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(zhuǎn)速監(jiān)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(tǒng)利用MCS-51單片機和霍爾傳感器測量THTF4.5牽引風機電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速.設(shè)計了系統(tǒng)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(shù)運算并通過LED顯示結(jié)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(tǒng)具有結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速監(jiān)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(jīng)風機和風道進入牽引電機，將牽引電機運轉(zhuǎn)時產(chǎn)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(diào)的轉(zhuǎn)速，提供可變的空氣流量，滿足牽引電機在不同工作狀態(tài)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(zhuǎn)速進行監(jiān)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(zhuǎn)速脈沖信號經(jīng)調(diào)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(zhuǎn)速進行監(jiān)測，分時顯示其轉(zhuǎn)速。由于霍爾傳感器質(zhì)量輕、尺寸小、無觸點、使用壽命長、調(diào)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(jié)構(gòu)也可以做得較為簡單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關(guān)靠近磁鋼，就有信號輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，就會不斷地產(chǎn)生脈沖信號輸出。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速成正比的原理，測出脈沖的周期或頻率就可算出轉(zhuǎn)速。

用脈沖計數(shù)測量轉(zhuǎn)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(nèi)，檢測霍爾傳感器產(chǎn)生的脈沖信號個數(shù)M測量轉(zhuǎn)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(chǎn)生±1個脈沖誤差。當電機轉(zhuǎn)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?；魻杺鞲衅髅哭D(zhuǎn)輸出R個脈沖信號，對應轉(zhuǎn)速為N，r/min，則f＝RN/60，測得M1值，可得轉(zhuǎn)速為：N＝60M1/RT，其測速分辨率為：

R為每轉(zhuǎn)脈沖信號數(shù)，T時間間隔，M為T內(nèi)輸出的脈沖數(shù)。分辨率同電機轉(zhuǎn)一周輸出的脈沖信號數(shù)R和測量周期T。測量周期長或極對數(shù)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(zhuǎn)速脈沖信號的時間來測量轉(zhuǎn)速。在極端情況下，時間（周期）的測量會產(chǎn)生±1個高頻脈沖周期，因此T法（測周期法）適合測轉(zhuǎn)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(nèi)霍爾傳感器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號個數(shù)測量轉(zhuǎn)速。由于同時對兩種脈沖信號進行計數(shù)，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(zhuǎn)速是3 520（1±5%）r/min，轉(zhuǎn)速較高，因此本文采用M法（測頻率法）測量牽引風機轉(zhuǎn)速，對產(chǎn)生的±1個計數(shù)誤差用軟件的方法進行補償。

2 轉(zhuǎn)速監(jiān)測模塊硬件設(shè)計

根據(jù)THTF4.5牽引風機電機轉(zhuǎn)速測量的需要，采用AT89C52單片機的電機測速模塊設(shè)計。如圖1所示。主要包含4個模塊：霍爾傳感器、信號調(diào)理電路、測量MCU、數(shù)碼顯示電路。采用霍爾傳感器來產(chǎn)生轉(zhuǎn)速脈沖信號，信號經(jīng)調(diào)理后送給單片機，本設(shè)計采用M法（測頻率法）來檢測脈沖信號，需要1個計數(shù)器和1個定時器。測速系統(tǒng)的定時器和計數(shù)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(nèi)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(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個雙向I/O口；3個16位可編程定時/計數(shù)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(shè)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(chǎn)品的需求。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)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(yè)中有著廣泛的應用。

電機測速電路用霍爾傳感器設(shè)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(jīng)μA741運放放大后驅(qū)動2N5812三極管，使之完成導通、截止過程。把計數(shù)器接于2N5812輸出端，即可產(chǎn)生脈沖計數(shù)。成為轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)器的計數(shù)脈沖。控制計數(shù)時間，即可實現(xiàn)計數(shù)器的計數(shù)值對應電機軸的轉(zhuǎn)速值。UGN-3501T霍爾傳感器組成的計數(shù)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(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生12個脈沖，將轉(zhuǎn)速值（r/min）顯示在數(shù)碼管上。

顯示電路用6位共陰數(shù)碼管，動態(tài)掃描顯示，為增加顯示亮度，其位選信號經(jīng)P1口輸出到8同相三態(tài)緩沖器/線驅(qū)動器74HC244，信號經(jīng)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(zhuǎn)速值。

3 轉(zhuǎn)速監(jiān)測軟件設(shè)計

主程序在對定時器、計數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理程序，由于這里的閘門時間為1 s，而顯示要求為轉(zhuǎn)/分鐘，因此，要將測到的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的方法是將測得的數(shù)據(jù)乘以60，但由于轉(zhuǎn)軸上安裝有12只磁鋼，每旋轉(zhuǎn)一周可以得到12個脈沖，因此，要將測得的數(shù)據(jù)除以12，所以綜合起來，將測得的數(shù)據(jù)乘以5即可得到每分鐘的轉(zhuǎn)速。計算得到的結(jié)果是二進制的整數(shù)，要將數(shù)據(jù)送往顯示緩沖區(qū)需要將該數(shù)轉(zhuǎn)化為BCD碼。

定時器T1用作4 ms定時發(fā)生器，在定時中斷程序中進行數(shù)碼管的動態(tài)掃描，同時產(chǎn)生1 s的閘門信號。1 s閘門信號的產(chǎn)生是通過一個“顯示時的計數(shù)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(shù)器”，然后關(guān)閉作為計數(shù)器用的T0，讀出TH0、TL0中的數(shù)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(jié)，用作1 s閘門信號產(chǎn)生的“顯示時的計數(shù)器”每次中斷都會加1，而T0卻有一個周期是被關(guān)閉的，因此，計數(shù)值是251而不是250。這種方法產(chǎn)生了±1個誤差，在軟件中應消除這種誤差。

其轉(zhuǎn)速監(jiān)測流程圖如圖3所示。

4 結(jié)束語

采用AT89C52單片機和UGN-3501T霍爾傳感器組成的計數(shù)器電路測量HXD1型機車牽引電機的THTF4.5牽引風機轉(zhuǎn)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(shù)單位時間內(nèi)的脈沖個數(shù)來計算轉(zhuǎn)速。經(jīng)試驗表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠準確地測量牽引風機的轉(zhuǎn)速。為其他測量電機轉(zhuǎn)速提供很好的方法。

［1］ 孟立凡，藍金輝.傳感器原理與應用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

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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）