新型地铁速度传感器检测系统设计*

杨丰萍，袁芦北，鲍丙东，卢 义

(华东交通大学 电气与电子工程学院，江西 南昌330013)

0 引 言

地铁速度传感器的作用十分重要，其性能的好坏，将直接影响地铁的行车安全和正常运行，因此，为了乘务人员生命财产安全，对地铁速度传感器的检测已成为了必不可少的一个环节。不同地铁公司使用的速度传感器类型不同，我国地铁公司主要采用由霍尔式和光电式两大类速度传感器。如果采用常规方法，采用不同设备进行分项测试，存在可靠性差、检出率低、测试效率低等问题，不利于批量生产［1］。所以，设计一种高效率、高性能、经济方便的新型测试系统是十分必要的［2］。

根据地铁公司检修部门对速度传感器检测要求和速度传感器自身参数，以工控机、PCI 高速数据采集卡、变频器和伺服电机等作为硬件平台，以Microsoft Visual Studio 2008作为软件平台，本文设计一种能检测霍尔式和光电式速度传感器检测系统。该系统具有速度传感器类型选择、手动检测、自动检测、轮径值设置、波形显示和历史数据分析等功能，相比较现有的检测系统，该系统能够在一个台子上检测光电式和霍尔式两种不同类型的速度传感器。

转速测量被广泛应用在自动化生产线、智能机器人、风力水力发电机、电动车汽车速度测量、伺服电机转速控制等诸多领域［3］。通过转速测量可以在小空间内进行小角度变化、直线速度、大位移、乃至能量功率的测量计算，最终实现对自动化工业的实时测量、监控和控制［4～7］。该检测系统用伺服电机的转动来模拟地铁的行进，通过变频器控制电机的转速来模拟不同时速，将编码器固定在电机的转轴上，通过编码器读取电机转速根据轮径值换算成地铁速度作为标准速度，通过PCI 高速数据采集卡采集到数据换算成速度作为实测速度，通过对比标准速度和实测速度，速度传感器输出波形的相位差和占空比来判断速度传感器性能的好坏。

1 系统结构

参考多种霍尔转速传感器测量系统［8～10］，速度传感器检测系统的组成如图1 所示。

图1 系统结构框图Fig 1 Structure block diagram of system

工控机通过RS—232 转RS—485 串口输出十六进制报文形式将频率脉冲发送给变频器，变频器接收后根据报文内容控制并且驱动电机，再利用安装在电机同轴上的编码器将标准速度通过信号调理模块调理成数据采集卡能分辨的直流电压后，传给PCI 数据采集卡;同时，速度传感器测量电机的转速作为实测速度通过信号调理模块调理成数据采集卡能分辨的直流电压后，亦传送给PCI 数据采集卡，最后由PCI 数据采集卡将采集到的数据发送到工控机屏幕显示出来，通过对比标准速度和实测速度判断该传感器性能的是否合格，如果标准速度与实测速度误差太大，可以通过显示速度传感器的波形图，通过查看占空比和相位差来准确找出传感器故障原因。

1.1 数据采集卡

该方案采用北京中泰工控PCI—8348AJ 高速数据采集卡，该采集卡可以直接通过工控机的PCI 插槽直接与工控机连接。该数据采集卡能够提供8 路最高采样频率高达500 kHz 的同步模拟量输入通道，14 路可编程数字量输入输出。设计时只使用了7 路同步模拟量输入通道，1 通道作为编码器信号采集通道;2，3 路分别作为霍尔式速度传感器的A，B 通道信号采集通道;4，5，6，7 路分别作为光电式速度传感器的A，B，C，D 通道信号采集通道。

1.2 速度闭环控制部分

电动机采用三相交流异步电机，可操控性强，在变频器输出的PWM 脉冲信号控制下，转速平稳［11］。为了使得系统更加准确可靠，该系统采用了闭环控制，通过编码器实时检测电机转速并且反馈到数据采集卡，然后返回到工控机，通过与工控机设定电机转速进行对比来保证电机转速与工控机设定值完全一致，形成闭环控制系统。

