毛朝暉 傅佩喜 陳 娟 上海鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所

25T等新型客車接地裝置主要由4個(gè)碳刷柱、4個(gè)渦卷彈簧、1跟接地線、1個(gè)保護(hù)罩、1只端蓋及相關(guān)防松件、緊固件等零件構(gòu)成（如圖1所示）。其工作原理是：由接地線將車體上的電流通過(guò)四個(gè)碳刷直接傳遞至車軸，再通過(guò)車輪與鋼軌形成接地回路。

圖1 客車軸端接地裝置

接地裝置是25T等新型客車接地系統(tǒng)重要組成部分之一，它的主要作用是防止電流通過(guò)客車軸承產(chǎn)生電蝕而危及行車安全。故它的技術(shù)狀態(tài)直接關(guān)系到列車用電系統(tǒng)的接地可靠性和運(yùn)行的安全性。碳刷與車軸端面的接觸狀態(tài)，是該接地系統(tǒng)是否良好的關(guān)鍵，而4個(gè)渦卷彈簧的彈簧壓力，又是碳刷正常工作的基本保證。對(duì)該彈簧的技術(shù)要求，鐵道部已有明確規(guī)定，如何檢測(cè)就成為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)必須解決的問(wèn)題。為此，我們?cè)诼肪至㈨?xiàng)進(jìn)行了專題研究。

1 技術(shù)要求

根據(jù)鐵道部《客車軸端接地裝置檢修規(guī)程》的規(guī)定，接地裝置的主要技術(shù)要求如下：

（1）舊接地裝置彈簧壓縮25mm時(shí)，每個(gè)碳刷的壓強(qiáng)不小于50kPa;

（2）舊接地裝置更換新彈簧時(shí)，碳刷的壓強(qiáng)不小于65kPa，且4個(gè)碳刷的壓強(qiáng)與平均值的偏差不超過(guò)10%;

（3）新接地裝置彈簧壓縮25mm時(shí)，碳刷的壓強(qiáng)不小于65kPa，且4個(gè)碳刷的壓強(qiáng)與平均值的偏差不超過(guò)10%;

（4）新接地裝置的4個(gè)碳刷高度差不得大于1.5mm;

（5）舊接地裝置的4個(gè)碳刷高度差不得大于3.0mm。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由二柱絲杠機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)盤座組成。轉(zhuǎn)盤座用以安裝接地裝置，可以90/360度旋轉(zhuǎn)。二柱絲杠機(jī)構(gòu)帶動(dòng)壓力測(cè)力計(jì)及位移傳感器上下移動(dòng)。

2.2 系統(tǒng)工作原理

計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)垂直方向的步進(jìn)電機(jī)1帶動(dòng)測(cè)力計(jì)向下移動(dòng)，當(dāng)測(cè)力計(jì)與接地裝置的一個(gè)碳刷接觸時(shí)，控制計(jì)算機(jī)獲取此時(shí)的位移傳感器數(shù)值L1。步進(jìn)電機(jī)1繼續(xù)帶動(dòng)測(cè)力計(jì)繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)25mm，獲取測(cè)力計(jì)的值P1。步進(jìn)電機(jī)1帶動(dòng)測(cè)力計(jì)向上運(yùn)動(dòng)至測(cè)力計(jì)與碳刷有一段距離，步進(jìn)電機(jī)2帶動(dòng)接地裝置旋轉(zhuǎn)90度。繼續(xù)下一個(gè)碳刷的檢測(cè)，直至4個(gè)碳刷完全檢測(cè)完畢（系統(tǒng)工作原理詳見(jiàn)圖2）。

圖2 系統(tǒng)工作原理示意圖

2.3 控制系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由位移傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、測(cè)力計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)量采集系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、控制計(jì)算機(jī)組成。

2.3.1 位移傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

（1）位移傳感器天沐NS-WY03用以測(cè)量的量程為300mm，精度為0.2%FS,電流為4~20(mA)，由于位移傳感器輸出的信號(hào)是電流信號(hào)，因此在送入A/D數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換前，需將此信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

