速度传感器采集电路设计

马春浩 李鹏飞

（1.中车青岛四方车辆研究所有限公司制动事业部，山东 青岛 266031；2.青岛地铁集团有限公司，山东 青岛 266031）

1 电流型速度传感器信号采集电路

电流型速度传感器是有源型速度传感器，需要防滑控制主机给速度传感器提供DC15 V 电源。速度传感器的输出频率为0 kHz～12 kHz，测量速度为0 km/h～600 km/h，能够满足城轨、机车、客车以及动车组等轨道交通列车的使用需求，是轨道交通行业应用最广泛的速度传感器，其具有以下5 个优点：1） 能检测零速度和超低频。2） 输出信号的电压幅度不随频率的变化而改变。3） 信号可以直接接到大多数电子电路上。4） 抗干扰能力强。5） 构造简单、坚固、体积小且耐冲击。

电流型速度传感器的工作原理也决定了它的缺点：1）不能单独工作，需要配备一个电流信号激发设备。2）传感器与后续电路进行连接时，如果输出电压过低，则需要多次使用信号放大器进行的逐级放大。3）鉴于其传感器的输出特性，实测的数据与真实的数据存在一定的误差。

速度传感器产生恒常的、高低不一的瞬态电脉冲（通常低电频信号为7 mA，高电频信号为14 mA），以表示ON/OFF状态，传感器输出的曲线如图1 所示。

图1 电流型速度传感器输出特性曲线

在设计采样电路时，先通过采样电阻将电流脉冲信号转换成电压脉冲，经过RC 滤波器后再进入比较器。电流脉冲信号转换成电压脉冲的原因为是比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压进行比较的电路。取其较大值作为比较器激活信号，如果模拟电压信号比基准电压信号大，则输出为二进制信号的1，即通路或输出高电位，反之则输出为0 或低电位。在选择比较器时，选用迟滞比较器。与单限比较器相比，迟滞比较器具有滞回特性、抗干扰能力强的特点，迟滞比较器具有2 个参考电平作为触发电平（即和）。当输入电压值低于时，比较器将会输出低电平；当输入电压值超出时，比较器将会输出高电平；当输入电压值为～时，此时输出结果将保持原有输出不变。其电气原理如图2 所示。

图2 迟滞比较器电气原理图

由分压电阻、构成正反馈。输入电压开始逐渐增加时（图3），分压电阻、和输入电压的增幅规律是一致的，在分压电阻R处的电压超过同相阈值之前， 输出将一直保持为，如公式（1）所示。

图3 迟滞比较器输出波形

在阈值点，反相端输入电压大于同相端的输入电压，输出电压迅速从跳变为。输出保持为低电平，直到输入经过新的阈值点5 ，这时同相输入电压高于反相输入电压，输出电压迅速跳变回。

如公式（2）所示。

式中：、为比较器的输出电压，单位为V；、为比较器的阈值。

迟滞比较器可以解决输入信号的波动或噪声导致误触发的问题。迟滞比较器将分压电阻R处的电压（其电压增幅规律与输入电压一致）与基准电压、进行比较，消除了因电流瞬变而导致的错误，同时，电压的在迟滞比较器的和之间形成迟滞区间，迟滞区间会促使输入波形噪声和毛刺多次穿越临界电压，但是即便如此，仍可保证输出信号的稳定性。另外，迟滞区间区间值的大小会严重影响其抑制能力，区间越大其对噪声的抑制能力越强，反之会越弱。当任何小于2的干扰或噪声都不会引起输出变化，提高了电路的抗干扰能力。但这种情况很容易形成一种迟滞区间越大越好的假象，易产生触发迟钝，即会造成对信号的变化不灵敏的情况。

不灵敏的表现为迟钝和不动作，例如当输入电压在R处的电压分量达到2或者是2时，输出电压才会发生变化。

速度信号采集电路设自检功能，在速度信号超范围后报故障，故障信号通过光耦隔芯片对内外电路进行隔离处理后传送到CPU。自检电路电气原理如图4 所示。

图4 故障电路设计原理

电流频率信号经过采样电阻后转换为电压脉冲信号，再进入由2 个比较器组成的窗口比较器，参考电平经过电阻分压后作为窗口比较器的阈值。

当速度信号正常时，2 个比较器同时输出高电平。当速度信号超出正常范围后，一个比较器输出低电平，在与另一个比较器输出的高电平进行比较后，输出低电平。同样通过光耦的隔离及电平转换，再经过与非门的进一步整形后输入CPU，CPU 检测出速度信号超范围后报故障并显示。

电流型速度传感器采集电路原理如图5 所示，速度传感器感受速度产生7 mA 或14 mA 的速度信号经过采样电阻后转换为0.77 V 或1.54 V 的电压信号，经过RC 滤波器后进入滞回比较器，与滞回比较器的基准电压、进行比较，从而决定输出电压为高电平的24 V 或者0 V，滞回比较器的输出电压进入光耦隔离后送出并转换为电压为0 V 或者5 V的频率信号，经过与非门后进入CPU 进行频率计算。

图5 电流型速度传感器采集电路原理图

自检电路负责速度信号的故障判断，当速度信号低于7 mA 或高于14 mA 时，给CPU 输出故障信号。

电流型速度传感器内部具有电源和信号2 根线，信号线同时也是传感器供电回路的电源负线，频率信号需要串联1个阻值与之相适应的采样电阻，目的是将电流信号转换成一定幅值的电压信号，从而经调理后输出TTL 电平的频率信号，并传送给处理器。

