車載測速電機檢測方法研究

李小朋，汪 彧，薛 超，劉 明

（1.北京市地鐵運營有限公司通信信號分公司，北京 100082；2.北京市地鐵運營有限公司技術創新研究院分公司，北京 100082；3.北京和安易誠通訊技術有限公司，北京 100020）

1 概述

隨著城鎮化進程以及城市的不斷擴大，城市的交通擁堵不斷加劇。城市軌道交通的高運力以及快捷在疏解城市交通擁堵、提高交通運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輛運行密度的不斷提升，車輛的數量也在不斷增加，如何提高車輛的維護效率是一個重要問題。

車輛的信號系統是車輛安全運行的基礎。例如，在目前北京地鐵車輛的信號系統中，設備所用的板卡均可裝車前在BTE 等離線設備上對其進行離線測試，待測試通過后再行裝車。離線測試設備的使用避免了故障板卡被誤裝上車的可能，提高了設備維護的效率。

車載測速電機作為為車輛信號系統提供車輛運行方向、速度以及精確定位等車輛運行狀態的重要傳感器[1]，由于其在使用中直接與車輛的軸頸做固定連接，從而導致車載測速電機長期工作在震動、高低溫以及潮濕的環境中。目前在北京地鐵中被廣泛使用的哈斯勒車載測速電機，在實際運行中由于潮濕以及高低溫的影響，導致了故障時有發生。目前還沒有一個可以為車載測速電機提供離線測試的檢測設備。由于測速電機的故障只有在車輛的行駛過程中才能被發現，而調度車輛對測速電機進行測試需要使用較多的資源，因此迫切需要一個可以對車載測速電機進行離線測試的設備，從而避免誤將故障的測速電機被安裝，確保安裝上車的測速電機的性能指標符合要求。

為此，首先對北京地鐵目前使用較多的哈斯勒車載測速電機進行分析和研究，并完成了樣機的設計。通過現場的實際使用，取得了較好的效果。

2 車載測速電機的結構

哈斯勒車載測速電機是在北京地鐵中使用較多的測速電機。本文將通過研究哈斯勒車載測速電機的結構特點以及對其性能測試的不同方法，并結合在設備現場維護中的需求，找到一種適合現場維護使用的對測速電機進行快速檢測的方法。

哈斯勒車載測速電機是一種光電速度傳感器。它是由驅動軸帶動與之固定連接的編碼盤轉動，由一個或多個遠紅外光電傳感器將編碼盤上的信息轉化為脈沖信號提供給車輛的信號系統。遠紅外光電傳感器被固定在編碼盤周邊法蘭盤上，可以通過調整法蘭盤的位置調整遠紅外光電傳感器的之間的相對位置，如圖1 所示。

圖1 哈斯勒車載測速電機的結構Fig.1 Structure of Hasler odometer

遠紅外光電傳感器可以提供與車速成正比的脈沖輸出。

編碼盤與光電傳感器安裝在鋁合金防水外殼中，測速電機的驅動有驅動銷與驅動叉兩種方式。驅動銷（驅動叉）安裝在測速電機的外側，通過驅動軸帶動內測固定在驅動軸上的編碼盤轉動。驅動軸由固定在測速電機外殼上的軸承提供支撐。

哈斯勒車載測速電機提供了IP68 的防護等級。

3 哈斯勒車載測速電機輸出信號

如圖2 所示，哈斯勒車載測速電機由編碼盤、遠紅外發射器和接收器組成。當光線透過編碼盤的孔照射到傳感器的接收端時，測速電機輸出低電平，反之則輸出高電平。北京地鐵目前所使用的哈斯勒車載測速電機，依據不同的信號系統，其內部有2個或3 個遠紅外光電傳感器[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于哈斯勒車載測速電機的檢測方法，故其工作原理在這里不做贅述。

哈斯勒車載測速電機輸出信號的主要技術指標如下。

3.1 脈沖占空比

光電探頭的占空比的靜態指標（6 kHz 時）為53%±1%。

對于有3 個遠紅外探頭檢測編碼盤時鐘孔的情形，脈沖占空比允許的最大極限值為±18°；對于有2 個遠紅外探頭檢測編碼盤時鐘孔的情形，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，對于有3 個遠紅外探頭檢測編碼盤時鐘孔的情形：當采用的是每圈100 個時鐘孔的編碼盤時，每100 個脈沖周期（即測速電機旋轉一周），3 個時鐘脈沖之間的相位差互為120°，且重疊裕量應不小于24°。