（2）A/D數(shù)據(jù)采集卡Advantech PCI-1713板卡，該P(yáng)CI總線式板卡可直接與工控機(jī)聯(lián)機(jī)，同時(shí)能與工控機(jī)很好地兼容。PCI-1713是12位分辨率、32路模擬量輸入、100K采樣頻率的數(shù)據(jù)采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換集成板卡。

PCI-1713提供單端輸入和差分輸入兩種方式。

單端輸入時(shí)，輸入信號(hào)均以共同的地線為基準(zhǔn)。這種輸入方法主要應(yīng)用于輸入信號(hào)電壓較高(高于1V)，信號(hào)源到模擬輸入硬件的導(dǎo)線較短(低于15feet)，且所有的輸入信號(hào)共用一個(gè)基準(zhǔn)地線。如果信號(hào)達(dá)不到這些標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)應(yīng)該用差分輸入。對(duì)于差分輸入，每一個(gè)輸入信號(hào)都有自有的基準(zhǔn)地線。由于共模噪聲可以被導(dǎo)線所消除，所以差分輸入可以減小噪聲誤差。

單端輸入時(shí),是判斷信號(hào)與 GND的電壓差；差分輸入時(shí),是判斷兩個(gè)信號(hào)線的電壓差。對(duì)于差分輸入，當(dāng)信號(hào)受干擾時(shí),差分的兩線會(huì)同時(shí)受影響,但電壓差變化不大，因此差分輸入方式的抗干擾性能較佳。而單端輸入的一線變化時(shí)，由于GND不變,所以電壓差變化較大，因此單端輸入的抗干擾性能較差。

差分信號(hào)和普通的單端信號(hào)走線相比，最明顯的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

(1)抗干擾能力強(qiáng)，因?yàn)閮筛罘肿呔€之間的耦合很好，當(dāng)外界存在噪聲干擾時(shí)，幾乎是同時(shí)被耦合到兩條線上，而接收端關(guān)心的只是兩信號(hào)的差值，所以外界的共模噪聲可以被完全抵消。

(2)能有效抑制EMI，同樣的道理，由于兩根信號(hào)的極性相反，他們對(duì)外輻射的電磁場(chǎng)可以相互抵消，耦合的越緊密，泄放到外界的電磁能量越少。

(3)時(shí)序定位精確，由于差分信號(hào)的開(kāi)關(guān)變化是位于兩個(gè)信號(hào)的交點(diǎn)，而不像普通單端信號(hào)依靠高低兩個(gè)閾值電壓判斷，因而受工藝，溫度的影響小，能降低時(shí)序上的誤差，同時(shí)也更適合于低幅度信號(hào)的電路。目前流行的LVDS（low voltage differential signaling）就是指這種小振幅差分信號(hào)技術(shù)。

本系統(tǒng)中我們采用差分輸入方式，其原理如圖3所示。

傳感器的電流輸出范圍為4-20mA，經(jīng)計(jì)算5V/20mA,取R1=240Ω，R2=10Ω。為提高轉(zhuǎn)換精確度和降低噪聲影響，數(shù)據(jù)采集卡PCI-1713采用差分的方式采集數(shù)據(jù)，即采用（V0-V1）的差分算法，這樣可以很好的消除共模電壓Vcm的影響。

由于傳感器信號(hào)較弱，容易引入交流干擾，所以在輸出端同地之間并聯(lián)100uF/50V到470uF/50V電容C1，來(lái)提高信號(hào)的抗干擾能力。

圖3 差分信號(hào)采集電路圖

設(shè)位移傳感器的長(zhǎng)度值為length,其對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為AvgBinaryArrayRec。

當(dāng)length為0mm時(shí)，傳感器的輸出電流4mA，AvgBinaryArrayRec為 4×240×4096/5000;

當(dāng)length為300mm時(shí)，傳感器的輸出電流20mA，Avg－BinaryArrayRec為20×240×4096/5000。根據(jù)線性關(guān)系有：Length=(AvgBinaryArrayRec-4×240×4096/5000)×300/(20×240×4096/5000-4×240×4096/5000)

