车载测速电机检测方法研究

李小朋，汪 彧，薛 超，刘 明

（1.北京市地铁运营有限公司通信信号分公司，北京 100082；2.北京市地铁运营有限公司技术创新研究院分公司，北京 100082；3.北京和安易诚通讯技术有限公司，北京 100020）

1 概述

随着城镇化进程以及城市的不断扩大，城市的交通拥堵不断加剧。城市轨道交通的高运力以及快捷在疏解城市交通拥堵、提高交通运行效率方面起着非常重要的作用。随着城市轨道交通总里程的不断增加和车辆运行密度的不断提升，车辆的数量也在不断增加，如何提高车辆的维护效率是一个重要问题。

车辆的信号系统是车辆安全运行的基础。例如，在目前北京地铁车辆的信号系统中，设备所用的板卡均可装车前在BTE 等离线设备上对其进行离线测试，待测试通过后再行装车。离线测试设备的使用避免了故障板卡被误装上车的可能，提高了设备维护的效率。

车载测速电机作为为车辆信号系统提供车辆运行方向、速度以及精确定位等车辆运行状态的重要传感器[1]，由于其在使用中直接与车辆的轴颈做固定连接，从而导致车载测速电机长期工作在震动、高低温以及潮湿的环境中。目前在北京地铁中被广泛使用的哈斯勒车载测速电机，在实际运行中由于潮湿以及高低温的影响，导致了故障时有发生。目前还没有一个可以为车载测速电机提供离线测试的检测设备。由于测速电机的故障只有在车辆的行驶过程中才能被发现，而调度车辆对测速电机进行测试需要使用较多的资源，因此迫切需要一个可以对车载测速电机进行离线测试的设备，从而避免误将故障的测速电机被安装，确保安装上车的测速电机的性能指标符合要求。

为此，首先对北京地铁目前使用较多的哈斯勒车载测速电机进行分析和研究，并完成了样机的设计。通过现场的实际使用，取得了较好的效果。

2 车载测速电机的结构

哈斯勒车载测速电机是在北京地铁中使用较多的测速电机。本文将通过研究哈斯勒车载测速电机的结构特点以及对其性能测试的不同方法，并结合在设备现场维护中的需求，找到一种适合现场维护使用的对测速电机进行快速检测的方法。

哈斯勒车载测速电机是一种光电速度传感器。它是由驱动轴带动与之固定连接的编码盘转动，由一个或多个远红外光电传感器将编码盘上的信息转化为脉冲信号提供给车辆的信号系统。远红外光电传感器被固定在编码盘周边法兰盘上，可以通过调整法兰盘的位置调整远红外光电传感器的之间的相对位置，如图1 所示。

图1 哈斯勒车载测速电机的结构Fig.1 Structure of Hasler odometer

远红外光电传感器可以提供与车速成正比的脉冲输出。

编码盘与光电传感器安装在铝合金防水外壳中，测速电机的驱动有驱动销与驱动叉两种方式。驱动销（驱动叉）安装在测速电机的外侧，通过驱动轴带动内测固定在驱动轴上的编码盘转动。驱动轴由固定在测速电机外壳上的轴承提供支撑。

哈斯勒车载测速电机提供了IP68 的防护等级。

3 哈斯勒车载测速电机输出信号

如图2 所示，哈斯勒车载测速电机由编码盘、远红外发射器和接收器组成。当光线透过编码盘的孔照射到传感器的接收端时，测速电机输出低电平，反之则输出高电平。北京地铁目前所使用的哈斯勒车载测速电机，依据不同的信号系统，其内部有2个或3 个远红外光电传感器[2]。

图2 光电传感器原理Fig.2 Principles of optical pulse generator

由于本文主要研究关于哈斯勒车载测速电机的检测方法，故其工作原理在这里不做赘述。

哈斯勒车载测速电机输出信号的主要技术指标如下。

3.1 脉冲占空比

光电探头的占空比的静态指标（6 kHz 时）为53%±1%。

对于有3 个远红外探头检测编码盘时钟孔的情形，脉冲占空比允许的最大极限值为±18°；对于有2 个远红外探头检测编码盘时钟孔的情形，脉冲占空比允许的最大极限值为±36°。

