楊豐萍，劉 鋒，謝夢莎，鄭文奇

（華東交通大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，江西 南昌330013）

城市軌道交通以其準(zhǔn)時、便捷的優(yōu)點普遍受到國內(nèi)各大城市的青睞，軌道交通車輛使用的速度傳感器可對車輛行駛速度進(jìn)行監(jiān)測并將速度信號實時傳送給車輛控制系統(tǒng)。 一旦速度傳感器出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致牽引制動系統(tǒng)不能正常工作，直接影響軌道交通車輛的正常運行[1]。 對于速度越來越快的軌道交通車輛，只有準(zhǔn)確掌握車輛的瞬時速度與當(dāng)前位置，才能確保列車的行車安全和準(zhǔn)點到達(dá)[2]。 因此，軌道交通車輛速度傳感器的定期檢測已成為一個重要的車輛檢查項目。

我國軌道交通車輛常用的速度傳感器主要有光電式、霍爾式、磁電式、離心式這幾種[3]。 趙凱[4]研究了某鐵路機電有限公司研制的光電速度傳感器試驗臺， 它由大功率步進(jìn)電機及其驅(qū)動系統(tǒng)、TIC-2000 型機務(wù)檢測與試驗設(shè)備通用控制器和恒流恒壓電源組成。 秦科強[5]主要利用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM），通過IGBT 控制直流伺服電機電樞兩端的電壓從而實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的控制來模擬速度傳感器的工作環(huán)境，同時通過單片機的數(shù)據(jù)處理功能為儀器提供人機交互界面從而進(jìn)行測試。 以上兩試驗臺都沒有主動驅(qū)動和調(diào)節(jié)速度的功能，只能夠被動的接收速度信號，對接收到的速度信號進(jìn)行簡單的處理，無法進(jìn)行動態(tài)的模擬測試。

湯璐詰[6]研制了便攜式霍爾式速度傳感器試驗臺，由直流電機、DC15 V 電源、DC24 V 電源、PWM 直流控制板、機械轉(zhuǎn)速裝置等組成，它提供4 種不同的測試方法，分別為萬用表測試法、示波器測試法、在線測試法和離線測試法。 莊宣哲[7]研制了機車光電速度傳感器和壓力變送器測試一體機，其測試軟件由工控機控制軟件、單片機程序和檢測數(shù)據(jù)查詢管理軟件組成。工控機軟件采用LabView 環(huán)境開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2000。 袁虎林[8]研制了磁電式速度傳感器試驗設(shè)備，其測試軟件采用LabView 作為開發(fā)平臺，數(shù)據(jù)處理采用Access 數(shù)據(jù)庫模式。 這些測試裝置都只能測試單一型號的速度傳感器，不具備實時輸入輪徑值的功能，檢測精度也不高，而且大部分采用美國NI 公司的LabView 作為軟件開發(fā)工具，該軟件購買費用十分昂貴，導(dǎo)致成本過高，不利于批量生產(chǎn)。

針對以上不足，根據(jù)兩種型號速度傳感器自身參數(shù)以及軌道交通檢修部門對其檢測要求，以工控機、變頻器、交流異步電機、信號調(diào)理板和高速數(shù)據(jù)采集卡等作為硬件平臺，以微軟公司的Microsoft Visual Studio 2010 作為軟件開發(fā)平臺，使用Visual C++編程語言進(jìn)行軟件編寫，配合SQL Server 2010 數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，設(shè)計一種結(jié)合光電式和霍爾式兩種不同型號的速度傳感器試驗臺。它采用交流電機的轉(zhuǎn)動來模擬機車的行進(jìn)，通過變頻器控制電機的轉(zhuǎn)速來模擬不同時速，通過軟件手動輸入根據(jù)輪徑值換算成機車速度作為標(biāo)準(zhǔn)速度以及通過PCI 高速數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)換算成速度作為實測速度，最后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)速度和實測速度以及輸出波形的相位差和占空比來判斷速度傳感器性能的好壞。 相比較之前的試驗臺，該試驗臺能夠使用兩種不同類型的速度傳感器進(jìn)行檢測，具有實時輸入輪徑值的功能，軟件開發(fā)成本低，穩(wěn)定性更好，實時性更強，檢測精度也更高。

1 試驗臺系統(tǒng)構(gòu)成

新型速度傳感器試驗臺主要由機械和測控兩部分構(gòu)成[9]。 機械部分主要由操作臺、電機柜、速度傳感器測試工裝以及霍爾式速度傳感器測速齒輪等構(gòu)成。測控部分主要由控制系統(tǒng)、信號調(diào)理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及測試軟件等構(gòu)成。

1.1 機械部分

試驗臺機械部分分為左右兩個部分。 左邊部分主要放置工控機、顯示器、打印機、變頻器等一些電氣元件；右邊主要放置兩電機及電機座、適用于光電式和霍爾式兩種型號的速度傳感器測試工裝以及霍爾式速度傳感器測速齒輪等。 試驗臺外形如圖1 所示。

圖1 試驗臺外形Fig.1 The shape of test bench

1.2 測控部分

測控部分主要利用工控機軟件通過MODBUS-RTU 協(xié)議操控變頻器控制交流異步電機運轉(zhuǎn)來模擬軌道車輛的行進(jìn)，通過PCI 高速數(shù)據(jù)采集卡采集速度傳感器的輸出信號并送至工控機進(jìn)行分析處理及顯示[10]。

1.2.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要包括主電路和電機控制電路兩部分。主電路中有2 臺三相交流異步電機：M1 為霍爾式傳感電機，M2 為TQG15 型光電式傳感電機，由接觸器KM2，KM3 的主觸點控制。 380 V 供電電源經(jīng)由斷路器QF1 連接到接觸器KM1，再接入變頻器，即可實現(xiàn)對電機的調(diào)控，其主電路如圖2 所示。

