周志強(qiáng)　中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司電務(wù)處

1 設(shè)計(jì)思路

速度傳感器安裝在機(jī)車、車輛上，用于LKJ車載系統(tǒng)、機(jī)車控制系統(tǒng)、車輛防滑及軸承監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置的速度信號(hào)采集。光電轉(zhuǎn)速傳感器作為軸端安裝的速度傳感器，在鐵路機(jī)車、車輛上有著廣泛的應(yīng)用。光電轉(zhuǎn)速傳感器安裝在機(jī)車、車輛的軸箱上，傳感器與輪軸傳動(dòng)接口采用方形連接孔，互換、安裝比較方便。但在實(shí)際應(yīng)用中存在一些問題，相對(duì)于目前應(yīng)用的霍爾轉(zhuǎn)速傳感器而言，產(chǎn)品壽命短，使用維護(hù)成本高?；魻杺鞲衅鞑捎梅墙佑|式磁感應(yīng)技術(shù)，通常采用傳感器+測(cè)速齒輪方式。測(cè)速齒輪安裝在需要測(cè)速的傳動(dòng)軸上，霍爾傳感器安裝在測(cè)速齒輪頂面，通過感應(yīng)齒頂、齒根不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度，輸出與輪軸速度成線性比例的方波信號(hào)。此次研發(fā)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一種能與光電傳感器安裝方式兼容的軸端霍爾傳感器，如果采用霍爾傳感器+測(cè)速齒輪方式計(jì)算：

按照每轉(zhuǎn)200脈沖，測(cè)速齒輪齒數(shù)=200，按模數(shù)=2計(jì)算，測(cè)速齒輪外徑達(dá)到404mm，軸端無法實(shí)現(xiàn)；

如果按照每轉(zhuǎn)72脈沖，測(cè)速齒輪齒數(shù)=72，按模數(shù)=2計(jì)算，測(cè)速齒輪外徑=148mm,按照現(xiàn)有的軸端光電傳感器的安裝方式，也是不能實(shí)現(xiàn)的。

因此，我們確定采用“多極磁環(huán)+霍爾感應(yīng)電路”的一體化傳感器方式，考慮到每轉(zhuǎn)200脈沖傳感器的多級(jí)磁環(huán)研制難度最大，最后確定，軸端霍爾轉(zhuǎn)速傳感器每轉(zhuǎn)輸出200脈沖，其他不同脈沖數(shù)（72、80）的產(chǎn)品通過更換多極磁環(huán)實(shí)現(xiàn)。多極磁環(huán)軸端霍爾轉(zhuǎn)速傳感器采用霍爾技術(shù)，應(yīng)用非接觸式磁感應(yīng)原理，解決了光電速度傳感器應(yīng)用中存在的參數(shù)漂移問題，有效降低了機(jī)械磨損對(duì)設(shè)備參數(shù)的影響，極大的延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，降低了傳感器全壽命期的運(yùn)營(yíng)管理成本。傳感器采用軸端安裝方式，安裝結(jié)構(gòu)、電氣連接方式與光電傳感器相同，能直接替換光電轉(zhuǎn)速傳感器。

多極磁環(huán)軸端霍爾轉(zhuǎn)速傳感器采用電流環(huán)監(jiān)測(cè)技術(shù)，當(dāng)傳感器出現(xiàn)電纜短路或通道短路故障時(shí)，監(jiān)測(cè)電路能自動(dòng)切斷故障通道供電，隔離短路通道，維持對(duì)非故障通道的供電，確保速度信號(hào)的正常輸出，提升車載速度系統(tǒng)的可靠性，降低速度傳感器通道故障對(duì)運(yùn)輸安全的影響。

2 功能實(shí)現(xiàn)

2.1 應(yīng)用范圍

多極磁環(huán)軸端霍爾轉(zhuǎn)速傳感器可用于機(jī)車ATP/LKJ車載系統(tǒng)、機(jī)車控制系統(tǒng)、車輛防滑及軸承監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置的速度信號(hào)采集。在車載LKJ系統(tǒng)中，速度信號(hào)是車載系統(tǒng)的控制依據(jù)，當(dāng)速度傳感器故障時(shí)，車載系統(tǒng)也將轉(zhuǎn)入故障模式，直接影響列車安全運(yùn)行。

2.2 主要特點(diǎn)

（1）采用“多極磁環(huán)+霍爾感應(yīng)電路”的一體化傳感器方式，通過霍爾元件在每個(gè)磁極通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，傳感器輸出和速度成線性比例的方波信號(hào)。

（2）采用模塊化設(shè)計(jì)，霍爾感應(yīng)電路分為磁感應(yīng)電路和霍爾信號(hào)處理兩個(gè)部分，霍爾磁感應(yīng)電路采用模塊化封裝方式。