3.2 脉冲相位差

如图3 所示，对于有3 个远红外探头检测编码盘时钟孔的情形：当采用的是每圈100 个时钟孔的编码盘时，每100 个脉冲周期（即测速电机旋转一周），3 个时钟脉冲之间的相位差互为120°，且重叠裕量应不小于24°。

图3 3脉冲输出相位差Fig.3 Phase setting for three- pulse outputs

对于有2 个远红外探头检测编码盘时钟孔的情形：2 个时钟脉冲之间的相位差互为90°，且重叠裕量应不小于18°，如图4 所示。

图4 2脉冲输出相位差Fig.4 Phase setting for two-pulse outputs

4 分析及检测测速电机的性能指标

静态元器件的检测，如蓄电池内阻的检测，继电器励磁线圈内阻以及继电器触点接触电阻的检测等静态指标的测量，在整个检测过程中其状态是相对稳定、固定不变的。

车载测速电机的检测是动态检测，是在车载测速电机转动的状态下进行。所有的指标参数因测速电机的转动以及内部结构中元器件的不一致性，其输出的电气特性指标处于不断变化之中。

针对车载测速电机指标参数动态变化的特点，如果仍然采用固定的指标进行检测，显然不符合电机在实际工况下的工作状态。因此，采用统计的方法，在一定时间内，例如在电机转动一定圈数内，判断各项性能指标是否满足测速电机的性能指标要求，能够更准确地反映电机在实际工况下的工作状态。

因此，笔者认为，对于车载测速电机这类性能指标动态变化的设备，应该采用统计分析的方法对其性能指标进行评估及分析。收集在测试期间测速电机输出的全部信号，并与标准参数的阈值进行逐一分析对比，从而判断所测试测速电机的性能指标是否符合规范要求。只有这样才能充分体现出被测试的测速电机的实际工况。

5 测速电机输出信号不同检测方法的对比

5.1 示波器

使用多宗示波器对哈斯勒车载测速电机的输出信号进行分析和研究，从而判断其输出信号是否符合技术规范的要求。但是使用示波器需要人工干预，并且由于示波器的采样同步对于伪随机码的采样同步比较困难，特别是当车载测速电机驱动转速不稳定的情况下，对伪随机码的采样触发就变得更加困难。这对车载测速电机输出信号的电气性能进行精确的分析和研究十分不利，并且过多的人工干预不能满足便捷化检测的要求。

5.2 逻辑分析仪

采用逻辑分析仪可以很好地解决使用多宗示波器带来的过多人工干预以及人工分析的问题。由于逻辑分析仪可以针对其输入的信号进行长时间的采样并通过软件对采样的结果进行逻辑分析。这就首先解决人工使用示波器需要人工干预的问题，同时由于使用了逻辑分析仪对车载测速电机的输出信号进行采样与记录，就可以对车载测速电机在不同转速（模拟不同车速）下的性能进行分析。可以使用软件对逻辑分析仪的采样结果进行分析。

5.3 信号采集卡（DAQ）

使用逻辑分析仪只能对采集的输入信号的高低电平的阈值进行设定，不能对其采集信号的波形（如信号的上升沿、下降沿、高底电平的幅度和抖动等性能指标）进行精确的分析。在之前对哈斯勒车载测速电机的维修实践中发现，在很多情况下，由于哈斯勒车载测速电机内部的光电探头长期工作在恶劣环境中，经常会出现光电探头的性能指标不符合要求而导致测速电机故障。而这类故障通常是随机发生，这也是有些车载测速电机上车后不定期报错的原因之一。

信号采集卡的使用可以很好地解决上述问题，由于信号采集卡[3]可以通过软件对采集到的信号进行统计与分析[4]，从而实现对测速电机测试的自动化。因此，信号采集卡在测速电机测试设备中使用不但可以简化测试过程，避免人工分析，同时还可以降低对使用人员技术水平的要求，规避可能发生的错误。

为满足现场维护工作的需要，采用DAQ 加软件的哈斯勒车载测速电机检测平台，如图5 所示。

图5 采用信号采集卡分析Fig.5 Odometer analysis system using DAQ

驱动装置由驱动电机、齿轮减速机以及驱动控制器组成。驱动装置驱动车载测速电机转动，模拟车辆行驶。驱动装置可以在软件的控制下模拟车辆不同的行驶速度，且可以模拟车辆不同的行驶方向。车载测速电机在驱动装置的控制下输出信号至信号采集设备。