1.3 变频器

变频器选用德国SIEMENS 公司生产的V20 变频器，该种变频器结构紧凑、坚固耐用、调速迅速、操作简便且经济适用。

1.4 信号调理模块

霍尔式速度传感器工作电源电压Vcc 为10～20 VDC，标称电压为15 VDC，输出脉冲幅度高电平VH≥0.8 Vcc，低电平VL≤1.0 V;光电式速度传感器输出秒冲幅度高电平VH≥9 V，低电平VL≤2.0 V。由于数据采集卡只能采集0～10 V 电压，所以，需要设计一个全波精密整流降压电路来对交流电压进行降压处理，如图2 所示。S1 是为LM324 供电的±15 V 的开关电源的引脚，S2 是速度传感器输出信号的引脚，经过全波精密整流并且降压，得到数据采集卡能够识别的信号。S3 中的1 引脚就是速度传感器输出信号经过信号调理模块调理之后的模拟信号，通过PCI 数据采集卡A/D 转换就可以输入到工控机中进行处理。

图2 调理模块电路Fig 2 Conditioning module circuit

2 系统的软件设计

用户在使用PCI—8348AJ 高速数据采集卡，只需要将其提供的动态链接库导入到开发平台即可，然后调用动态链接库提供的函数接口就可以读取采集卡采集到的数据。系统在Microsoft Visual Studio 2008 开发平台下采用VC++编程语言进行软件编写，变频器通过微软公司提供的MSCOMM 串口通信控件遵循MODBUS－RTU 通信协议与工控机连接，在工控机上直接操控变频器来实现对电机转速的操控，软件设计流程如图3 所示。

图3 软件设计流程图Fig 3 Flow chart of software design

3 实验验证

以宁波南车时代传感技术有限公司生产的TQG19 型霍尔速度传感器作为待测设备进行30，60，80km/h 测试，测试结果如表1 所示，波形图如图4 所示。

TQG19 合格脉冲占空比为50%±20%，从表中数据和波形图可以看出:当速度为3 0 km/h 时，对应周期为3.555 ms，当速度翻50%变为60 km/h，对应周期为1.775 ms，几乎正好是30 km/h 所对应周期3.555 ms 的50%，该系统测试得到的数据精度高，占空比稳定在50%左右，说明该系统具有良好的稳定性，证明了该系统的设计满足设计需求。

表1 TQG19 速度传感器测试数据表Tab 1 Test data table of TQG19 speed sensor

图4 TQG19 波形图Fig 4 Waveform diagram of TQG19

4 结束语

该新型地铁速度传感器检测系统抗干扰能力强，操作简便，电机转速控制范围宽，并且能够在工控机上远程操控电机，可以让检测人员不必在条件恶劣的现场去手动操控变频器来改变电机转速，降低了现场检测人员危险。能够在一台试验台上实现光电式和霍尔式两种不同工作方式的速度传感器的检测，对于不同地铁集团使用的地铁轮径值不同，不需要改变硬件结构，只需要在软件中配置轮径值，就可以用于不同地铁集团。该检测系统目前已经在长沙轨道交通集团投入使用，系统运行稳定，安全可靠，并且操作方便，大大提高了生产效率，显示出了很好的应用前景。

［1］ 陈欣然，赵 磊，王文平，等.基于LabVIEW 的霍尔式轮速传感器测试台设计［J］.物联网技术，2011(6):50－51，55.

［2］ 殷苏民，陆文俊，江 煜，等.霍尔式轮速传感器功能测试系统设计［J］.传感器与微系统，2014(6):90－92，96.

［3］ 郑 哲，刘纪苟，张仁杰.齿轮转速传感器测量模型研究［J］.电子测量技术，2013(6):14－19.

［4］ Patrascoiu N，Poanta A，Tomus A，et al.Virtual instrumentation used for displacement and angular speed measurements［J］.International Journal of Circuits，Systems and Signal Processing，2011，2(5):168－175.

［5］ 赵艳东，于林明，陈显利.航空发动机转速测量系统的设计［J］.电子测量技术，2011(11):81－84.

［6］ 郭 清，王元昔.霍尔传感器在直流电机转速测量中的应用研究［J］.传感器与微系统，2011，30(7):54－56.

［7］ 杨继生，刘 芬.霍尔传感器A44E 在车轮测速中的应用研究［J］.电子测量技术，2009(10):100－102.

［8］ 邵显涛，陈 明，李 俊.基于霍尔传感器电机转速的单片机测量［J］.电子测试，2008(12):46－48，85.

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［10］邱召运，李述香，范应元，等.霍尔效应传感器的特殊应用［J］.电子技术，2009(4):9－10.

［11］张 芊，胡定军，胡 猛.基于AMPCI—9110 型数据采集卡的测速传感器性能检测系统［J］.工业仪表与自动化装置，2012(3):77－79.