、調(diào)速迅速、操作簡便且經(jīng)濟適用。

1.4 信號調(diào)理模塊

霍爾式速度傳感器工作電源電壓Vcc 為10～20 VDC，標稱電壓為15 VDC，輸出脈沖幅度高電平VH≥0.8 Vcc，低電平VL≤1.0 V;光電式速度傳感器輸出秒沖幅度高電平VH≥9 V，低電平VL≤2.0 V。由于數(shù)據(jù)采集卡只能采集0～10 V 電壓，所以，需要設計一個全波精密整流降壓電路來對交流電壓進行降壓處理，如圖2 所示。S1 是為LM324 供電的±15 V 的開關電源的引腳，S2 是速度傳感器輸出信號的引腳，經(jīng)過全波精密整流并且降壓，得到數(shù)據(jù)采集卡能夠識別的信號。S3 中的1 引腳就是速度傳感器輸出信號經(jīng)過信號調(diào)理模塊調(diào)理之后的模擬信號，通過PCI 數(shù)據(jù)采集卡A/D 轉換就可以輸入到工控機中進行處理。

圖2 調(diào)理模塊電路Fig 2 Conditioning module circuit

2 系統(tǒng)的軟件設計

用戶在使用PCI—8348AJ 高速數(shù)據(jù)采集卡，只需要將其提供的動態(tài)鏈接庫導入到開發(fā)平臺即可，然后調(diào)用動態(tài)鏈接庫提供的函數(shù)接口就可以讀取采集卡采集到的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)在Microsoft Visual Studio 2008 開發(fā)平臺下采用VC++編程語言進行軟件編寫，變頻器通過微軟公司提供的MSCOMM 串口通信控件遵循MODBUS－RTU 通信協(xié)議與工控機連接，在工控機上直接操控變頻器來實現(xiàn)對電機轉速的操控，軟件設計流程如圖3 所示。

圖3 軟件設計流程圖Fig 3 Flow chart of software design

3 實驗驗證

以寧波南車時代傳感技術有限公司生產(chǎn)的TQG19 型霍爾速度傳感器作為待測設備進行30，60，80km/h 測試，測試結果如表1 所示，波形圖如圖4 所示。

TQG19 合格脈沖占空比為50%±20%，從表中數(shù)據(jù)和波形圖可以看出:當速度為3 0 km/h 時，對應周期為3.555 ms，當速度翻50%變?yōu)?0 km/h，對應周期為1.775 ms，幾乎正好是30 km/h 所對應周期3.555 ms 的50%，該系統(tǒng)測試得到的數(shù)據(jù)精度高，占空比穩(wěn)定在50%左右，說明該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，證明了該系統(tǒng)的設計滿足設計需求。

表1 TQG19 速度傳感器測試數(shù)據(jù)表Tab 1 Test data table of TQG19 speed sensor

圖4 TQG19 波形圖Fig 4 Waveform diagram of TQG19

4 結束語

該新型地鐵速度傳感器檢測系統(tǒng)抗干擾能力強，操作簡便，電機轉速控制范圍寬，并且能夠在工控機上遠程操控電機，可以讓檢測人員不必在條件惡劣的現(xiàn)場去手動操控變頻器來改變電機轉速，降低了現(xiàn)場檢測人員危險。能夠在一臺試驗臺上實現(xiàn)光電式和霍爾式兩種不同工作方式的速度傳感器的檢測，對于不同地鐵集團使用的地鐵輪徑值不同，不需要改變硬件結構，只需要在軟件中配置輪徑值，就可以用于不同地鐵集團。該檢測系統(tǒng)目前已經(jīng)在長沙軌道交通集團投入使用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，安全可靠，并且操作方便，大大提高了生產(chǎn)效率，顯示出了很好的應用前景。

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