高速转轮的速度与稳定性测量系统设计

刘百超

(信阳师范学院 物理电子工程学院，河南 信阳 464000)

0 引言

高速生产的工业机器，通常由精确的检测系统[1-2]来控制机器自动校准。大部分工控是通过光电检测[3]或传感器检测[4-5]，检测产品合格参数，反馈机器调整精度，这种检测电路成本较高，响应速度较慢。在高速行驶的交通方面，大多是用GPS检测速度[6]。车辆行驶速度是利用GPS获取地图路标信息与时间来计算速度[7]；车辆稳定检测也有GPS与转角检测分析[8-9]。这些检测和控制方式依赖于通信设施，还有信号的强弱。一旦通信设备不好，或信号较弱时，这些检测和控制效果较差。另外，这种检测和控制方式，要有高精度的检测设备和较好的响应速度。

为了精准测量和实时控制高速转轮的速度和稳定性，同时不受传输速度和环境的影响，本文设计并实现了一种高速转轮的速度与稳定性测量系统。采用两种类别的霍尔传感器对称安装，做到了即能检测速度，又能检测转轮的稳定度；设计中，将电路的响应速度适配传感器采集系统，实现了测试低速的霍尔传感器精确测量高速转轮的速度。

1 系统设计

根据法拉第电磁感应定律，将磁信号转化为电信号。该设计是将高速转轮合适的位置放置一块强磁体，通过霍尔传感器非接触式测量磁信号，转换成电信号。为了精确测试高速转轮的速度和稳定性，给系统选择了两个类型的传感器，分别测试速度和稳定性。这两路信号经过放大处理后，经PLC控制器，控制与人机界面接口，人机控制电路用触摸屏，直观界面，便于直接实施控制。系统框图如图1所示。

图1 系统结构框图Fig. 1 The system structure diagram

在图1中，一路传感器是测试高速转轮的速度，经滤波放大处理；另一路由不同的传感器测试高速转轮的稳定性，经滤波放大器处理。两路信号由一个PLC控制器件控制转换，送人机接口；由触摸屏中心控制器，直接实施发出控制要求，通过PLC控制器控制测速和测稳定性。两路测试电路分别测试、电路明晰、维修方便。

该设计方案的优点，一是将常应用于低速测试的霍尔传感器经过电路处理，应用到高速的检测，其效果性能良好；二是采用了非接触式检测，没有破坏性，检测精度高；三是整体电路成本低。

2 系统硬件电路设计

利用霍尔传感器检测磁场强度的变化，将磁信号转换成电信号，分别用两类霍尔传感器测试速度和稳定性，将电信号经过放大处理，得到高速转轮的稳定性和速度信息。

2.1 高速转轮稳定性检测电路

系统中应用一个零感应定值输出霍尔传感器(型号为HW-322B)来测试高速旋转的稳定性，测稳电路如图2所示。传感器HW-322B感应轮缘的强磁体信号，当轮缘不稳定偏离时，传感器感应输出电压发生变化，利用电压变化量计算，可以得到其不稳定性，立即报警，或输出到控制电路调整。该电路感应电压信号经放大、电平转换送至PLC控制，在触摸屏上显示计算测试值。传感器在安装时，经过垂直、水平校准，保持与车轮平行，排除了系统本身带来的误差。

图2 稳定性采集处理电路Fig. 2 The circuit of Stability acquisition and processing

2.2 高速转轮的速度检测电路

选用霍尔传感器的另一类零感应零输出霍尔传感器(YS49E-A/B)，速度检测电路如图3所示。

图3 速度采集电路Fig. 3 The circuit of speed acquisition and processing

传感器是零输出霍尔传感器，其输出电压经放大输出，相当于数字信号，车轮旋转1周计1个脉冲信号，利用脉冲信号的间距来计时高速转轮的速度。此传感器输出的弱信号，送至UIA(TLV2252)双路低压运算放大器，将电信号放大整形，接PLC控制器，连接触摸屏显示器，显示测试信号，实施直接控制，或发出报警信号，并显示测试值。

2.3 整体电路

采用非接触式传感器检测，经运算放大器放大弱电信号，用电平转换电路，保证了信号抗干扰。整体电路分两路检测，一路检测高速转轮的稳定性，一路检测高速转轮的速度，用常用的霍尔传感器完成了两路的精确检测。将此信号送至PLC控制器，PLC控制器选用TM200C16T，应用Modicon TM3模拟量I/O 扩展模块，直接实现对检测信号的控制，与触摸屏显示器相连，显示测试信号，经过编程，在屏幕显示高速转轮的速度和偏移量。大于一定偏移量，直接报警。

