CN106404890B - 一种轨道交通车辆轮对在线检测系统及驱动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轨道交通车辆轮对在线检测系统及驱动控制方法，在磁钢传感器中增加用于校准的辅助绕组，并通过校准算法在安装调试时对磁钢传感器信号进行补偿校准，减小甚至消除误触发几率；同时系统在识别磁钢传感器中心点位置时采用绘制包络线和画构造线方法确定中点位置，将干扰信号的影响降到最低，使速度测量的精度得到提高；最后，为消除车轮摆动和环境干扰对磁钢传感器信号的影响，降低数据处理难度和消除干扰，本系统使用一个驱动子系统同时驱动同一侧的两个磁钢传感器，通过将两个磁钢传感器的输出信号进行相加后再采集处理，有效消除环境和车辆的影响。

Description

一种轨道交通车辆轮对在线检测系统及驱动控制方法
技术领域
本发明涉及在线检测领域，具体涉及一种轨道交通车辆轮对在线检测系统及驱动控制方法。
背景技术
随着我国既有旅客列车的全面提速和高速动车组的大量投入使用,轮对作为车辆走行部中极为重要的部件；它不仅承受着车体的全部重量,而且还要传递车轮与钢轨间的作用力；轮对需要承受较大的静载荷和动载荷、组装应力、闸瓦、闸片制动时产生的热应力以及通过曲线时的离心力等；因此轮对是否能保持良好的技术状态,关系到行车绝对安全。
而随着铁路系统的信息化升级，铁路系统各单位对车辆运行状态的实时监测要求越来越高；轮对承担着车辆的全部重量，车辆在钢轨上高速运行时轮对承受着车体与钢轨两方面传递来的各种静、动作用力，受理复杂，运行环境恶劣；轮对在运行过程中可能尺寸超限，磨耗过大、踏面擦伤剥离等故障，如不及时发现将严重影响列车行驶安全；而轮对状态在线监测系统主要用于实时在线监测车辆轮对在运行过程中的全尺寸，从而发现可能出现的尺寸超限、磨耗过大、踏面擦伤剥离等故障；因为车轮的轮缘高度、轮辋厚度、轮径等参数都是通过测量数据与车速进行综合计算得到的，因此在线动态检测的测量精度受车速影响很大；而且在测试过程中，速度传感器还负责产生测量同步信号，以控制激光传感器和模拟数字转换等测量部件进行同步测量工作，实现测量的开关控制和测量数据的同步。
目前用于车辆测速的传感器主要有有源磁钢传感器和无源磁钢传感器，但是在实际应用过程中，由于铁路环境的复杂，而且在无车轮经过磁钢传感器时，还存在钢轨和车辆车厢等金属导体为磁钢传感器的磁力线提供高磁导率磁路，因此十分容易产生误触发情况；而且由于铁路环境的复杂，简单的通过电压比较来识别信号中点以计算车速的方法非常粗糙，得到的速度往往不够精确，影响了整个系统的测量精度，从而导致车辆轮对检测系统的测量精度不高，准确率较低。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种减少误触发几率，提高测量精度和准确率的轨道交通车辆轮对在线检测系统及驱动控制方法。
本发明通过以下技术方案实现：一种轨道交通车辆轮对在线检测系统，包括设置于铁轨一侧的第一磁钢传感器和第二磁钢传感器、设置于铁轨另一侧的第三磁钢传感器和第四磁钢传感器；所述同侧的第一磁钢传感器和第二磁钢传感器连接至第一驱动子系统，所述同侧的第三磁钢传感器和第四磁钢传感器连接至第二驱动子系统；所述第一驱动子系统还连接第一激光传感器子系统和第一数据采集子系统，所述第一激光传感器子系统和第一数据采集子系统相互连接；所述第二驱动子系统还连接第二激光传感器子系统和第二数据采集子系统，所述第二激光传感器子系统和第二数据采集子系统相互连接；所述第一数据采集子系统和第二数据采集子系统相同且都连接至工控机；所述与第一驱动子系统连接的第一磁钢传感器和第二磁钢传感器、与第二驱动子系统连接的第三磁钢传感器和第四磁钢传感器都是相同的磁钢传感器，所述第一磁钢传感器包括H型磁芯、第一输出绕组、第二输出绕组、第一辅助绕组、第二辅助绕组、第三辅助绕组、第四辅助绕组；所述H型磁芯中间套设有第一输出绕组和第二输出绕组并且两者相互连接引出公共引出线作为参考地，所述第一输出绕组还引出第一引出线，所述第二输出绕组还引出第二引出线；所述H型磁芯的上端分别套设第一辅助绕组和第二辅助绕组，下端套也设有第三辅助绕组和第四辅助绕组，所述第一辅助绕组和第二辅助绕组相互连接，所述第一辅助绕组和第三辅助绕组在同一侧并且相互连接还从第三辅助绕组中引出第四引出线，所述第二辅助绕组和第四辅助绕组在另一边的同一侧并且相互连接还从第四辅助绕组中引出第五引出线；所述第一驱动子系统和第二驱动子系统相同，所述第一驱动子系统包括PWN驱动模块、通讯模块、MCU控制模块、第一二极管、