为保证检测平台测试结果的准确性，检测平台与测速电机的电气接口[5]能够完全兼容不同型号的哈斯勒测速电机，同时符合车载信号系统的技术规范要求。

信号采集设备将实时采集[6]车载测速电机的输出信号，经过数字滤波器[7]滤除干扰信号以及抖动后，将采集到的信息传输到数据处理单元。

数据存储单元对采集到的信息以及相应的脉冲时间戳进行存储，在后续的分析软件模块中，分别对采集到的测速电机输出信号的脉冲波形、占空比以及脉冲的相位差进行计算，并与软件中预置的阈值进行分析比较。当分析结果在阈值范围之内，则在用户UI 中提示测试结果正常。反之则提示故障。

为使对车载测速电机的测量结果更加准确，输出的测试结果数据是基于整个测试过程统计出的数据的最大值与最小值如图6 所示，并且在用户UI中提示了对应的测试结果的正常值范围，从而使用户能够对被测的车载测速电机有更准确的了解。

图6 基于统计分析的测试结果Fig.6 Test results based on statistical analysis

通过软件开关实现控制驱动装置启停、转动方向以及调速功能，可以实现从控制到测试结果输出的一体化UI 设计。

6 采用信号采集卡的优点以及软件的可移植性

通过采用硬件电路对测速电机的性能进行分析，需要针对不同的测速电机进行相应的硬件设计，开发周期长、成本高、灵活性差。且设计定型后无法在后续根据需求增加新的功能。

使用信号采集卡以及通过软件对测速电机的性能进行分析，可以避免上述的弊端。信号采集卡的引入，避免了与不同种类测速电机输出信号之间接口的硬件电路设计。由于在分析软件中采用了模块化的设计，如针对占空比测试、相位差测试以及统计分析等均是通过不同的软件模块配以相应的参数实现的。因此，在针对不同种类的测速电机以及性能指标参数，通过调用相应的软件模块即可实现针对该种类测速电机的性能分析。同时，还可以针对不同的用户需求有针对性的为用户提供新的功能。

7 实际成果

一个测速电机快速检测样机已经完成从设计到实验验证的过程。该样机能够在70 s 左右完成对哈斯勒车载测速电机的自动化测试。在测速电机快速检测样机中，通过采用信号采集卡对测速电机的输出信号进行采集，并且由于在设计中设置了较大的系统缓冲存储器，可以对测速电机转动N圈输出信号的数据进行存储；数据分析软件通过对系统缓存中的数据进行分析，从而可以得到测速电机在转动N圈内的全部输出信号的性能指标，在通过统计分析后输出测速电机的每项测试指标在整个测试过程中的最大值和最小值，以及指标测试结果是否超出测速电机指标的阈值。

由于测试过程是基于对测速电机转动多圈输出信号的统计分析结果，从而避免了之前通过示波器对测速电机进行故障测试中出现的测试准确性问题。同时，通过对在用的测速电机的测试，发现有些测速电机虽然在信号系统中可以正常使用，但是其某些输出信号的状态已经处于临界或超过测速电机性能指标的范围。如在对某报告不正常的测速电机测试中发现，测速电机转动50 圈的测量结果中，其A、B、C 输出脉冲占空比超过标准最大值的次数分别达到1 123、97 和128 次，如表1 所示。经过与相关专业人员的共同分析，认为对于此类测速电机虽然目前在设备中可以正常使用，但在设备维护中应该被列为故障隐患。

表1 占空比统计结果Tab.1 Statistics of test results for duty ratio

目前，样机已经在北京地铁设备维护中投入使用，并取得了良好的效果。

8 总结

车载测速电机的检测是一个动态性能指标的检测。通过使用数据采集设备并通过软件分析采集到的测速电机输出信息，可以极大地提高测试的准确性，并避免通过人工分析有可能产生的错误。数据采集设备在测速电机检测中的应用，为针对不同厂家型号的测速电机的检测提供了方便、可移植的平台。同时，灵活的UI 可以为用户提供方便快捷的用户体验。