2.3.2 開(kāi)關(guān)量采集系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)開(kāi)關(guān)量，一個(gè)是測(cè)力計(jì)與碳刷柱接觸時(shí)，向主機(jī)發(fā)出信號(hào)；另一個(gè)是接地裝置旋轉(zhuǎn)90度時(shí)向主機(jī)發(fā)出信號(hào)。

我們使用了一塊PCI-1751，用以獲取兩個(gè)開(kāi)關(guān)量的值以及為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供脈沖、方向、脫機(jī)信號(hào)。

PCI-1751是一塊基于PCI總線的48位數(shù)字量I/O卡，還提供一個(gè)計(jì)數(shù)器和2個(gè)16位的定時(shí)器。該采集系統(tǒng)的原理如圖4所示：

圖4 開(kāi)關(guān)量采集系統(tǒng)電原理圖

當(dāng)測(cè)力計(jì)與碳刷柱離開(kāi)時(shí)，k1打開(kāi)，光電耦合TLP521-4A的1通道斷開(kāi)，PCI-1751的1號(hào)腳為高電平，工控機(jī)用PCI的驅(qū)動(dòng)程序獲取該狀態(tài)；

當(dāng)測(cè)力計(jì)與碳刷柱離開(kāi)時(shí)，k1閉合，光電耦合TLP521-4A的1通道打開(kāi)，PCI-1751的1號(hào)腳為低電平電平，工控機(jī)用PCI的驅(qū)動(dòng)程序獲取該狀態(tài)；當(dāng)接地裝置旋轉(zhuǎn)小于90°時(shí)，k2打開(kāi)，光電耦合TLP521-4A的2通道斷開(kāi)，PCI-1751的2號(hào)腳為高電平，工控機(jī)用PCI的驅(qū)動(dòng)程序獲取該狀態(tài)；

當(dāng)接地裝置旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，k2閉合，光電耦合TLP521-4A的2通道打開(kāi)，PCI-1751的2號(hào)腳為低電平電平，工控機(jī)用PCI的驅(qū)動(dòng)程序獲取該狀態(tài)；

2.3.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器SH-30806。我們采用森創(chuàng)三相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器SH-30806,供電電源為24V-70VDC,容量0.2kVA;正弦波細(xì)分恒流驅(qū)動(dòng)；最大輸出電流6A/相；最大3000步/轉(zhuǎn)的十六種細(xì)分模式可選；輸入信號(hào)光電隔離。

驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)：驅(qū)動(dòng)器端口內(nèi)置光耦，光耦導(dǎo)通一次被驅(qū)動(dòng)器解釋為一個(gè)有效脈沖。對(duì)于共陽(yáng)極而言，低電平有效（共陰極為高電平有效），此時(shí)驅(qū)動(dòng)器將按照相應(yīng)的時(shí)序驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行一步。單脈沖模式時(shí)此信號(hào)端作為脈沖輸入信號(hào)，雙脈沖模式時(shí)此信號(hào)作為正轉(zhuǎn)脈沖輸入信號(hào)。為了確保脈沖信號(hào)的可靠相應(yīng)，光耦每次導(dǎo)通的持續(xù)時(shí)間不應(yīng)少于10μs。本信號(hào)的相應(yīng)頻率200kHz,過(guò)高的頻率可能得不到正確的相應(yīng)。本系統(tǒng)采用單脈沖模式。

方向信號(hào)輸入：?jiǎn)蚊}沖模式下該信號(hào)作為控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向信號(hào)，該端內(nèi)部光耦的通、斷被解釋為控制電機(jī)運(yùn)行的兩個(gè)方向。控制電機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)，應(yīng)確保方向信號(hào)領(lǐng)先脈沖信號(hào)至少10μs建立，從而避免驅(qū)動(dòng)器對(duì)脈沖的錯(cuò)誤響應(yīng)。雙脈沖模式下，該信號(hào)作為反轉(zhuǎn)的脈沖輸入信號(hào)，光耦導(dǎo)通一次被驅(qū)動(dòng)器解釋為一個(gè)有效脈沖。為了確保脈沖信號(hào)的可靠相應(yīng)，光耦每次導(dǎo)通的持續(xù)時(shí)間不應(yīng)少于10μs