第二二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一比较器、第二比较器、第三比较器、第四比较器、第五比较器；所述第一磁钢传感器的公共引出线连接至第一二极管的正极，所述第二磁钢传感器的公共引出线连接至第二二极管的正极；所述第一磁钢传感器和第二磁钢传感器的第一引出线相互连接并都连接至PWN驱动模块，所述第一磁钢传感器和第二磁钢传感器的第五引线相互连接并都连接至PWN驱动模块；所述第一磁钢传感器和第二磁钢传感器的第二引出线和第四引出线都相互连接且连接至PWN驱动模块并接GND，所述PWN驱动模块还与MCU控制模块连接并且MCU控制模块还接GND，所述MCU控制模块还与通讯模块连接；所述第一二极管的负极连接第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接第一比较器的负向输入端，所述第一比较器的负向输入端还连接第二电阻的一端，所述第一比较器的正向输入端接GND，所述第二电阻的另一端还连接第一比较器的输出端，所述第一比较器的输出端连接第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端连接第二比较器的负向输入端，所述第二比较器的正向输入端接1.5V电源，所述述第二电阻的另一端还连接第四电阻的一端，所述第四电阻的另一端连接第三比较器的负向输入端，所述第三比较器的正向输入端接GND，所述第三比较器的输出端连接第五电阻的一端，所述第五电阻的另一端接第三比较器的负向输入端，所述第五电阻的另一端还连接第六电阻的一端，所述第六电阻的另一端连接第八电阻的一端，所述第八电阻的一端还接第四比较器的输出端，所述第八电阻的另一端还连接第四比较器的负向输入端，所述第四比较器的正向输入端接GND，所述第八电阻的另一端还连接第二二极管的负极，所述第四比较器的输出端还连接至第七电阻的一端，所述第七电阻的另一端连接第五比较器的负向输入端，所述第五比较器的正向输入端接1.5V电源；所述第二比较器和第五比较器的输出端还连接至第一激光传感器子系统和第一数据采集子系统，所述第三比较器的输出端连接至第一数据采集子系统；所述第一数据采集子系统包括CPU模块、ADC模块、RAM模块、FPGA模块，所述第三比较器的输出端连接至第一数据采集子系统内的ADC模块，所述第二比较器的输出端连接至第一数据采集子系统内的FPGA模块，所述ADC模块还连接至第一激光传感器子系统，所述ADC模块还分别连接CPU模块和FPGA模块，所述CPU模块和FPGA模块之间相互连接，所述FPGA模块还连接至RAM模块；所述第一输出绕组、第二输出绕组、第一辅助绕组、第二辅助绕组、第三辅助绕组和第四辅助绕组采用铜漆包线，所述H型磁芯采用铁磁材料制成；所述第三电阻和第七电阻都为限流电阻。
一种轨道交通车辆轮对在线检测系统驱动控制方法，步骤如下：
步骤a：系统开始检测，由第一驱动子系统内的MCU控制模块产生100KHZ的第一方波信号，经过PWM驱动模块进行信号放大，通过第一引出线输出给第一磁钢传感器和第二磁钢传感器内的第一输出绕组中，而第一输出绕组为变压器原边，所述第二输出绕组为变压器副边，第二输出绕组就会产生与第一输出绕组中相同频率相同相位但幅值不同的100KHZ的第二方波信号W2；第二驱动子系统内的MCU控制模块也同样产生第一方波信号并经信号放大引出第二方波信号；
步骤b：第一磁钢传感器和第二磁钢传感器的公共引出线分别输出第二方波信号至第一二极管和第二二极管用于过滤去掉负半周期信号，然后分别经过第一比较器、第一电阻、第二电阻和第三电阻组成的第一放大电路和第四比较器、第七电阻、第八电阻和第九电阻组成的第二放大电路的信号放大处理；第三磁钢传感器和第四磁钢传感器也同样输出第二方波信号并经过过滤和信号放大处理；
步骤c：第一磁钢传感器和第二磁钢传感器输出的第二方波信号经过过滤和信号放大处理后通过第四电阻、第五电阻、第六电阻和第三比较器组成的加法电路进行加法运算，最后输出数据给第一数据采集子系统；第三磁钢传感器和第四磁钢传感器输出的第二方波信号也同样经过加法电路的加法运算输出数据给第二数据采集子系统；将第一数据采集子系统和第二数据采集子系统采集的数据经过数据处理得出车速；
步骤d:当没有车轮进入测量区域时，第一驱动子系统内和第二驱动子系统内的MCU控制模块输出产生一路100KHZ的PWM波形，其频率与第一方波信号相同，但相位差为90至180度，使得PWM波形产生的磁通抵消第一方波信号产生的磁通，让第二方波信号在没有车轮进入磁钢传感器中时减小，消除错误同步信号的产生，减小误触发情况；
