新型速度傳感器試驗臺研究

楊豐萍，劉 鋒，謝夢莎，鄭文奇

（華東交通大學電氣與自動化工程學院，江西 南昌330013）

城市軌道交通以其準時、便捷的優點普遍受到國內各大城市的青睞，軌道交通車輛使用的速度傳感器可對車輛行駛速度進行監測并將速度信號實時傳送給車輛控制系統。 一旦速度傳感器出現故障，將導致牽引制動系統不能正常工作，直接影響軌道交通車輛的正常運行[1]。 對于速度越來越快的軌道交通車輛，只有準確掌握車輛的瞬時速度與當前位置，才能確保列車的行車安全和準點到達[2]。 因此，軌道交通車輛速度傳感器的定期檢測已成為一個重要的車輛檢查項目。

我國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]研究了某鐵路機電有限公司研制的光電速度傳感器試驗臺， 它由大功率步進電機及其驅動系統、TIC-2000 型機務檢測與試驗設備通用控制器和恒流恒壓電源組成。 秦科強[5]主要利用脈寬調制技術（PWM），通過IGBT 控制直流伺服電機電樞兩端的電壓從而實現電機轉速的控制來模擬速度傳感器的工作環境，同時通過單片機的數據處理功能為儀器提供人機交互界面從而進行測試。 以上兩試驗臺都沒有主動驅動和調節速度的功能，只能夠被動的接收速度信號，對接收到的速度信號進行簡單的處理，無法進行動態的模擬測試。

湯璐詰[6]研制了便攜式霍爾式速度傳感器試驗臺，由直流電機、DC15 V 電源、DC24 V 電源、PWM 直流控制板、機械轉速裝置等組成，它提供4 種不同的測試方法，分別為萬用表測試法、示波器測試法、在線測試法和離線測試法。 莊宣哲[7]研制了機車光電速度傳感器和壓力變送器測試一體機，其測試軟件由工控機控制軟件、單片機程序和檢測數據查詢管理軟件組成。工控機軟件采用LabView 環境開發，數據庫采用SQL Server 2000。 袁虎林[8]研制了磁電式速度傳感器試驗設備，其測試軟件采用LabView 作為開發平臺，數據處理采用Access 數據庫模式。 這些測試裝置都只能測試單一型號的速度傳感器，不具備實時輸入輪徑值的功能，檢測精度也不高，而且大部分采用美國NI 公司的LabView 作為軟件開發工具，該軟件購買費用十分昂貴，導致成本過高，不利于批量生產。

針對以上不足，根據兩種型號速度傳感器自身參數以及軌道交通檢修部門對其檢測要求，以工控機、變頻器、交流異步電機、信號調理板和高速數據采集卡等作為硬件平臺，以微軟公司的Microsoft Visual Studio 2010 作為軟件開發平臺，使用Visual C++編程語言進行軟件編寫，配合SQL Server 2010 數據庫存儲數據，設計一種結合光電式和霍爾式兩種不同型號的速度傳感器試驗臺。它采用交流電機的轉動來模擬機車的行進，通過變頻器控制電機的轉速來模擬不同時速，通過軟件手動輸入根據輪徑值換算成機車速度作為標準速度以及通過PCI 高速數據采集卡采集到的數據換算成速度作為實測速度，最后根據標準速度和實測速度以及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。 相比較之前的試驗臺，該試驗臺能夠使用兩種不同類型的速度傳感器進行檢測，具有實時輸入輪徑值的功能，軟件開發成本低，穩定性更好，實時性更強，檢測精度也更高。

1 試驗臺系統構成

新型速度傳感器試驗臺主要由機械和測控兩部分構成[9]。 機械部分主要由操作臺、電機柜、速度傳感器測試工裝以及霍爾式速度傳感器測速齒輪等構成。測控部分主要由控制系統、信號調理系統、數據采集系統以及測試軟件等構成。

1.1 機械部分

試驗臺機械部分分為左右兩個部分。 左邊部分主要放置工控機、顯示器、打印機、變頻器等一些電氣元件；右邊主要放置兩電機及電機座、適用于光電式和霍爾式兩種型號的速度傳感器測試工裝以及霍爾式速度傳感器測速齒輪等。 試驗臺外形如圖1 所示。

圖1 試驗臺外形Fig.1 The shape of test bench

1.2 測控部分

測控部分主要利用工控機軟件通過MODBUS-RTU 協議操控變頻器控制交流異步電機運轉來模擬軌道車輛的行進，通過PCI 高速數據采集卡采集速度傳感器的輸出信號并送至工控機進行分析處理及顯示[10]。

