HXD1型電力機車THTF4.5牽引風機轉速監測

柯 磊，郝小江

（1 攀枝花學院交通與汽車工程學院，四川攀枝花617000；2 攀枝花學院電氣信息工程學院，四川攀枝花617000）

運用與檢修

HXD1型電力機車THTF4.5牽引風機轉速監測

柯 磊1，郝小江2

（1 攀枝花學院交通與汽車工程學院，四川攀枝花617000；2 攀枝花學院電氣信息工程學院，四川攀枝花617000）

系統利用MCS-51單片機和霍爾傳感器測量THTF4.5牽引風機電機轉速，研究M法、T法和M/T法電機測速的原理，并采用M測量方法測量電機轉速.設計了系統的硬件電路和軟件介紹霍爾傳感器測速方法，將脈沖信號送入單片機進行計數運算并通過LED顯示結果。分析消除±1個脈沖誤差，滿足電機測速精度要求，測速系統具有結構簡單，安裝方便，檢測方式多樣，檢測精度高等特點。

THTF4.5牽引風機；電機轉速監測；霍爾傳感器；單片機

THTF4.5牽引風機是為HXD1型機車牽引電機提供冷卻的裝置。THTF4.5牽引風機為軸向離心式風機，主要由風機葉輪、三相交流異步電動機、主風筒、進風道、接頭等零部件組成。冷空氣經風機和風道進入牽引電機，將牽引電機運轉時產生的熱量帶到機車外，并使空氣流量達到散熱要求。機車逆變器提供可變電壓和頻率的電源，使風機形成可調的轉速，提供可變的空氣流量，滿足牽引電機在不同工作狀態下的冷卻要求，不至于因風機停止工作造成牽引電機過熱損壞。因此對牽引風機的轉速進行監測顯得非常重要。

采用在THTF4.5牽引風機電機軸上安裝霍爾傳感器采集脈沖信號，轉速脈沖信號經調理后送給AT89C52單片機，采用M（測頻率法）測量方法，對牽引風機的4個電機轉速進行監測，分時顯示其轉速。由于霍爾傳感器質量輕、尺寸小、無觸點、使用壽命長、調試方便、外圍電路簡單等特點，對牽引風機的運行沒有影響。使用霍爾傳感器獲得脈沖信號，其機械結構也可以做得較為簡單，只要在轉軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關靠近磁鋼，就有信號輸出，轉軸旋轉時，就會不斷地產生脈沖信號輸出。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以實現旋轉一周，獲得多個脈沖輸出。

1 測量方法

檢測牽引風機電機的轉動速度的方法是用安裝在電機軸上的霍爾傳感器輸出脈沖頻率和轉速成正比的原理，測出脈沖的周期或頻率就可算出轉速。

用脈沖計數測量轉速的方法有：M法（測頻率法）、T法（測周期法）和M/T法（測頻率/周期法）。

M法（測頻率法）是在檢測時間內，檢測霍爾傳感器產生的脈沖信號個數M測量轉速。檢測時間一定，但檢測起止時間有隨機性，在極端情況下產生±1個脈沖誤差。當電機轉速較高時才有較高的測量精度，因此M法（測頻率法）適合高速測量。霍爾傳感器每轉輸出R個脈沖信號，對應轉速為N，r/min，則f＝RN/60，測得M1值，可得轉速為：N＝60M1/RT，其測速分辨率為：

R為每轉脈沖信號數，T時間間隔，M為T內輸出的脈沖數。分辨率同電機轉一周輸出的脈沖信號數R和測量周期T。測量周期長或極對數多則分辨率小，精度高。

T法（測周期法）是通過測量相鄰兩個轉速脈沖信號的時間來測量轉速。在極端情況下，時間（周期）的測量會產生±1個高頻脈沖周期，因此T法（測周期法）適合測轉速較低時，可有較高的測量精度。

M/T法（測頻率/周期法）同時測量檢測時間和此檢測時間內霍爾傳感器產生的轉速脈沖信號個數測量轉速。由于同時對兩種脈沖信號進行計數，M/T法在高速和低速都有較高的測量精度。

THTF4.5牽引風機的額定轉速是3 520（1±5%）r/min，轉速較高，因此本文采用M法（測頻率法）測量牽引風機轉速，對產生的±1個計數誤差用軟件的方法進行補償。

2 轉速監測模塊硬件設計

根據THTF4.5牽引風機電機轉速測量的需要，采用AT89C52單片機的電機測速模塊設計。如圖1所示。主要包含4個模塊：霍爾傳感器、信號調理電路、測量MCU、數碼顯示電路。采用霍爾傳感器來產生轉速脈沖信號，信號經調理后送給單片機，本設計采用M法（測頻率法）來檢測脈沖信號，需要1個計數器和1個定時器。測速系統的定時器和計數器的啟動與被測脈沖的前沿同步。

AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8 kb的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 b的隨機存取數據存儲器（RAM），32個雙向I/O口；3個16位可編程定時/計數器中斷；時鐘頻率0～24 MHz；2個外部中斷源，共8個中斷源；2個讀寫中斷口線，3級加密位；低功耗空閑和掉電模式，軟件設置睡眠和喚醒功能；有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等幾種封裝形式，以適應不同產品的需求。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機在電子行業中有著廣泛的應用。

電機測速電路用霍爾傳感器設計。由于UGN－3501T具有較高的靈敏度，它能感受很小磁場變化。傳感器輸出一個峰值為20 m V的脈沖，此脈沖信號經μA741運放放大后驅動2N5812三極管，使之完成導通、截止過程。把計數器接于2N5812輸出端，即可產生脈沖計數。成為轉數計數器的計數脈沖。控制計數時間，即可實現計數器的計數值對應電機軸的轉速值。UGN-3501T霍爾傳感器組成的計數器電路圖如圖2所示。其輸出脈沖接AT 89C52單片機的P3.4（T0）引腳。

使用霍爾傳感器，被測軸安裝12只磁鋼，即轉軸每轉一周，產生12個脈沖，將轉速值（r/min）顯示在數碼管上。

顯示電路用6位共陰數碼管，動態掃描顯示，為增加顯示亮度，其位選信號經P1口輸出到8同相三態緩沖器/線驅動器74HC244，信號經單片機P0口輸出。其中最左一位用來顯示牽引風機號，中間空一位，右邊4位用來顯示測得電機轉速值。

3 轉速監測軟件設計

主程序在對定時器、計數器、堆棧等進行初始化后即判斷“要求計算速度的標志”是否為1，如果為1，說明要求對數據進行計算處理，首先將“要求計算速度的標志”清零，以保證下次能正常判斷，然后進入數據處理程序，由于這里的閘門時間為1 s，而顯示要求為轉/分鐘，因此，要將測到的數據進行轉換，轉換的方法是將測得的數據乘以60，但由于轉軸上安裝有12只磁鋼，每旋轉一周可以得到12個脈沖，因此，要將測得的數據除以12，所以綜合起來，將測得的數據乘以5即可得到每分鐘的轉速。計算得到的結果是二進制的整數，要將數據送往顯示緩沖區需要將該數轉化為BCD碼。

定時器T1用作4 ms定時發生器，在定時中斷程序中進行數碼管的動態掃描，同時產生1 s的閘門信號。1 s閘門信號的產生是通過一個“顯示時的計數器”，每次中斷時間為4 ms，每計250次即為1 s，到了1 s后，即清除“顯示時的計數器”，然后關閉作為計數器用的T0，讀出TH0、TL0中的數值，分別送入“速度計時器單元”和其下一個單元，將T0中的值清空，置“要求計算速度的標志”為1，要求主程序進行速度值的計算。這里還有一個細節，用作1 s閘門信號產生的“顯示時的計數器”每次中斷都會加1，而T0卻有一個周期是被關閉的，因此，計數值是251而不是250。這種方法產生了±1個誤差，在軟件中應消除這種誤差。

其轉速監測流程圖如圖3所示。

4 結束語

采用AT89C52單片機和UGN-3501T霍爾傳感器組成的計數器電路測量HXD1型機車牽引電機的THTF4.5牽引風機轉速。在不損失分辨率和精度的前提下，采用M法（測頻率法）計數單位時間內的脈沖個數來計算轉速。經試驗表明，該系統工作穩定可靠，能夠準確地測量牽引風機的轉速。為其他測量電機轉速提供很好的方法。

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Speed Monitor of THTF4.5 Traction Ventilator for HXD1 Electric Locomotive

KE Lei1，HAO Xiaojiang2
（1 School of Transportation and Automobile Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000 Sichuan，China）；2 School of Information and Electric Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000 Sichuan，China）

This paper uses MCS-51 MCU and hall sensor to measure the speed of THTF4.5 traction ventilator，analyzes the motor speed measuring principles of M-method T-method and M/T-method，and designs the hardware and software for speed measuring.The method of hall sensor is introduced，and the speed data can be obtained through counting impulse signals and can be displayed on LED.±1 pulse error is analyzed and eliminated to ensure the precision of speed measurement.The measuring system has the features of simple structure，convenient installation，detection means diversity and high detection accuracy.

THTF4.5 traction ventilator；peed monitoring；hall sensor；MCU

U264.5＋2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.20

1008－7842（2014）06－0081－03

?）男，講師（

2014－05－27）