步骤e：当车轮进入测量区域时，车轮进入第一个磁钢传感器时的波形和车轮进入同侧第二个磁钢传感器时的波形由于车轮的摆动及电磁干扰产生变化，数据采集子系统首先绘制类似正弦波的第一包络线和第二包络线，然后分别在这两个包络线上升面和下降面的20%至40%和60%至80%处取两个点并将两者用构造线连接，而这两条构造线的延长线交点位置即为车轮进入第一个磁钢传感器时的波形和车轮进入同侧第二个磁钢传感器时的波形的中心点，该点被ADC模块采样的时刻即为第一采样时刻和第二采样时刻，而ADC模块采样的周期为系统的固定采样频率ts，第一采样时刻和第二采样时刻之间采样的个数为N，则第一采样时刻和第二采样时刻之间的时间间隔为Δt=N.ts，根据公式v=S/Δt即可得出车速。
作为优选，所述步骤b中经过放大电路放大后的信号还分别经过比较器与1.5V电源进行比较，就可以分别产生开始采集同步信号和结束采集同步信号；所述步骤b中经过放大电路放大后的信号传输至第一数据采集子系统和第二数据采集子系统内的ADC模块、FPGA模块、CPU模块以及第一激光传感器系统和第二激光传感器系统，用于控制子系统和模块同步进行测量工作。
本发明在磁钢传感器中增加用于校准的辅助绕组，并通过校准算法在安装调试时对磁钢传感器信号进行补偿校准，减小甚至消除误触发几率；同时系统在识别磁钢传感器中心点位置时采用绘制包络线和画构造线方法确定中点位置，将干扰信号的影响降到最低，使速度测量的精度得到提高；最后，为消除车轮摆动和环境干扰对磁钢传感器信号的影响，降低数据处理难度和消除干扰，本系统使用一个驱动子系统同时驱动同一侧的两个磁钢传感器，通过将两个磁钢传感器的输出信号进行相加后再采集处理，有效消除环境和车辆的影响。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：1）增加辅助绕组并通过校准算法进行补偿校准，用于减少甚至消除误触发情况；2）采用绘制包罗贤和构造线方法确定磁钢传感器中心点位置，降低干扰信号的影响，提高速度测量的精度；3）同一侧的两个磁钢传感器使用一个驱动子系统驱动并将两个磁钢传感器的输出信号进行相加后再采集处理，有效消除环境和车辆的影响。
附图说明
图1为本发明的系统示意图。
图2为本发明第一磁钢传感器的示意图。
图3为本发明磁钢传感器的绕组波形信号图。
图4为本发明同侧磁钢传感器相加后需要进行数据采集的波形图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式，对本发明作进一步描述。
见图1至图4，一种轨道交通车辆轮对在线检测系统，包括设置于铁轨一侧的第一磁钢传感器K1和第二磁钢传感器K2、设置于铁轨另一侧的第三磁钢传感器K3和第四磁钢传感器K4；所述同侧的第一磁钢传感器K1和第二磁钢传感器K2连接至第一驱动子系统，所述同侧的第三磁钢传感器K3和第四磁钢传感器K4连接至第二驱动子系统；所述第一驱动子系统还连接第一激光传感器子系统和第一数据采集子系统，所述第一激光传感器子系统和第一数据采集子系统相互连接；所述第二驱动子系统还连接第二激光传感器子系统和第二数据采集子系统，所述第二激光传感器子系统和第二数据采集子系统相互连接；所述第一数据采集子系统和第二数据采集子系统相同且都连接至工控机；所述与第一驱动子系统连接的第一磁钢传感器K1和第二磁钢传感器K2、与第二驱动子系统连接的第三磁钢传感器K3和第四磁钢传感器K4都是相同的磁钢传感器，所述第一磁钢传感器K1包括H型磁芯1、第一输出绕组2、第二输出绕组3、第一辅助绕组4a、第二辅助绕组4b、第三辅助绕组4c、第四辅助绕组4d；所述H型磁芯1中间套设有第一输出绕组2和第二输出绕组3并且两者相互连接引出公共引出线L3作为参考地，所述第一输出绕组2还引出第一引出线L1，所述第二输出绕组3还引出第二引出线L2；所述H型磁芯1的上端分别套设第一辅助绕组4a和第二辅助绕组4b，下端套也设有第三辅助绕组4c和第四辅助绕组4d，所述第一辅助绕组4a和第二辅助绕组4b相互连接，所述第一辅助绕组4a和第三辅助绕组4c在同一侧并且相互连接还从第三辅助绕组4c中引出第四引出线L4，所述第二辅助绕组4b和第四辅助绕组4d在另一边的同一侧并且相互连接还从第四辅助绕组4d中引出第五引出线L5；所述第一驱动子系统和第二驱动子系统相同，所述第一驱动子系统包括PWN驱动模块、通讯模块、MCU控制模块、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第一比较器U1、第二比较器U2、第三比较