對主電路的控制實際上是由電機控制電路來完成的，電機控制電路如圖3 所示。 對電機控制電路圖做簡要分析，以選擇TQG15 型光電式傳感電機為例：

1） SA0 是電機控制電路電源開關(guān)，SB3 是“緊急停止” 按鈕，SB1 是電機停止按鈕，SB2 是電機啟動按鈕，SA1 是傳感器類型選擇旋鈕。

2） 將“傳感器類型”旋鈕SA1 旋轉(zhuǎn)到KM3 線圈所在支路，閉合電源開關(guān)SA0， KM3 常開觸頭閉合，常閉觸頭打開，形成互鎖以保證同一時間只啟動一個電機。

圖2 主電路圖Fig.2 Main circuit diagram

3） 按下電機啟動按鈕SB2，線圈KM1 得電，其常開觸頭閉合形成自鎖而持續(xù)得電，電機電源指示燈被點亮。 主電路中KM1 和KM3 的常開觸頭閉合，變頻器得電工作啟動電機M2。

4） 按下電機停止按鈕SB1，KM1 線圈失電，其常開觸頭因失電而斷開，自鎖解除，電機電源指示燈熄滅。 同時，主電路KM1 常開觸頭斷開，電機失電停止旋轉(zhuǎn)。

5） 遇到緊急情況時，按下“緊急停止”按鈕SB3，整個電機控制電路失電，主電路KM1 常開觸頭打開，電機失電停止旋轉(zhuǎn)，從而保護電路避免危險發(fā)生。

1.2.2 信號調(diào)理系統(tǒng)

TQG15 型光電式速度傳感器工作電源電壓Vcc為10～30 VDC，本研究TQG15BL 型工作電壓為24 VDC，輸出脈沖幅度高電平VH≥9 V，低電平VL≤2.0 V；霍爾式速度傳感器工作電源電壓Vcc為10～20 VDC，在本研究中設(shè)定為15 VDC，輸出脈沖幅度高電平VH≥0.8 V，低電平VL≤1.0 V，由于數(shù)據(jù)采集卡只能采集0～5 V電壓，所以，需要設(shè)計全波精密整流降壓電路來對交流電壓進(jìn)行降壓處理。 TQG15BL 型光電式速度傳感器使用直流電壓傳感器作為信號調(diào)理模塊， 該器件采用調(diào)制解調(diào)型隔離原理， 對其輸出的直流電壓進(jìn)行實時測量，并將其變換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓V2輸出，輸出送入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集處理[11]；霍爾式速度傳感器使用交直流電壓傳感器作為信號調(diào)理模塊，該器件采用線性光電隔離原理，對其輸出的交直流電壓進(jìn)行實時測量，并將其變換為標(biāo)準(zhǔn)的跟蹤電壓Vg輸出，輸出送入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集處理[12]。

1.2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要利用PCI 高速數(shù)據(jù)采集卡采集速度傳感器的模擬信號， 經(jīng)過采集卡的A/D 轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳送給工控機進(jìn)行分析處理顯示[13]。 其數(shù)據(jù)采集和處理流程圖分別如圖4，圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.4 Flow chart of data acquisition

圖5 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.5 Flow chart of data processing

1.2.4 測試軟件

試驗臺測試軟件主要使用Microsoft Visual Studio 2010 軟件開發(fā)工具下的VC++開發(fā)語言進(jìn)行編寫，采用SQL Server 2010 數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)。 該檢測軟件具有速度傳感器實時波形顯示、檢測結(jié)果存儲、歷史數(shù)據(jù)查看和清空、生成打印報表等功能。 軟件設(shè)計流程如圖6 所示。

圖6 軟件設(shè)計流程圖Fig.6 Flow chart of software design

2 試驗臺的功能實現(xiàn)

2.1 速度測試

通過軟件手動設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)速度以及通過變頻器來驅(qū)動電機以一定的速度運轉(zhuǎn)，通過速度傳感器測試電機的運轉(zhuǎn)速度，將實測速度與標(biāo)準(zhǔn)速度進(jìn)行對比來判斷速度傳感器性能的好壞。不同速度下的測試結(jié)果如表1所示。

表1 速度測試數(shù)據(jù)表Tab.1 Speed test data sheet

從表中可以看出：該試驗臺測試精度較高，可以達(dá)到0.2%，滿足實際檢測要求。

2.2 波形測試

高速數(shù)據(jù)采集卡將速度傳感器測試電機運轉(zhuǎn)速度的模擬信號進(jìn)行采集，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換傳入工控機，經(jīng)檢測軟件計算處理后得出速度傳感器的波形以及信號周期、占空比和兩路信號的相位差。

對TQG15BL 型光電式速度傳感器在10，40，80 km/h 的速度下進(jìn)行測試， 其占空比分別為51.5%，49.9%，50.1%； 相位差分別為113.5°，100.2°，88.9°。 而TQG15 型光電式速度傳感器合格脈沖占空比是50±20%，合格相位差是90°±45°，由此可見IQG15BL 型光電式速度傳感器性能良好。與此同時，從波形曲線穩(wěn)定程度上看，試驗臺有效抑制了測試過程中的隨機干擾信號，穩(wěn)定性和抗干擾性較好。

3 結(jié)論

設(shè)計的新型速度傳感器試驗臺操作簡便，抗干擾性強，電機調(diào)速控制范圍寬，有效提高了檢測精度；同時，實現(xiàn)了兩種不同類型速度傳感器的多參數(shù)性能檢測，彌補了之前檢測試驗臺功能單一性缺陷，提高了檢測效率，降低了經(jīng)濟成本。 試驗臺已初步調(diào)試成功，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，安全可靠。