馬春浩 李鵬飛

（1.中車青島四方車輛研究所有限公司制動(dòng)事業(yè)部，山東 青島 266031；2.青島地鐵集團(tuán)有限公司，山東 青島 266031）

1 電流型速度傳感器信號(hào)采集電路

電流型速度傳感器是有源型速度傳感器，需要防滑控制主機(jī)給速度傳感器提供DC15 V 電源。速度傳感器的輸出頻率為0 kHz～12 kHz，測(cè)量速度為0 km/h～600 km/h，能夠滿足城軌、機(jī)車、客車以及動(dòng)車組等軌道交通列車的使用需求，是軌道交通行業(yè)應(yīng)用最廣泛的速度傳感器，其具有以下5 個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1） 能檢測(cè)零速度和超低頻。2） 輸出信號(hào)的電壓幅度不隨頻率的變化而改變。3） 信號(hào)可以直接接到大多數(shù)電子電路上。4） 抗干擾能力強(qiáng)。5） 構(gòu)造簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、體積小且耐沖擊。

電流型速度傳感器的工作原理也決定了它的缺點(diǎn)：1）不能單獨(dú)工作，需要配備一個(gè)電流信號(hào)激發(fā)設(shè)備。2）傳感器與后續(xù)電路進(jìn)行連接時(shí)，如果輸出電壓過(guò)低，則需要多次使用信號(hào)放大器進(jìn)行的逐級(jí)放大。3）鑒于其傳感器的輸出特性，實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)與真實(shí)的數(shù)據(jù)存在一定的誤差。

速度傳感器產(chǎn)生恒常的、高低不一的瞬態(tài)電脈沖（通常低電頻信號(hào)為7 mA，高電頻信號(hào)為14 mA），以表示ON/OFF狀態(tài)，傳感器輸出的曲線如圖1 所示。

圖1 電流型速度傳感器輸出特性曲線

在設(shè)計(jì)采樣電路時(shí)，先通過(guò)采樣電阻將電流脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓脈沖，經(jīng)過(guò)RC 濾波器后再進(jìn)入比較器。電流脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓脈沖的原因?yàn)槭潜容^器是將一個(gè)模擬電壓信號(hào)與一個(gè)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較的電路。取其較大值作為比較器激活信號(hào)，如果模擬電壓信號(hào)比基準(zhǔn)電壓信號(hào)大，則輸出為二進(jìn)制信號(hào)的1，即通路或輸出高電位，反之則輸出為0 或低電位。在選擇比較器時(shí)，選用遲滯比較器。與單限比較器相比，遲滯比較器具有滯回特性、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，遲滯比較器具有2 個(gè)參考電平作為觸發(fā)電平（即和）。當(dāng)輸入電壓值低于時(shí)，比較器將會(huì)輸出低電平；當(dāng)輸入電壓值超出時(shí)，比較器將會(huì)輸出高電平；當(dāng)輸入電壓值為～時(shí)，此時(shí)輸出結(jié)果將保持原有輸出不變。其電氣原理如圖2 所示。

圖2 遲滯比較器電氣原理圖

由分壓電阻、構(gòu)成正反饋。輸入電壓開始逐漸增加時(shí)（圖3），分壓電阻、和輸入電壓的增幅規(guī)律是一致的，在分壓電阻R處的電壓超過(guò)同相閾值之前， 輸出將一直保持為，如公式（1）所示。

圖3 遲滯比較器輸出波形

在閾值點(diǎn)，反相端輸入電壓大于同相端的輸入電壓，輸出電壓迅速?gòu)奶優(yōu)?。輸出保持為低電平，直到輸入?jīng)過(guò)新的閾值點(diǎn)5 ，這時(shí)同相輸入電壓高于反相輸入電壓，輸出電壓迅速跳變回。