器U3、第四比较器U4、第五比较器U5；所述第一磁钢传感器K1的公共引出线L3连接至第一二极管D1的正极，所述第二磁钢传感器K2的公共引出线连接至第二二极管D2的正极；所述第一磁钢传感器K1和第二磁钢传感器K2的第一引出线L1相互连接并都连接至PWN驱动模块，所述第一磁钢传感器K1和第二磁钢传感器K2的第五引线相互连接并都连接至PWN驱动模块；所述第一磁钢传感器K1和第二磁钢传感器K2的第二引出线L2和第四引出线L4都相互连接且连接至PWN驱动模块并接GND，所述PWN驱动模块还与MCU控制模块连接并且MCU控制模块还接GND，所述MCU控制模块还与通讯模块连接；所述第一二极管D1的负极连接第一电阻R1的一端，所述第一电阻R1的另一端连接第一比较器U1的负向输入端，所述第一比较器U1的负向输入端还连接第二电阻R2的一端，所述第一比较器U1的正向输入端接GND，所述第二电阻R2的另一端还连接第一比较器U1的输出端，所述第一比较器U1的输出端连接第三电阻R3的一端，所述第三电阻R3的另一端连接第二比较器U2的负向输入端，所述第二比较器U2的正向输入端接1.5V电源，所述述第二电阻R2的另一端还连接第四电阻R4的一端，所述第四电阻R4的另一端连接第三比较器U3的负向输入端，所述第三比较器U3的正向输入端接GND，所述第三比较器U3的输出端连接第五电阻R5的一端，所述第五电阻R5的另一端接第三比较器U3的负向输入端，所述第五电阻R5的另一端还连接第六电阻R6的一端，所述第六电阻R6的另一端连接第八电阻R8的一端，所述第八电阻R8的一端还接第四比较器U4的输出端，所述第八电阻R8的另一端还连接第四比较器U4的负向输入端，所述第四比较器U4的正向输入端接GND，所述第八电阻R8的另一端还连接第二二极管D2的负极，所述第四比较器U4的输出端还连接至第七电阻R7的一端，所述第七电阻R7的另一端连接第五比较器U5的负向输入端，所述第五比较器U5的正向输入端接1.5V电源；所述第二比较器U2和第五比较器U5的输出端还连接至第一激光传感器子系统和第一数据采集子系统，所述第三比较器U3的输出端连接至第一数据采集子系统；所述第一数据采集子系统包括CPU模块、ADC模块、RAM模块、FPGA模块，所述第三比较器U3的输出端连接至第一数据采集子系统内的ADC模块，所述第二比较器U2的输出端连接至第一数据采集子系统内的FPGA模块，所述ADC模块还连接至第一激光传感器子系统，所述ADC模块还分别连接CPU模块和FPGA模块，所述CPU模块和FPGA模块之间相互连接，所述FPGA模块还连接至RAM模块；所述第一输出绕组2、第二输出绕组3、第一辅助绕组4a、第二辅助绕组4b、第三辅助绕组4c和第四辅助绕组4d采用铜漆包线，所述H型磁芯1采用铁磁材料制成；所述第三电阻R3和第七电阻R7都为限流电阻。
本实施方式中，一种轨道交通车辆轮对在线检测系统驱动控制方法，步骤如下：
步骤a：系统开始检测，由第一驱动子系统内的MCU控制模块产生100KHZ的第一方波信号W1，经过PWM驱动模块进行信号放大，通过第一引出线L1输出给第一磁钢传感器K1和第二磁钢传感器K2内的第一输出绕组2中，而第一输出绕组2为变压器原边，所述第二输出绕组3为变压器副边，第二输出绕组3就会产生与第一输出绕组2中相同频率相同相位但幅值不同的100KHZ的第二方波信号W2；第二驱动子系统内的MCU控制模块也同样产生第一方波信号W1并经信号放大引出第二方波信号W2；
步骤b：第一磁钢传感器K1和第二磁钢传感器K2的公共引出线L3分别输出第二方波信号W2至第一二极管D1和第二二极管D2用于过滤去掉负半周期信号，然后分别经过第一比较器U1、第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3组成的第一放大电路和第四比较器U4、第七电阻R7、第八电阻R8和第九电阻R9组成的第二放大电路的信号放大处理；第三磁钢传感器K3和第四磁钢传感器K4也同样输出第二方波信号W2并经过过滤和信号放大处理；
步骤c：第一磁钢传感器K1和第二磁钢传感器K2输出的第二方波信号W2经过过滤和信号放大处理后通过第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6和第三比较器U3组成的加法电路进行加法运算，最后输出数据给第一数据采集子系统；第三磁钢传感器K3和第四磁钢传感器K4输出的第二方波信号W2也同样经过加法电路的加法运算输出数据给第二数据采集子系统；将第一数据采集子系统和第二数据采集子系统采集的数据经过数据处理得出车速；
