直线电机气隙检测装置

李 鑫

(广州市地下铁道总公司,511436,广州∥助理工程师)

直线电机是一种新型电机,近年来应用日益广泛。广州地铁4号线车辆采用直线电机,其感应板固定于地面,相当于电机的转子,跟导轨一起延伸到远处;而直线电机的定子安装在列车上,通以电流,列车就沿导轨前进。直线电机的定子跟感应板之间的气隙有严格要求,气隙大了会使车的牵引力不足,增加电耗;气隙小了,容易烧坏电机。为了减少人工测量气隙的误差,降低劳动强度,开发了直线电机气隙检测装置。目前该装置已在广州地铁4号线投入使用,性能较稳定,并且测量精度基本符合要求。由于此项目属科研项目,在使用的过程中会对设备进行进一步的改善。

1 工作原理

直线电机气隙检测装置能够通过在线动态检测车辆直线电机相对于检测点处轨平面的高度,经系统软件处理及分析计算出相应的气隙高度。为适应通过列车及检测工况的要求,装置能够自动判别列车运行方向、自动测量及计算车辆轴速、自动记录轴数,并根据设定的直线电机气隙判别模型,实现气隙高度值超限的预警、报警。该装置的下位机整体安装见图1。

图1 整体安装图

1.1 基本工作原理

当直线电机气隙检测装置识别出车辆将进入到检测区,即列车第一轴经过1号车轮传感器时,装置自动进入接车准备程序状态,系统初始化所有变量,并启动探测箱内气路吹去激光位移传感器表面灰尘;确认列车进入检测区间后(即车辆第1轴经过2号车轮传感器),系统启动天线及探测箱的保护门,开始加载激光位移传感器电源,准备采集电机高度数据和车号信息(当有标签经过天线上方时,车号采集单元读取标签信息);当列车经过激光传感器上方时,系统开始自动计算车速、采集高度数据;同时有标签经过天线上方时,则开始采集车号信息;当判断列车完全通过后,即列车的最后一轴经过3号车轮传感器时,经过一段延时时间,装置关闭保护门、关闭天线并进行数据处理。数据处理包括：截取电机高度数据,计算高度数据及相关值,计轴,计辆,标签的重签和错签的处理,标签的定位,高度警报识别,存盘并形成过车报文传送到数据管理及发布中心。

1.2 总体结构

直线电机气隙检测装置共有2个探测站,一个数据管理发布中心。探测站1被安装在广州地铁4号线洗车线上,探测站2被安装在4号线检修库内,探测站1、探测站2的数据传输给DCC(车厂调度)中的数据管理发布中心。系统的基本结构框图如图2所示。

图2 系统总体结构

1.3 各主要部件工作原理

1.3.1 激光位移传感器

激光位移传感器是整个系统当中最重要的部件之一,被安装在探测箱内部,用来测量直线电机高度。每个探测箱内安装有2个激光传感器,横向排开,从而检测直线电机的倾斜程度。传感器测量示意图如图3。传感器利用了激光三角反射原理：由传感器探头发射出的激光,通过特殊的透镜被汇聚成一个直径极小的光束;此光束被直线电机测量表面漫反射到一个分辨率极高的CCD(电荷耦合元件)图像传感器上;通过CCD所感应到光束位置的不同,可精确测量被测物体位置的变化。传感器在本系统中的工作原理如图4。

图3 传感器测量示意图

1.3.2 车轮传感器工作原理

车轮传感器在系统中的作用是作为车辆信号触发、测量轴速以及控制系统的逻辑动作。车轮传感器的测量原理是：传感器能够以非接触的方式识别铁磁物质;当铁磁物质即车辆轮对进入传感器测量范围内时,传感器产生信号,当铁磁物质离开传感器测量范围时信号消失,从而形成对车轮的识别。

1.3.3 微波天线

微波天线在本系统中的作用是识别车载标签。车号识别采用的是微波反射调制技术。地面天线发射微波并接收标签返回信息,解调反射回的微波信号,实时地分析微波信号,解读车号信息。车号信息被存储在车号标签内。车号标签是一种RFID(电子标签),其内部Flash(内存)中存储20位ASCII码信息。当标签进入到天线测量范围内,微波的能量激活标签内的电路;工作的电路将标签内信息、车号标签安装在地铁车辆底部,当车辆经过天线上部时,天线即读取标签内的信息。

图4 传感器测量示意图

图5 探测站主电柜内部结构图

1.3.4 探测站结构

轨旁设备是系统控制及数据处理的核心之一,主要有气泵柜及主机柜。气泵柜内由空压机及相关气动控制开关组成。主机柜内包括传感器输入输出控制用的电源及信号控制箱,提供系统AC(交流)电源的远程电源控制箱和UPS(备用电源),用于传感器信号计算及处理的工控机等。图5所示为主机柜组成示意图。系统中各类传感器信号通过分线箱进入电源及信号控制箱,再转入主机中,进行数据处理。详细信号传输原理如图6。

图6 主电柜内信号传输原理

2 系统软件流程图

系统软件采用Microsoft公司的Vc++6.0工具开发。系统检测程序主流程图如图7。

图7 软件流程图

3 结语

直线电机气隙检测装置是利用激光传感器来测量直线电机与感应板之间的间隙,并将每一列车的数据传输到服务器上,检修人员可以直观、准确地观察到气隙距离。当出现任何问题,该装置将会发出警告,并通知检修人员及时地处理。这种远程监控模式给工作带来了极大的方便：检修人员可以在同一时间观测到多台车的直线电机情况,如有故障,可以在第一时间进行抢修,避免了特殊事件的发生。这套系统还拥有远程操作功能,当检修人员需要关闭或重启某一套系统时,可以通过电话线进行远程控制,非常方便地将电源打开或者关闭。

[1] 王俊峰,孟令启.传感器应用技术[M].北京：机械工业出版社,2006.

[2] 郎为民.射频识别(RFID)技术原理与应用[M].北京：机械工业出版社,2006.