如公式（2）所示。

式中：、為比較器的輸出電壓，單位為V；、為比較器的閾值。

遲滯比較器可以解決輸入信號(hào)的波動(dòng)或噪聲導(dǎo)致誤觸發(fā)的問(wèn)題。遲滯比較器將分壓電阻R處的電壓（其電壓增幅規(guī)律與輸入電壓一致）與基準(zhǔn)電壓、進(jìn)行比較，消除了因電流瞬變而導(dǎo)致的錯(cuò)誤，同時(shí)，電壓的在遲滯比較器的和之間形成遲滯區(qū)間，遲滯區(qū)間會(huì)促使輸入波形噪聲和毛刺多次穿越臨界電壓，但是即便如此，仍可保證輸出信號(hào)的穩(wěn)定性。另外，遲滯區(qū)間區(qū)間值的大小會(huì)嚴(yán)重影響其抑制能力，區(qū)間越大其對(duì)噪聲的抑制能力越強(qiáng)，反之會(huì)越弱。當(dāng)任何小于2的干擾或噪聲都不會(huì)引起輸出變化，提高了電路的抗干擾能力。但這種情況很容易形成一種遲滯區(qū)間越大越好的假象，易產(chǎn)生觸發(fā)遲鈍，即會(huì)造成對(duì)信號(hào)的變化不靈敏的情況。

不靈敏的表現(xiàn)為遲鈍和不動(dòng)作，例如當(dāng)輸入電壓在R處的電壓分量達(dá)到2或者是2時(shí)，輸出電壓才會(huì)發(fā)生變化。

速度信號(hào)采集電路設(shè)自檢功能，在速度信號(hào)超范圍后報(bào)故障，故障信號(hào)通過(guò)光耦隔芯片對(duì)內(nèi)外電路進(jìn)行隔離處理后傳送到CPU。自檢電路電氣原理如圖4 所示。

圖4 故障電路設(shè)計(jì)原理

電流頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣電阻后轉(zhuǎn)換為電壓脈沖信號(hào)，再進(jìn)入由2 個(gè)比較器組成的窗口比較器，參考電平經(jīng)過(guò)電阻分壓后作為窗口比較器的閾值。

當(dāng)速度信號(hào)正常時(shí)，2 個(gè)比較器同時(shí)輸出高電平。當(dāng)速度信號(hào)超出正常范圍后，一個(gè)比較器輸出低電平，在與另一個(gè)比較器輸出的高電平進(jìn)行比較后，輸出低電平。同樣通過(guò)光耦的隔離及電平轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過(guò)與非門的進(jìn)一步整形后輸入CPU，CPU 檢測(cè)出速度信號(hào)超范圍后報(bào)故障并顯示。

電流型速度傳感器采集電路原理如圖5 所示，速度傳感器感受速度產(chǎn)生7 mA 或14 mA 的速度信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣電阻后轉(zhuǎn)換為0.77 V 或1.54 V 的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)RC 濾波器后進(jìn)入滯回比較器，與滯回比較器的基準(zhǔn)電壓、進(jìn)行比較，從而決定輸出電壓為高電平的24 V 或者0 V，滯回比較器的輸出電壓進(jìn)入光耦隔離后送出并轉(zhuǎn)換為電壓為0 V 或者5 V的頻率信號(hào)，經(jīng)過(guò)與非門后進(jìn)入CPU 進(jìn)行頻率計(jì)算。

圖5 電流型速度傳感器采集電路原理圖

自檢電路負(fù)責(zé)速度信號(hào)的故障判斷，當(dāng)速度信號(hào)低于7 mA 或高于14 mA 時(shí)，給CPU 輸出故障信號(hào)。

電流型速度傳感器內(nèi)部具有電源和信號(hào)2 根線，信號(hào)線同時(shí)也是傳感器供電回路的電源負(fù)線，頻率信號(hào)需要串聯(lián)1個(gè)阻值與之相適應(yīng)的采樣電阻，目的是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定幅值的電壓信號(hào)，從而經(jīng)調(diào)理后輸出TTL 電平的頻率信號(hào)，并傳送給處理器。