步骤d:当没有车轮进入测量区域时，第一驱动子系统内和第二驱动子系统内的MCU控制模块输出产生一路100KHZ的PWM波形W3，其频率与第一方波信号W1相同，但相位差为90至180度，使得PWM波形W3产生的磁通抵消第一方波信号W1产生的磁通，让第二方波信号W2在没有车轮进入磁钢传感器中时减小，消除错误同步信号的产生，减小误触发情况；
步骤e：当车轮进入测量区域时，车轮进入第一个磁钢传感器时的波形W4和车轮进入同侧第二个磁钢传感器时的波形W6由于车轮的摆动及电磁干扰产生变化，数据采集子系统首先绘制类似正弦波的第一包络线W7和第二包络线W8，然后分别在这两个包络线上升面和下降面的20%至40%和60%至80%处取两个点并将两者用构造线连接，而这两条构造线的延长线交点位置即为车轮进入第一个磁钢传感器时的波形W4和车轮进入同侧第二个磁钢传感器时的波形W6的中心点，该点被ADC模块采样的时刻即为第一采样时刻T1和第二采样时刻T2，而ADC模块采样的周期为系统的固定采样频率ts，第一采样时刻T1和第二采样时刻T2之间采样的个数为N，则第一采样时刻T1和第二采样时刻T2之间的时间间隔为Δt=N.ts，根据公式v=S/Δt即可得出车速。
本实施方式中，所述步骤b中经过放大电路放大后的信号还分别经过比较器与1.5V电源进行比较，就可以分别产生开始采集同步信号start和结束采集同步信号stop；所述步骤b中经过放大电路放大后的信号传输至第一数据采集子系统和第二数据采集子系统内的ADC模块、FPGA模块、CPU模块以及第一激光传感器系统和第二激光传感器系统，用于控制子系统和模块同步进行测量工作。
本实施方式中，本发明中车辆轮对在线检测系统主要由4个磁钢传感器及其驱动子系统(同一侧的两个磁钢传感器被同一个驱动子系统驱动)，以及进行数据采集的数据采集子系统(数据采集子系统除了采集车速传感器信号外，还同时进行激光传感器等子系统的数据采集；连接时，两个同侧安装的磁钢传感器的5条连接线L1—L5分别连接到驱动子系统。
本实施方式中，图2所示为磁钢传感器内部结构，它由H型磁芯1、第一输入绕组2、第二输出绕组3、以及第一校准绕组4a、第二校准绕组4b、第三校准绕组4c和第四校准绕组4d组成多绕组变压器；第一输入绕组2的引出线L1，第二输出绕组3的引出线L2；第一输入绕组2和第二输出绕组3共用公共引出线L3做为参考地，在使用时连接到驱动子系统的公共接地上；4个校准辅助绕组串联连接，最后通过第四引出线L4和第五引出线L5引出，校准辅助绕组的一端第四引出线L4同样要与驱动子系统的公共接地连接；绕组采用一般铜漆包线，H型磁芯1采用一般铁磁材料制成(例如铝镍钴合金)。
本实施方式中，系统开始检测时，由第一驱动子系统中的MCU控制模块产生100KHz的第一方波信号W1，经过PWM驱动模块进行信号放大后，通过第一引出线L1输出给同侧的第一磁钢传感器K1和第二磁钢传感器K2的第一输入绕组2，因为第一输入绕组2为变压器原边，第二输出绕组3为变压器副边，所以第二输出绕组3中将产生与第一输入绕组2中相同频率相同相位但幅值不同的100KHz第二方波信号W2；第一驱动子系统通过与同侧的第一磁钢传感器K1和第二磁钢传感器K2的第三引出线L3获得第二输出绕组3输出的波形信号，分别经过第一比较器U1和第四比较器U4两个运放组成的放大电路进行信号放大处理后，再由第三比较器U3组成的加法电路将第一磁钢传感器K1和第二磁钢传感器K2输出的信号进行加运算，最后输出给第一数据采集子系统进行数据采集；由于采用了将同侧的两路信号相加后再进行处理，有效的防止了两路信号因为车轮左右摆动和其他电磁干扰造成的不一致而使后面数据处理困难，提高了数据的精度。相加后的信号波形如图4所示；车轮进入第一个磁钢传感器时的波形W4，车轮进入第一个磁钢传感器(K1或K3)时的波形W5，车轮进入同侧第2个磁钢传感器(K2或K4)时的波形W6，两个波形的幅值由于车轮的摆动及其他电磁干扰而不完全一样；通过后期数据处理，可以分别识别出两个波形的中心时刻第一采样时刻T1和第二采样时刻T2，这两个时刻间的间隔便是车轮通过距离为S的测试区域第一磁钢传感器K1和第二磁钢传感器K2(或第三磁钢传感器K3和第四磁钢传感器K4)的时间Δt，因此可以计算出车速v=S/Δt；另外，有车轮经过磁钢传感器时波形的幅值明显高于无车轮经过时的幅值，且呈现正弦波的变化趋势；这是由于无车轮通过时，磁钢传感器的磁力线大部分需要通过空气形成闭合磁路，由于空气磁导率很小，因此磁通Φ也很小，根据变压器产生电势公式E=4.44fNΦ（其中f为频率，本系统采用100KHz，N为绕组匝数）可知，第二输出绕组3产生的电压较小；当有车轮接近磁钢传感器时，车轮将作为磁导体代替一部分空气为磁力线提供磁导率更高的磁路，因此磁通Φ将增加使电动势E增加。