脫機(jī)信號(hào)輸入：內(nèi)部光耦處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)電機(jī)相電流被切斷，轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)（脫機(jī)狀態(tài)）。光耦關(guān)斷后電機(jī)電流恢復(fù)到脫機(jī)前的大小方向。當(dāng)不需用此功能時(shí)，脫機(jī)信號(hào)端可懸空。

該電路的電機(jī)控制原理如圖5所示：

圖5 電機(jī)控制原理圖

控制計(jì)算機(jī)控制PCI-1751的28腳發(fā)出脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)TLP627光耦產(chǎn)生24V的脈沖信號(hào)，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供脈沖信號(hào)。

控制計(jì)算機(jī)控制PCI-1751的10腳的高低電平，通過(guò)TLP627光耦給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供方向信號(hào)，從而控制步進(jìn)電機(jī)1的正向和方向運(yùn)轉(zhuǎn)。

控制計(jì)算機(jī)控制PCI-1751的11腳的高低電平，通過(guò)TLP627光耦給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供脫機(jī)信號(hào)，從而控制步進(jìn)電機(jī)1的運(yùn)轉(zhuǎn)和停止（步進(jìn)電機(jī)2的控制信號(hào)原理同步進(jìn)電機(jī)1）。

2.3.4 測(cè)力計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

測(cè)力計(jì)選用海寶HF-50，精度達(dá)到3‰F.S。用RS232串口與工控機(jī)連接。HF-50可以實(shí)時(shí)向工控機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。工控機(jī)使用MSComm控件接收數(shù)據(jù)。Microsoft Communications Control（簡(jiǎn)稱MSComm）是Microsoft公司提供的簡(jiǎn)化windows下串行通信編程的ActiveX控件。MScomm控件通過(guò)串行口傳輸和接收數(shù)據(jù)。MScomm控件提供了兩種處理通信問(wèn)題的方法：一是事件驅(qū)動(dòng)方法，一種查詢法。

（1）事件驅(qū)動(dòng)方式：事件驅(qū)動(dòng)方式是處理串行口交互作用的一種非常有效方法。在許多情況下，在事件發(fā)生時(shí)需要得到通知，例如，在串口接收緩沖區(qū)中有字符，或者Carrier Detect（CD）或Request To Send(RTS)線上一個(gè)字符到達(dá)或一個(gè)變化發(fā)生時(shí)。OnComm事件還可以檢查和處理通信錯(cuò)誤。在編程過(guò)程中，就可以在OnComm事件處理函數(shù)中加入自己的處理代碼。這種方法的有點(diǎn)是程序相應(yīng)及時(shí)，可靠性高。

（2）查詢方式：查詢方式的實(shí)質(zhì)還是事件驅(qū)動(dòng)，但在有些情況下，這種方式顯得更為便捷。在程序的每個(gè)關(guān)鍵功能之后，可以通過(guò)檢查CommEvent屬性的值來(lái)查詢事件和錯(cuò)誤。如果應(yīng)用程序較小，并且是自保持的，那么這種方法可能是更可取的。例如，如果寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的電話撥號(hào)程序，則沒(méi)有必要對(duì)每接收一個(gè)字符都產(chǎn)生事件，因?yàn)槲ㄒ坏却邮盏淖址钦{(diào)制解調(diào)器的“確定”相應(yīng)。本系統(tǒng)中我們采用事件驅(qū)動(dòng)方式。

3 結(jié)束語(yǔ)

軸端接地裝置試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一年的試用，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。該控制系統(tǒng)涉及了位移傳感器、測(cè)力計(jì)、步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用。對(duì)有位移傳感器、測(cè)力計(jì)、步進(jìn)電機(jī)的產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研制具有一定的指導(dǎo)作用。