（3）模塊電路采用多電位抗干擾接地方式，提高抗電磁干擾能力。

（4）采用電流環(huán)監(jiān)測(cè)技術(shù)，當(dāng)傳感器某一通道出現(xiàn)短路故障或工作電流異常超標(biāo)時(shí)，自動(dòng)切斷故障通道供電，實(shí)現(xiàn)通道隔離。

（5）采用高強(qiáng)度鋁鑄件，關(guān)鍵部件采用滲氮處理，提高部件的表面硬度及耐磨性，延長(zhǎng)使用壽命。

（6）采用單軸承、雙油封設(shè)計(jì)方案，提高了安裝精度，保證了速度信號(hào)的準(zhǔn)確性。

2.3 主要功能

（1）速度信號(hào)方波輸出功能?；魻柛袘?yīng)電路整體封裝在銅套內(nèi)，安裝在殼體內(nèi)側(cè)面，輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，連接軸帶動(dòng)多極磁環(huán)與輪軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在側(cè)面的霍爾元件在每個(gè)磁極通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，再經(jīng)過波形處理及負(fù)載調(diào)節(jié)，輸出和輪軸速度成線性比例的方波信號(hào)。

（2）電源極性保護(hù)功能。輸入電源接反時(shí)，傳感器電路模塊自動(dòng)截止反向電壓，保護(hù)電路模塊；恢復(fù)正常電源接入時(shí)，電路模塊正常工作。

（3）輸出短路保護(hù)功能。傳感器速度信號(hào)輸出端對(duì)地短路時(shí)，電路模塊自動(dòng)進(jìn)入限流模式，保護(hù)電路模塊；短路消除后，模塊能自動(dòng)恢復(fù)。

（4）過壓防護(hù)功能。電源輸入端有過電壓脈沖時(shí)，ESD回路瞬間導(dǎo)通，自動(dòng)抑制過電壓、消除干擾脈沖。

（5）通道短路隔離功能。多極磁環(huán)軸端霍爾轉(zhuǎn)速傳感器采用電流環(huán)監(jiān)測(cè)技術(shù)，當(dāng)某一通道出現(xiàn)短路故障或工作電流異常超標(biāo)時(shí)，監(jiān)測(cè)電路能自動(dòng)切斷故障通道供電，避免影響其他通道的正常工作，確保其他速度通道能正常工作并輸出速度信號(hào)。

（6）抗電磁干擾功能。多極磁環(huán)軸端霍爾轉(zhuǎn)速傳感器采用多電位抗干擾接地方式，在傳感器電源負(fù)線和外殼之間施加峰峰值為500V,頻率8kHz模擬電磁干擾信號(hào)條件下，傳感器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)、占空比、信號(hào)幅值，相位差符合要求。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

多極磁環(huán)軸端霍爾轉(zhuǎn)速傳感器由器座組件、連接電纜及電連接器組成，器座組件由機(jī)械結(jié)構(gòu)及電路模塊兩部分組成。

機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要由鑄鋁器座、端蓋、萬向聯(lián)軸器、高速軸承、多極磁環(huán)及安裝軸組成。

電路部分主要由電源輸入電路、霍爾感應(yīng)電路、波形處理、負(fù)載調(diào)節(jié)、輸出保護(hù)、電流檢測(cè)及故障隔離電路組成。

多極磁環(huán)軸端霍爾轉(zhuǎn)速傳感器電路結(jié)構(gòu)技術(shù)框圖見圖1。

圖1 傳感器電路結(jié)構(gòu)框圖

傳感器電連接器采用JL5型航空連接器，方便與車載電纜的連接。

傳感器電路采用整體灌封，密封性能好，絕緣強(qiáng)度高；電流檢測(cè)-故障隔離電路模塊封裝在JL5連接器的連體尾部，對(duì)傳感器電路模塊及連接電纜進(jìn)行短路防護(hù)隔離。

4 原理概述

4.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)原理

多極磁環(huán)軸端霍爾轉(zhuǎn)速傳感器采用高強(qiáng)度鑄鋁件，所用部件均采用數(shù)控設(shè)備加工，各部件加工后進(jìn)行金屬熱處理，提高部件強(qiáng)度及耐用性，主要部件采用滲氮處理，提高部件表面硬度和耐磨性，提高了加工、安裝精度，確保了速度方波的一致性和準(zhǔn)確度。

傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)部分采用高速雙列角接觸球軸承，極限轉(zhuǎn)速高、徑向載荷大，解決了單列雙軸承結(jié)構(gòu)由于軸承配對(duì)不良造成的同心度偏差，保證了產(chǎn)品精度。