2 電壓型速度傳感器信號(hào)采集電路

電壓型速度傳感器為無(wú)源型速度傳感器，采用永磁式電磁感應(yīng)原理，在磁路上設(shè)置線圈，當(dāng)被測(cè)鐵質(zhì)齒輪的齒頂掃過(guò)傳感器端頭時(shí)，設(shè)置在磁路上的線圈感應(yīng)電勢(shì)，輸出正弦波，通過(guò)檢測(cè)正弦波的頻率達(dá)到檢測(cè)轉(zhuǎn)速的目的。其優(yōu)點(diǎn)如下：1） 價(jià)格低。2） 雙線連接。所用的線可高可低，避免接線誤差，2 根引線短路并不損壞敏感元件。3） 使用壽命長(zhǎng)。4） 速度檢測(cè)頻率超過(guò)20 kHz。

但其缺點(diǎn)也較為明顯：1）采用的是電池感應(yīng)原理，當(dāng)被測(cè)齒輪不能快速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)時(shí)，傳感器上的磁路不能產(chǎn)生感應(yīng)正弦波，因此不能用于檢測(cè)超低頻或零速度的轉(zhuǎn)速。2） 當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也會(huì)過(guò)高，輸出正弦波也隨之增高，即輸出信號(hào)電壓的幅值隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，轉(zhuǎn)速太高時(shí)可能損壞轉(zhuǎn)速計(jì)電路。3） 輸出正弦波的斜率隨信號(hào)幅度的不同而變化，當(dāng)幅值過(guò)高時(shí)，其激增的斜率也越高，存在一定誤差。因此電壓型速度傳感器在軌道交通行業(yè)應(yīng)用較少，其輸出波形如圖6 所示。

圖6 電壓型速度傳感器輸出波形

傳感器輸出頻率與轉(zhuǎn)速成正比，其輸出電壓峰峰值也會(huì)隨輸出頻率的提高而增大，在某一時(shí)刻可達(dá)到最大值300 V，然后逐漸收斂，一直降至電壓最低值（與最高值對(duì)稱，為-300 V），再升高-降低，在電壓高峰峰值與低谷最小值之間呈正弦狀態(tài)反復(fù)變化。為了處理該高電壓信號(hào)，通過(guò)2 個(gè)二極管對(duì)該信號(hào)進(jìn)行削波，電路如圖7 所示。

圖7 削波電路

二極管選用1N4007 整流二極管，最高反向耐壓為1 000.0 V。當(dāng)輸入電壓低于5.7 V 時(shí)，二極管D導(dǎo)通，1 點(diǎn)電壓變?yōu)?.7 V；當(dāng)輸入電壓低于-0.7 V 時(shí)，二極管D導(dǎo)通，1 點(diǎn)電壓變?yōu)?0.7 V。經(jīng)過(guò)削波后，1 點(diǎn)電壓波形如圖8 所示。為了防止輸入高電壓對(duì)二極管造成損壞，在二極管前端加了1 個(gè)功率為2 W 的電阻，以消耗能量。

圖8 削波后速度信號(hào)波形

當(dāng)速度較低（低于1 km/h）時(shí)，速度信號(hào)幅值較低，峰值低于0.3 V。為了能夠采集低速信號(hào)，在對(duì)速度信號(hào)進(jìn)行削波后，放大速度信號(hào)。選用運(yùn)算放大器PA340 芯片為輸入、輸出，以增強(qiáng)信號(hào)，單電源5 V 供電，輸入電壓范圍為0 V～5 V，輸出電壓范圍為0 V～5 V。簡(jiǎn)化后的模擬量放大電路如圖9 所示。

圖9 差分比例放大電路

如公式（3）所示。

式中：、為輸入電壓，V；為輸入電壓，V。

通過(guò)配置電阻阻值可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。在放大速度信號(hào)后，通過(guò)與電流型速度傳感器相同的滯回比較器、光耦進(jìn)行隔離以及與非門進(jìn)行整形后，進(jìn)入CPU。CPU 采集此次脈沖信號(hào)的頻率，以計(jì)算列車速度。