本实施方式中，在实际应用中，第三比较器U3输出的波形远没有图4所示的那样干净整齐，而是夹杂了很多干扰信号，因此为后期数据处理识别第一采样时刻T1和第二采样时刻T2带来了很大困难；为解决这一难题，本发明在软件上采用了如下算法：首先绘制出车轮进入第一个磁钢传感器(K1或K3)时的波形W5，车轮进入同侧第2个磁钢传感器(K2或K4)时的波形W6类似正弦波的第一包络线W7和第二包络线W8，然后分别在这两个包络线上升面和下降面的30%和70%处取出两个点，将这两个点用构造线连接，这两个条构造线的延长线交点位置即为车轮进入第一个磁钢传感器(K1或K3)时的波形W5和车轮进入同侧第2个磁钢传感器(K2或K4)时的波形W6的中心点，该点被ADC模块的时刻即为第一采样时刻T1和第二采样时刻T2，设定ADC模块采样的周期为ts，第一采样时刻T1和第二采样时刻T2之间采样个数为N(ts为系统的固有采样频率，N为从T1时刻开始到T2时刻共采样了多少次数据)，则第一采样时刻T1和第二采样时刻T2之间的时间间隔Δt=N.ts，即车速v=S/(N.ts)。
本实施方式中，第一磁钢传感器K1和第二磁钢传感器K2发出的信号经过第一比较器U1和第四比较器U4两个运放组成的放大电路进行信号放大处理后，还分别经过第二比较器U2和第五比较器U5组成的比较器与1.5V电源进行比较，分别产生开始采集同步信号start和结束采集同步信号stop；这两个信号分别连接到数据采集子系统的ADC模块、FPGA模块、CPU模块以及各个激光传感器子系统，以控制这些子系统和模块同步进行测量工作；但在实际应用中，由于铁路环境复杂，而且在无车轮经过磁钢传感器时，还存在钢轨和车辆车厢等金属导体为磁钢传感器的磁力线提供高磁导率磁路，因此无车轮经过磁钢传感器时第二输出绕组3的输出电压经过放大后就已经高于1.5V电源，产生错误的同步型号start或/和stop使系统误触发；为解决该问题，本系统在4个磁钢传感器中都会增加了四个校准用的辅助绕组；系统在安装调试时，由第一驱动子系统中的MCU控制模块产生一路100KHz的PWM波形W3，如图4所示，其频率与第一输入绕组2的第一方波信号W1频率相同，但相位(图中用φ符号表示的时间差)和幅值均不同；相位φ与第一方波信号W1相差90—180度，幅值为任意值；由于相位相差超过90度，因此PWM波形W3产生的磁通将抵消第一方波信号W1产生的部分磁通，使第二输出绕组3输出的第二方波信号W2在没有车轮进入测试区域时尽量减小，消除产生错误同步信号的可能；不同系统在不同的安装地点都需要现场进行标定工作，这个标定工作由MCU控制模块、数据采集子系统等来完成：系统安装完成后，在没有车辆在此时系统上方时，MCU控制模块首先正常输出第一方波信号W1，并从相位φ为90度开始输出PWM波形W3，波形幅值从0开始增加，同时由数据采集子系统记录PWM波形W3在该相位下不同幅值对应输出的第二方波信号W2波形幅值，然后以0.5度的梯度增加相位，并在不同固定相位下从0开始增加PWM波形W3的幅值，同时由第一数据采集子系统记录输出不同相位和不同幅值PWM波形W3波形情况下第二方波信号W2的输出值，最后找到第二方波信号W2波形幅值较小且最稳定时候所对应的PWM波形W3波形的相位和幅值数据，将这组数据标定到MCU内部，以后在正常运行时MCU控制模块将用这组标定的数据产生PWM波形W3波形，这样得到的输出第二方波信号W2在有无车辆经过磁钢磁钢传感器时有明显的界限，不再产生误触发。
本实施方式中，第一驱动子系统和第二驱动子系统的工作流程都相同，经过一样的信号放大过滤计算最后通过第一数据采集子系统和第二数据采集子系统进入工控机。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种轨道交通车辆轮对在线检测系统，其特征在于：包括设置于铁轨一侧的第一磁钢传感器(K1)和第二磁钢传感器(K2)、设置于铁轨另一侧的第三磁钢传感器(K3)和第四磁钢传感器(K4)；所述同侧的第一磁钢传感器(K1)和第二磁钢传感器(K2)连接至第一驱动子系统，所述同侧的第三磁钢传感器(K3)和第四磁钢传感器(K4)连接至第二驱动子系统；所述第一驱动子系统还连接第一激光传感器子系统和第一数据采集子系统，所述第一激光传感器子系统和第一数据采集子系统相互连接；所述第二驱动子系统还连接第二激光传感器子系统和第二数据采集子系统，所述第二激光传感器子系统和第二数据采集子系统相互连接；所述第一数据采集子系统和第二数据采集子系统相同且都连接至工控机。