2 电压型速度传感器信号采集电路

电压型速度传感器为无源型速度传感器，采用永磁式电磁感应原理，在磁路上设置线圈，当被测铁质齿轮的齿顶扫过传感器端头时，设置在磁路上的线圈感应电势，输出正弦波，通过检测正弦波的频率达到检测转速的目的。其优点如下：1） 价格低。2） 双线连接。所用的线可高可低，避免接线误差，2 根引线短路并不损坏敏感元件。3） 使用寿命长。4） 速度检测频率超过20 kHz。

但其缺点也较为明显：1）采用的是电池感应原理，当被测齿轮不能快速运动产生电动势时，传感器上的磁路不能产生感应正弦波，因此不能用于检测超低频或零速度的转速。2） 当转速过高时，产生的感应电动势也会过高，输出正弦波也随之增高，即输出信号电压的幅值随转速的变化而变化，转速太高时可能损坏转速计电路。3） 输出正弦波的斜率随信号幅度的不同而变化，当幅值过高时，其激增的斜率也越高，存在一定误差。因此电压型速度传感器在轨道交通行业应用较少，其输出波形如图6 所示。

图6 电压型速度传感器输出波形

传感器输出频率与转速成正比，其输出电压峰峰值也会随输出频率的提高而增大，在某一时刻可达到最大值300 V，然后逐渐收敛，一直降至电压最低值（与最高值对称，为-300 V），再升高-降低，在电压高峰峰值与低谷最小值之间呈正弦状态反复变化。为了处理该高电压信号，通过2 个二极管对该信号进行削波，电路如图7 所示。

图7 削波电路

二极管选用1N4007 整流二极管，最高反向耐压为1 000.0 V。当输入电压低于5.7 V 时，二极管D导通，1 点电压变为5.7 V；当输入电压低于-0.7 V 时，二极管D导通，1 点电压变为-0.7 V。经过削波后，1 点电压波形如图8 所示。为了防止输入高电压对二极管造成损坏，在二极管前端加了1 个功率为2 W 的电阻，以消耗能量。

图8 削波后速度信号波形

当速度较低（低于1 km/h）时，速度信号幅值较低，峰值低于0.3 V。为了能够采集低速信号，在对速度信号进行削波后，放大速度信号。选用运算放大器PA340 芯片为输入、输出，以增强信号，单电源5 V 供电，输入电压范围为0 V～5 V，输出电压范围为0 V～5 V。简化后的模拟量放大电路如图9 所示。

图9 差分比例放大电路

如公式（3）所示。

式中：、为输入电压，V；为输入电压，V。

通过配置电阻阻值可以调节放大倍数。在放大速度信号后，通过与电流型速度传感器相同的滞回比较器、光耦进行隔离以及与非门进行整形后，进入CPU。CPU 采集此次脉冲信号的频率，以计算列车速度。

电压型速度传感器输出信号电压范围较大，无法确定其上、下限，因此没有设计故障判断电路。

电压型速度传感器采集电路原理如图10 所示，因为电压型速度传感器输出的正弦波信号峰峰值波动范围较大，所以先设计了削波电路，将电压信号限值为-0.7 V～5.7 V，后端设计了差分比例放大电路，放大峰值较小的速度信号，通过滞回比较器后输出0 V 或者24 V 高、低电平，再进入光耦隔离输出并转换为0V 或者5 V 的电压频率信号，经过与非门后进入CPU 进行频率计算。

图10 电压型速度传感器采集电路原理图

电压型传感器的内部采集原理一般需要3 根线：电源线、信号线和地线，传感器与调理电路共地，信号经过调理，将TTL 电平的频率信号传输给处理器。

3 速度采集电路功能验证

在完成速度传感器采集电路的设计工作后，分别制成电流型速度传感器采集电路板及电压型速度传感器采集电路板，在实验室对其功能进行测试，测试工装包括电机、测速齿盘、电流型及电压型速度传感器和速度信号采集板。

电机控制器控制电机按照一定的转速转动，电机带动测速齿盘转动，速度传感器采集电路对采集的速度信号进行处理并传输给CPU，CPU 计算转速后，通过CAN 总线发送到上位机进行显示，将计算的转速与控制电机的转速进行对比，判断速度传感器采集电路的功能及精度。

该文对上述2 种传感器采集电路板进行性能和精度分析，依次在不同速度量程下实测不同速度值，通过采用数学评价的方法，选取平均值、方差依次研究分析其准确性和精度，详细数据如下。

数据分析：由上述量表数据分析可知，当测量数据为2 500 r/min～5 500 r/min 时，实际测量值与电机实际转速最接近，其准确率也高，在这段测量范围内，电压型速度传感器采集电路板比电流型速度传感器采集电路板更接近实际值，即前者的精度比后者更高。

由上述数据的平均方差可知，S2 电流型速度传感器＞S2电压型速度传感器，即在数据置信度足够时，电压型速度传感器采集电路板的测量误差比电流型速度传感器采集电路板更低，数据收敛程度更高。

经过测试，2 种速度采集电路都能够采集电流型速度传感器及电压型速度传感器产生的速度信号，CPU 采集速度信号精度小于或等于0.1%，满足防滑控制主机系统的要求。

分别将2 种速度采集电路与防滑系统一起进行绝缘耐压、电磁兼容以及高低温等一系列地面型式试验，试验数据和结果均符合铁路相关标准要求。

4 结语

该文研究了电流型速度传感器及电压型速度传感器的工作原理，针对两者输出速度信号的特点，分别设计了2 种速度采集电路，使用科学的数学数据分析其在速度测量方面的性能，结果显示，2 种速度采集电路均能满足铁路列车防滑系统的使用要求。速度传感器的采集电路在地铁车辆上已然进行装车运用，并已在城轨、客车以及动车组等轨道交通列车上实现了批量应用。

表1 电压型速度传感器采集电路板数据

表2 电流型速度传感器采集电路板数据