1.2.1 控制系統

控制系統主要包括主電路和電機控制電路兩部分。主電路中有2 臺三相交流異步電機：M1 為霍爾式傳感電機，M2 為TQG15 型光電式傳感電機，由接觸器KM2，KM3 的主觸點控制。 380 V 供電電源經由斷路器QF1 連接到接觸器KM1，再接入變頻器，即可實現對電機的調控，其主電路如圖2 所示。

對主電路的控制實際上是由電機控制電路來完成的，電機控制電路如圖3 所示。 對電機控制電路圖做簡要分析，以選擇TQG15 型光電式傳感電機為例：

1） SA0 是電機控制電路電源開關，SB3 是“緊急停止” 按鈕，SB1 是電機停止按鈕，SB2 是電機啟動按鈕，SA1 是傳感器類型選擇旋鈕。

2） 將“傳感器類型”旋鈕SA1 旋轉到KM3 線圈所在支路，閉合電源開關SA0， KM3 常開觸頭閉合，常閉觸頭打開，形成互鎖以保證同一時間只啟動一個電機。

圖2 主電路圖Fig.2 Main circuit diagram

3） 按下電機啟動按鈕SB2，線圈KM1 得電，其常開觸頭閉合形成自鎖而持續得電，電機電源指示燈被點亮。 主電路中KM1 和KM3 的常開觸頭閉合，變頻器得電工作啟動電機M2。

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

5） 遇到緊急情況時，按下“緊急停止”按鈕SB3，整個電機控制電路失電，主電路KM1 常開觸頭打開，電機失電停止旋轉，從而保護電路避免危險發生。

1.2.2 信號調理系統

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，由于數據采集卡只能采集0～5 V電壓，所以，需要設計全波精密整流降壓電路來對交流電壓進行降壓處理。 TQG15BL 型光電式速度傳感器使用直流電壓傳感器作為信號調理模塊， 該器件采用調制解調型隔離原理， 對其輸出的直流電壓進行實時測量，并將其變換為標準的直流電壓V2輸出，輸出送入數據采集卡進行采集處理[11]；霍爾式速度傳感器使用交直流電壓傳感器作為信號調理模塊，該器件采用線性光電隔離原理，對其輸出的交直流電壓進行實時測量，并將其變換為標準的跟蹤電壓Vg輸出，輸出送入數據采集卡進行采集處理[12]。

1.2.3 數據采集系統

數據采集系統主要利用PCI 高速數據采集卡采集速度傳感器的模擬信號， 經過采集卡的A/D 轉換器，將模擬信號轉換成數字信號并傳送給工控機進行分析處理顯示[13]。 其數據采集和處理流程圖分別如圖4，圖5所示。

圖4 數據采集流程圖Fig.4 Flow chart of data acquisition

圖5 數據處理流程圖Fig.5 Flow chart of data processing

1.2.4 測試軟件

試驗臺測試軟件主要使用Microsoft Visual Studio 2010 軟件開發工具下的VC++開發語言進行編寫，采用SQL Server 2010 數據庫存儲數據。 該檢測軟件具有速度傳感器實時波形顯示、檢測結果存儲、歷史數據查看和清空、生成打印報表等功能。 軟件設計流程如圖6 所示。

圖6 軟件設計流程圖Fig.6 Flow chart of software design

2 試驗臺的功能實現

2.1 速度測試

通過軟件手動設置標準速度以及通過變頻器來驅動電機以一定的速度運轉，通過速度傳感器測試電機的運轉速度，將實測速度與標準速度進行對比來判斷速度傳感器性能的好壞。不同速度下的測試結果如表1所示。

表1 速度測試數據表Tab.1 Speed test data sheet

從表中可以看出：該試驗臺測試精度較高，可以達到0.2%，滿足實際檢測要求。

2.2 波形測試

高速數據采集卡將速度傳感器測試電機運轉速度的模擬信號進行采集，經A/D 轉換傳入工控機，經檢測軟件計算處理后得出速度傳感器的波形以及信號周期、占空比和兩路信號的相位差。

對TQG15BL 型光電式速度傳感器在10，40，80 km/h 的速度下進行測試， 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IQG15BL 型光電式速度傳感器性能良好。與此同時，從波形曲線穩定程度上看，試驗臺有效抑制了測試過程中的隨機干擾信號，穩定性和抗干擾性較好。

3 結論

設計的新型速度傳感器試驗臺操作簡便，抗干擾性強，電機調速控制范圍寬，有效提高了檢測精度；同時，實現了兩種不同類型速度傳感器的多參數性能檢測，彌補了之前檢測試驗臺功能單一性缺陷，提高了檢測效率，降低了經濟成本。 試驗臺已初步調試成功，系統運行穩定，安全可靠。