2.根据权利要求1所述的一种轨道交通车辆轮对在线检测系统，其特征在于：所述与第一驱动子系统连接的第一磁钢传感器(K1)和第二磁钢传感器(K2)、与第二驱动子系统连接的第三磁钢传感器(K3)和第四磁钢传感器(K4)都是相同的磁钢传感器，所述第一磁钢传感器(K1)包括H型磁芯(1)、第一输出绕组(2)、第二输出绕组(3)、第一辅助绕组(4a)、第二辅助绕组(4b)、第三辅助绕组(4c)、第四辅助绕组(4d)；所述H型磁芯(1)中间套设有第一输出绕组(2)和第二输出绕组(3)并且两者相互连接引出公共引出线(L3)作为参考地，所述第一输出绕组(2)还引出第一引出线(L1)，所述第二输出绕组(3)还引出第二引出线(L2)；所述H型磁芯(1)的上端分别套设第一辅助绕组(4a)和第二辅助绕组(4b)，下端套也设有第三辅助绕组(4c)和第四辅助绕组(4d)，所述第一辅助绕组(4a)和第二辅助绕组(4b)相互连接，所述第一辅助绕组(4a)和第三辅助绕组(4c)在同一侧并且相互连接还从第三辅助绕组(4c)中引出第四引出线(L4)，所述第二辅助绕组(4b)和第四辅助绕组(4d)在另一边的同一侧并且相互连接还从第四辅助绕组(4d)中引出第五引出线(L5)。
3.根据权利要求2所述的一种轨道交通车辆轮对在线检测系统，其特征在于：所述第一驱动子系统和第二驱动子系统相同，所述第一驱动子系统包括PWN驱动模块、通讯模块、MCU控制模块、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、第一比较器(U1)、第二比较器(U2)、第三比较器(U3)、第四比较器(U4)、第五比较器(U5)；所述第一磁钢传感器(K1)的公共引出线(L3)连接至第一二极管(D1)的正极，所述第二磁钢传感器(K2)的公共引出线连接至第二二极管(D2)的正极；所述第一磁钢传感器(K1)和第二磁钢传感器(K2)的第一引出线(L1)相互连接并都连接至PWN驱动模块，所述第一磁钢传感器(K1)和第二磁钢传感器(K2)的第五引线相互连接并都连接至PWN驱动模块；所述第一磁钢传感器(K1)和第二磁钢传感器(K2)的第二引出线(L2)和第四引出线(L4)都相互连接且连接至PWN驱动模块并接GND，所述PWN驱动模块还与MCU控制模块连接并且MCU控制模块还接GND，所述MCU控制模块还与通讯模块连接；所述第一二极管(D1)的负极连接第一电阻(R1)的一端，所述第一电阻(R1)的另一端连接第一比较器(U1)的负向输入端，所述第一比较器(U1)的负向输入端还连接第二电阻(R2)的一端，所述第一比较器(U1)的正向输入端接GND，所述第二电阻(R2)的另一端还连接第一比较器(U1)的输出端，所述第一比较器(U1)的输出端连接第三电阻(R3)的一端，所述第三电阻(R3)的另一端连接第二比较器(U2)的负向输入端，所述第二比较器(U2)的正向输入端接1.5V电源，所述述第二电阻(R2)的另一端还连接第四电阻(R4)的一端，所述第四电阻(R4)的另一端连接第三比较器(U3)的负向输入端，所述第三比较器(U3)的正向输入端接GND，所述第三比较器(U3)的输出端连接第五电阻(R5)的一端，所述第五电阻(R5)的另一端接第三比较器(U3)的负向输入端，所述第五电阻(R5)的另一端还连接第六电阻(R6)的一端，所述第六电阻(R6)的另一端连接第八电阻(R8)的一端，所述第八电阻(R8)的一端还接第四比较器(U4)的输出端，所述第八电阻(R8)的另一端还连接第四比较器(U4)的负向输入端，所述第四比较器(U4)的正向输入端接GND，所述第八电阻(R8)的另一端还连接第二二极管(D2)的负极，所述第四比较器(U4)的输出端还连接至第七电阻(R7)的一端，所述第七电阻(R7)的另一端连接第五比较器(U5)的负向输入端，所述第五比较器(U5)的正向输入端接1.5V电源；所述第二比较器(U2)和第五比较器(U5)的输出端还连接至第一激光传感器子系统和第一数据采集子系统，所述第三比较器(U3)的输出端连接至第一数据采集子系统。
4.根据权利要求3所述的一种轨道交通车辆轮对在线检测系统，其特征在于：所述第一数据采集子系统包括CPU模块、ADC模块、RAM模块、FPGA模块，所述第三比较器(U3)的输出端连接至第一数据采集子系统内的ADC模块，所述第二比较器(U2)的输出端连接至第一数据采集子系统内的FPGA模块，所述ADC模块还连接至第一激光传感器子系统，所述ADC模块还分别连接CPU模块和FPGA模块，所述CPU模块和FPGA模块之间相互连接，所述FPGA模块还连接至RAM模块。