3 实验结果

基于以上系统设计，在实验室进行模拟仿真实验，如图4所示。

图4 高速转轮测试系统模拟装置Fig. 4 The simulating system of high-speed wheel and stability’s measurement

在图4中，用电机带动一个高速转轮，高速转轮轮缘装有磁铁。在旁边电路板上装上两个不同的霍尔传感器；一个测试高速转轮的稳定性，一个测试高速转轮的速度。这里将信号处理电路直接做在电路板上。信号处理电路与控制器PLC、触摸屏显示器相连。

3.1 高速转轮稳定性测量

高速转轮的最大偏转角计算。弧长l=0.60 cm，半径r=30 cm；根据l=θr，可算出θ=1.14°(θ为车轮抖动时偏离原本数值平面的偏转角)，即当半径r=0.3 m的车轮发生抖动时，若θ偏转角超过1.14°时，将视为强抖动，将会引发报警器报警。这里的报警信号可以在程序中设计，符合稳定性规定，即此抖动在安全状态下。系统经过测试，其稳定性与输出电压的关系如图5所示。图5表示磁性传感器测得的磁感应强度与输出电压的关系，经过拟合，输出电压与磁感应强度为U=6B。

图5 HW-322B霍尔元件输出电压与磁感应强度的关系图Fig. 5 The diagram of output voltage of HW-322B

车轮高速旋转时，车轮偏离磁性传感器的距离，传感器所测得的电压值。强磁铁磁感应强度B与X的关系为[10]：

(1)

式中：X为霍尔传感器到强磁铁中心的距离，L为强磁铁的厚度(这里选用L=0.27 cm，B0=92 mT)。根据测试结果，报警位置结果如表1。在表1中，当车轮起始位置0.92 cm，根据公式(1)，计算得到磁感应强度B1为1.5 mT；当车轮偏离0.32 cm时，根据公式(1)，计算得到磁感应强度B2为8.1 mT；这时B=B2-B1=6.6 mT。输出电压的变化量U=6B=39.6 mV时，电路报警，提示车轮偏离。

表1 稳定性测试结果Fig. 1 The results of the stability test

在电路程序中，输出电压变化量大于预设值35 mV时，声光报警系统将发出报警。由以上数据可看出，当霍尔传感器与强磁铁中心距离(起始位置-偏离位置)大于0.6 cm时，输出电压的变化量为39.6 mV，大于预设值35 mV，此时声光报警系统报警。表明高速转轮发生抖动，且偏转角大于1.14°，使得报警器报警。此电路精确测了出高速转轮的稳定性参数。

3.2 高速转轮速度的测量

如图4中的模拟装置，电动机旋转带动转轮，传感器YS49E-A/B测试转轮速度，显示屏显示转速值。该系统以ω=32 rad/s旋转，触摸屏显示速度值如表2所示。

表2 速度测试结果Fig. 2 The results of velocity test

在表2中，显示了测试速度的10个结果。依据结果求平均值和系统误差，得出系统稳定性。

平均误差为：

相对误差为：Δb=0.1 rad/s,

在上述实验模拟系统中，取r=0.3 m，转速加大，当ω≤100 rad/s时，系统测试准确，当ω>100 rad/s时，系统不稳定，误差较大；当转轮半径r=0.5 m，转速≤6 000 km/h时，其测试结果仍在系统误差范围内，测量结果精确。该设计能很好完成高速转轮的稳定性和速度的测试，显示结果正常，控制良好。该系统精度高，稳定性好，不受环境影响；响应速度快，较GPS检测成本低。这里用便捷式PLC控制，也可用单片机控制，这样可以缩小体积，携带、安装方便。

4 结论

本文设计了高速转轮的速度和稳定性检测系统。经试验测试表明，该系统可以精确测量转轮为100 rad/s以上的速度，转轮半径为0.5 m时，可以为转速6 000 km/h的转轮提供精确测量；高速转轮的稳定性测试，可以测试偏转角θ≤1.14°，能够准确提供报警信号。该设计体积小、能耗低、成本低，适合开发安装。该设计思想适合应用于工业控制，或车辆的检测，这将对高速转轮稳定性和速度的检测控制有着重要意义。