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

對于有2 個遠紅外探頭檢測編碼盤時鐘孔的情形：2 個時鐘脈沖之間的相位差互為90°，且重疊裕量應不小于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 分析及檢測測速電機的性能指標

靜態元器件的檢測，如蓄電池內阻的檢測，繼電器勵磁線圈內阻以及繼電器觸點接觸電阻的檢測等靜態指標的測量，在整個檢測過程中其狀態是相對穩定、固定不變的。

車載測速電機的檢測是動態檢測，是在車載測速電機轉動的狀態下進行。所有的指標參數因測速電機的轉動以及內部結構中元器件的不一致性，其輸出的電氣特性指標處于不斷變化之中。

針對車載測速電機指標參數動態變化的特點，如果仍然采用固定的指標進行檢測，顯然不符合電機在實際工況下的工作狀態。因此，采用統計的方法，在一定時間內，例如在電機轉動一定圈數內，判斷各項性能指標是否滿足測速電機的性能指標要求，能夠更準確地反映電機在實際工況下的工作狀態。

因此，筆者認為，對于車載測速電機這類性能指標動態變化的設備，應該采用統計分析的方法對其性能指標進行評估及分析。收集在測試期間測速電機輸出的全部信號，并與標準參數的閾值進行逐一分析對比，從而判斷所測試測速電機的性能指標是否符合規范要求。只有這樣才能充分體現出被測試的測速電機的實際工況。

5 測速電機輸出信號不同檢測方法的對比

5.1 示波器

使用多宗示波器對哈斯勒車載測速電機的輸出信號進行分析和研究，從而判斷其輸出信號是否符合技術規范的要求。但是使用示波器需要人工干預，并且由于示波器的采樣同步對于偽隨機碼的采樣同步比較困難，特別是當車載測速電機驅動轉速不穩定的情況下，對偽隨機碼的采樣觸發就變得更加困難。這對車載測速電機輸出信號的電氣性能進行精確的分析和研究十分不利，并且過多的人工干預不能滿足便捷化檢測的要求。

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的過多人工干預以及人工分析的問題。由于邏輯分析儀可以針對其輸入的信號進行長時間的采樣并通過軟件對采樣的結果進行邏輯分析。這就首先解決人工使用示波器需要人工干預的問題，同時由于使用了邏輯分析儀對車載測速電機的輸出信號進行采樣與記錄，就可以對車載測速電機在不同轉速（模擬不同車速）下的性能進行分析。可以使用軟件對邏輯分析儀的采樣結果進行分析。

5.3 信號采集卡（DAQ）

使用邏輯分析儀只能對采集的輸入信號的高低電平的閾值進行設定，不能對其采集信號的波形（如信號的上升沿、下降沿、高底電平的幅度和抖動等性能指標）進行精確的分析。在之前對哈斯勒車載測速電機的維修實踐中發現，在很多情況下，由于哈斯勒車載測速電機內部的光電探頭長期工作在惡劣環境中，經常會出現光電探頭的性能指標不符合要求而導致測速電機故障。而這類故障通常是隨機發生，這也是有些車載測速電機上車后不定期報錯的原因之一。

信號采集卡的使用可以很好地解決上述問題，由于信號采集卡[3]可以通過軟件對采集到的信號進行統計與分析[4]，從而實現對測速電機測試的自動化。因此，信號采集卡在測速電機測試設備中使用不但可以簡化測試過程，避免人工分析，同時還可以降低對使用人員技術水平的要求，規避可能發生的錯誤。

為滿足現場維護工作的需要，采用DAQ 加軟件的哈斯勒車載測速電機檢測平臺，如圖5 所示。

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

驅動裝置由驅動電機、齒輪減速機以及驅動控制器組成。驅動裝置驅動車載測速電機轉動，模擬車輛行駛。驅動裝置可以在軟件的控制下模擬車輛不同的行駛速度，且可以模擬車輛不同的行駛方向。車載測速電機在驅動裝置的控制下輸出信號至信號采集設備。