電壓型速度傳感器輸出信號(hào)電壓范圍較大，無(wú)法確定其上、下限，因此沒有設(shè)計(jì)故障判斷電路。

電壓型速度傳感器采集電路原理如圖10 所示，因?yàn)殡妷盒退俣葌鞲衅鬏敵龅恼也ㄐ盘?hào)峰峰值波動(dòng)范圍較大，所以先設(shè)計(jì)了削波電路，將電壓信號(hào)限值為-0.7 V～5.7 V，后端設(shè)計(jì)了差分比例放大電路，放大峰值較小的速度信號(hào)，通過(guò)滯回比較器后輸出0 V 或者24 V 高、低電平，再進(jìn)入光耦隔離輸出并轉(zhuǎn)換為0V 或者5 V 的電壓頻率信號(hào)，經(jīng)過(guò)與非門后進(jìn)入CPU 進(jìn)行頻率計(jì)算。

圖10 電壓型速度傳感器采集電路原理圖

電壓型傳感器的內(nèi)部采集原理一般需要3 根線：電源線、信號(hào)線和地線，傳感器與調(diào)理電路共地，信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理，將TTL 電平的頻率信號(hào)傳輸給處理器。

3 速度采集電路功能驗(yàn)證

在完成速度傳感器采集電路的設(shè)計(jì)工作后，分別制成電流型速度傳感器采集電路板及電壓型速度傳感器采集電路板，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)其功能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試工裝包括電機(jī)、測(cè)速齒盤、電流型及電壓型速度傳感器和速度信號(hào)采集板。

電機(jī)控制器控制電機(jī)按照一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)測(cè)速齒盤轉(zhuǎn)動(dòng)，速度傳感器采集電路對(duì)采集的速度信號(hào)進(jìn)行處理并傳輸給CPU，CPU 計(jì)算轉(zhuǎn)速后，通過(guò)CAN 總線發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示，將計(jì)算的轉(zhuǎn)速與控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比，判斷速度傳感器采集電路的功能及精度。

該文對(duì)上述2 種傳感器采集電路板進(jìn)行性能和精度分析，依次在不同速度量程下實(shí)測(cè)不同速度值，通過(guò)采用數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)的方法，選取平均值、方差依次研究分析其準(zhǔn)確性和精度，詳細(xì)數(shù)據(jù)如下。

數(shù)據(jù)分析：由上述量表數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)為2 500 r/min～5 500 r/min 時(shí)，實(shí)際測(cè)量值與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速最接近，其準(zhǔn)確率也高，在這段測(cè)量范圍內(nèi)，電壓型速度傳感器采集電路板比電流型速度傳感器采集電路板更接近實(shí)際值，即前者的精度比后者更高。

由上述數(shù)據(jù)的平均方差可知，S2 電流型速度傳感器＞S2電壓型速度傳感器，即在數(shù)據(jù)置信度足夠時(shí)，電壓型速度傳感器采集電路板的測(cè)量誤差比電流型速度傳感器采集電路板更低，數(shù)據(jù)收斂程度更高。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，2 種速度采集電路都能夠采集電流型速度傳感器及電壓型速度傳感器產(chǎn)生的速度信號(hào)，CPU 采集速度信號(hào)精度小于或等于0.1%，滿足防滑控制主機(jī)系統(tǒng)的要求。

分別將2 種速度采集電路與防滑系統(tǒng)一起進(jìn)行絕緣耐壓、電磁兼容以及高低溫等一系列地面型式試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果均符合鐵路相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

該文研究了電流型速度傳感器及電壓型速度傳感器的工作原理，針對(duì)兩者輸出速度信號(hào)的特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)了2 種速度采集電路，使用科學(xué)的數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)分析其在速度測(cè)量方面的性能，結(jié)果顯示，2 種速度采集電路均能滿足鐵路列車防滑系統(tǒng)的使用要求。速度傳感器的采集電路在地鐵車輛上已然進(jìn)行裝車運(yùn)用，并已在城軌、客車以及動(dòng)車組等軌道交通列車上實(shí)現(xiàn)了批量應(yīng)用。

表1 電壓型速度傳感器采集電路板數(shù)據(jù)

表2 電流型速度傳感器采集電路板數(shù)據(jù)