傳感器傳動(dòng)部分采用萬向聯(lián)軸器連接，能克服安裝不同心及驅(qū)動(dòng)間隙造成的運(yùn)行故障。

為了提高傳感器防水防油密封性能，軸端霍爾轉(zhuǎn)速傳感器采用雙油封結(jié)構(gòu)，解決了安裝端面的防水防塵問題，提高了軸承的潤(rùn)滑性能，保證了速度信號(hào)的精度（見圖2）。

圖2 高速軸承剖面結(jié)構(gòu)圖

4.2 電路工作原理

傳感器電路模塊采用整體灌封，提高了密封性及絕緣性能。霍爾感應(yīng)電路封裝在銅套內(nèi)，抗電磁干擾效果好，也方便安裝調(diào)試。考慮到傳感器在高速轉(zhuǎn)動(dòng)及振動(dòng)環(huán)境下長(zhǎng)期工作，選用高可靠性高速軸承，使用壽命期內(nèi)免維護(hù)，提高了設(shè)備運(yùn)行可靠性。

模塊電路主要完成磁電轉(zhuǎn)換及速度信號(hào)方波輸出。輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過霍爾效應(yīng)芯片感應(yīng)環(huán)形磁環(huán)磁極，經(jīng)磁電轉(zhuǎn)換及波形處理后輸出與速度成線性比例的方波信號(hào)（見圖3）。

圖3 傳感器（四通道）波形圖

傳感器電路模塊主要由電源電路、霍爾感應(yīng)電路、霍爾信號(hào)處理電路及抗干擾電路組成。

電源電路主要由極性保護(hù)電路、過壓保護(hù)電路、ESD保護(hù)電路、穩(wěn)壓電路組成。

霍爾感應(yīng)電路主要由恒壓驅(qū)動(dòng)電路及霍爾效應(yīng)芯片組成。

霍爾信號(hào)處理電路主要由波形處理電路、負(fù)載調(diào)節(jié)、輸出保護(hù)電路組成（見圖4）。

圖4 霍爾磁感應(yīng)等效電原理圖

為了提高模塊電路的抗干擾能力，模塊電路采用多電位抗干擾接地方式，較好的解決了各回路間的“竄擾”處理問題，實(shí)現(xiàn)各功能回路間的電磁干擾濾波抑制，提高了抗電磁干擾能力。

4.3 電流檢測(cè)--故障隔離電路原理

傳感器電流檢測(cè)-故障隔離電路模塊封裝在電連接器的連體尾部。當(dāng)傳感器某一速度通道出現(xiàn)短路故障或工作電流異常超標(biāo)時(shí)，模塊電路自動(dòng)切斷該通道供電，避免由于短路或電流異常造成LKJ供電側(cè)過流保護(hù)，從而停止傳感器供電，使無故障通道不能得電工作的問題。

故障通道隔離后，模塊電路切除該通道的供電，使LKJ供電側(cè)負(fù)載恢復(fù)正常，從而使無故障速度通道恢復(fù)正常工作，并輸出速度信號(hào)，確保車載LKJ系統(tǒng)的正常運(yùn)行。傳感器電流檢測(cè)-故障隔離電路由環(huán)路電流檢測(cè)、電流值比較、隔離控制和通道斷開電路組成（見圖5）。

各單元電路功能：（1）環(huán)路檢測(cè)單元：實(shí)現(xiàn)傳感器各通道的工作電流檢測(cè)。（2）電流值比較單元：通道電流與設(shè)定最大電流（短路電流）進(jìn)行比對(duì)控制。

（3）隔離控制：通道電流超限時(shí)，輸出控制信號(hào)。

（4）通道斷開單元：隔離故障通道，切斷供電。

圖5 電流檢測(cè)-故障隔離電路原理框圖

5 結(jié)束語

研制開發(fā)的多極磁環(huán)軸端霍爾轉(zhuǎn)速傳感器，采用磁感應(yīng)霍爾技術(shù)提高傳感器使用壽命，降低常態(tài)機(jī)械磨損對(duì)傳感器參數(shù)的影響，提高傳感器全壽命期技術(shù)參數(shù)的一致性，降低使用成本、提高運(yùn)營(yíng)管理效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳感器通道短路故障的自動(dòng)隔離，進(jìn)一步提升速度傳感器的抗干擾能力和運(yùn)行可靠性。通過更換多極磁環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)不同脈沖數(shù)的速度方波信號(hào)輸出，提升了產(chǎn)品使用價(jià)值，擴(kuò)展了更多應(yīng)用領(lǐng)域。進(jìn)一步促進(jìn)了車載設(shè)備整體質(zhì)量，更好地保障了行車安全。

[1]LKJ列控技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2012.

[2]傳感器原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.