5.根据权利要求2所述的一种轨道交通车辆轮对在线检测系统，其特征在于：所述第一输出绕组(2)、第二输出绕组(3)、第一辅助绕组(4a)、第二辅助绕组(4b)、第三辅助绕组(4c)和第四辅助绕组(4d)采用铜漆包线，所述H型磁芯(1)采用铁磁材料制成。
6.根据权利要求3所述的一种轨道交通车辆轮对在线检测系统，其特征在于：所述第三电阻(R3)和第七电阻(R7)都为限流电阻。
7.一种轨道交通车辆轮对在线检测系统驱动控制方法，其特征在于：步骤如下：
步骤a：系统开始检测，由第一驱动子系统内的MCU控制模块产生100KHZ的第一方波信号(W1)，经过PWM驱动模块进行信号放大，通过第一引出线(L1)输出给第一磁钢传感器(K1)和第二磁钢传感器(K2)内的第一输出绕组(2)中，而第一输出绕组(2)为变压器原边，第二输出绕组(3)为变压器副边，第二输出绕组(3)就会产生与第一输出绕组(2)中相同频率相同相位但幅值不同的100KHZ的第二方波信号(W2)；第二驱动子系统内的MCU控制模块也同样产生第一方波信号(W1)并经信号放大引出第二方波信号(W2)；
步骤b：第一磁钢传感器(K1)和第二磁钢传感器(K2)的公共引出线(L3)分别输出第二方波信号(W2)至第一二极管(D1)和第二二极管(D2)用于过滤去掉负半周期信号，然后分别经过第一比较器(U1)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和第三电阻(R3)组成的第一放大电路和第四比较器(U4)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)和第九电阻(R9)组成的第二放大电路的信号放大处理；第三磁钢传感器(K3)和第四磁钢传感器(K4)也同样输出第二方波信号(W2)并经过过滤和信号放大处理；
步骤c：第一磁钢传感器(K1)和第二磁钢传感器(K2)输出的第二方波信号(W2)经过过滤和信号放大处理后通过第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)和第三比较器(U3)组成的加法电路进行加法运算，最后输出数据给第一数据采集子系统；第三磁钢传感器(K3)和第四磁钢传感器(K4)输出的第二方波信号(W2)也同样经过加法电路的加法运算输出数据给第二数据采集子系统；将第一数据采集子系统和第二数据采集子系统采集的数据经过数据处理得出车速；
步骤d:当没有车轮进入测量区域时，第一驱动子系统内和第二驱动子系统内的MCU控制模块输出产生一路100KHZ的PWM波形(W3)，其频率与第一方波信号(W1)相同，但相位差为90至180度，使得PWM波形(W3)产生的磁通抵消第一方波信号(W1)产生的磁通，让第二方波信号(W2)在没有车轮进入磁钢传感器中时减小，消除错误同步信号的产生，减小误触发情况；
步骤e：当车轮进入测量区域时，车轮进入第一个磁钢传感器时的波形(W4)和车轮进入同侧第二个磁钢传感器时的波形(W6)由于车轮的摆动及电磁干扰产生变化，数据采集子系统首先绘制类似正弦波的第一包络线(W7)和第二包络线(W8)，然后分别在这两个包络线上升面和下降面的20％至40％和60％至80％处取两个点并将两者用构造线连接，而这两条构造线的延长线交点位置即为车轮进入第一个磁钢传感器时的波形(W4)和车轮进入同侧第二个磁钢传感器时的波形(W6)的中心点，该点被ADC模块采样的时刻即为第一采样时刻T1和第二采样时刻T2，而ADC模块采样的周期为系统的固定采样频率ts，第一采样时刻T1和第二采样时刻T2之间采样的个数为N，则第一采样时刻T1和第二采样时刻T2之间的时间间隔为Δt＝N.ts，根据公式v＝S/Δt即可得出车速。
8.根据权利要求7所述的一种轨道交通车辆轮对在线检测系统驱动控制方法，其特征在于：所述步骤b中经过放大电路放大后的信号还分别经过比较器与1.5V电源进行比较，就可以分别产生开始采集同步信号(start)和结束采集同步信号(stop)。
9.根据权利要求7所述的一种轨道交通车辆轮对在线检测系统驱动控制方法，其特征在于：所述步骤b中经过放大电路放大后的信号传输至第一数据采集子系统和第二数据采集子系统内的ADC模块、FPGA模块、CPU模块以及第一激光传感器系统和第二激光传感器系统，用于控制子系统和模块同步进行测量工作。
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