為保證檢測平臺測試結果的準確性，檢測平臺與測速電機的電氣接口[5]能夠完全兼容不同型號的哈斯勒測速電機，同時符合車載信號系統的技術規范要求。

信號采集設備將實時采集[6]車載測速電機的輸出信號，經過數字濾波器[7]濾除干擾信號以及抖動后，將采集到的信息傳輸到數據處理單元。

數據存儲單元對采集到的信息以及相應的脈沖時間戳進行存儲，在后續的分析軟件模塊中，分別對采集到的測速電機輸出信號的脈沖波形、占空比以及脈沖的相位差進行計算，并與軟件中預置的閾值進行分析比較。當分析結果在閾值范圍之內，則在用戶UI 中提示測試結果正常。反之則提示故障。

為使對車載測速電機的測量結果更加準確，輸出的測試結果數據是基于整個測試過程統計出的數據的最大值與最小值如圖6 所示，并且在用戶UI中提示了對應的測試結果的正常值范圍，從而使用戶能夠對被測的車載測速電機有更準確的了解。

圖6 基于統計分析的測試結果Fig.6 Test results based on statistical analysis

通過軟件開關實現控制驅動裝置啟停、轉動方向以及調速功能，可以實現從控制到測試結果輸出的一體化UI 設計。

6 采用信號采集卡的優點以及軟件的可移植性

通過采用硬件電路對測速電機的性能進行分析，需要針對不同的測速電機進行相應的硬件設計，開發周期長、成本高、靈活性差。且設計定型后無法在后續根據需求增加新的功能。

使用信號采集卡以及通過軟件對測速電機的性能進行分析，可以避免上述的弊端。信號采集卡的引入，避免了與不同種類測速電機輸出信號之間接口的硬件電路設計。由于在分析軟件中采用了模塊化的設計，如針對占空比測試、相位差測試以及統計分析等均是通過不同的軟件模塊配以相應的參數實現的。因此，在針對不同種類的測速電機以及性能指標參數，通過調用相應的軟件模塊即可實現針對該種類測速電機的性能分析。同時，還可以針對不同的用戶需求有針對性的為用戶提供新的功能。

7 實際成果

一個測速電機快速檢測樣機已經完成從設計到實驗驗證的過程。該樣機能夠在70 s 左右完成對哈斯勒車載測速電機的自動化測試。在測速電機快速檢測樣機中，通過采用信號采集卡對測速電機的輸出信號進行采集，并且由于在設計中設置了較大的系統緩沖存儲器，可以對測速電機轉動N圈輸出信號的數據進行存儲；數據分析軟件通過對系統緩存中的數據進行分析，從而可以得到測速電機在轉動N圈內的全部輸出信號的性能指標，在通過統計分析后輸出測速電機的每項測試指標在整個測試過程中的最大值和最小值，以及指標測試結果是否超出測速電機指標的閾值。

由于測試過程是基于對測速電機轉動多圈輸出信號的統計分析結果，從而避免了之前通過示波器對測速電機進行故障測試中出現的測試準確性問題。同時，通過對在用的測速電機的測試，發現有些測速電機雖然在信號系統中可以正常使用，但是其某些輸出信號的狀態已經處于臨界或超過測速電機性能指標的范圍。如在對某報告不正常的測速電機測試中發現，測速電機轉動50 圈的測量結果中，其A、B、C 輸出脈沖占空比超過標準最大值的次數分別達到1 123、97 和128 次，如表1 所示。經過與相關專業人員的共同分析，認為對于此類測速電機雖然目前在設備中可以正常使用，但在設備維護中應該被列為故障隱患。

表1 占空比統計結果Tab.1 Statistics of test results for duty ratio

目前，樣機已經在北京地鐵設備維護中投入使用，并取得了良好的效果。

8 總結

車載測速電機的檢測是一個動態性能指標的檢測。通過使用數據采集設備并通過軟件分析采集到的測速電機輸出信息，可以極大地提高測試的準確性，并避免通過人工分析有可能產生的錯誤。數據采集設備在測速電機檢測中的應用，為針對不同廠家型號的測速電機的檢測提供了方便、可移植的平臺。同時，靈活的UI 可以為用戶提供方便快捷的用戶體驗。