CN2625905Y - 机车速度传感器在线检测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种机车速度传感器检测装置。机车速度传感器在线检测仪，其特征是它包括直流电机、光电断路器、控制处理系统，直流电机由导线与控制处理系统相连接，控制处理系统与机车上的直流电源相连接，光电断路器位于直流电机的输出轴处并由导线与控制处理系统的单片机相连接；直流电机通过连轴器与机车上待检测传感器相连接，待检测传感器的接口与机车上相应的接口相连接。控制处理系统使直流电机能够静态模拟显示机车的转速和速度，单片机检测光电断路器的信号，将测量的速度结果显示在面板上，通过比较二者的读数来判断要校验的传感器的状态及与机车过渡装置、励调器及监控装置的匹配状况，提高机车检修效率和质量。

Description

机车速度传感器在线检测仪

技术领域

本实用新型涉及一种机车速度传感器检测装置。

背景技术

内燃机车、电力机车在某几位车轴上都设有机车速度传感器用于机车速度信号的提供，如：DF₄型内燃机车的二、五位轮对车轴上各设了一个光电速度传感器分别用于提供机车速度表、机车自动过渡装置及励调器的速度信号和机车监控装置的速度信号，由于目前机车速度传感器装车前仅在机车速度表试验台进行校验。实际装车中与机车速度表、机车自动过度装置及励调器、监控装置的匹配性存在很大差异，而且一旦装车，在静态时无从知晓装车质量，也不知道机车速度电线路过渡装置、励调器等质量及与其匹配性，只能在机车运用过程中才能反映出来。这样，一则存在机车有可能带故障上线，二则问题得不到及时发现和处理，再则处理后相互之间的匹配性能也得不到确定，仍需在运用过程中进行二次试运。在小辅修预报中也很棘手。为此，开发研制机车速度传感器在线检测装置使机车在静态时真实再现机车运行状态，校验机车速度传感器与机车过渡装置、励调器及监控装置的匹配情况，迅速排除线路或配件故障，减小机车检修难度，避免中修二次试运，降低中修停时，提高运用机车及小辅修机车的质量可靠性，促使机车检修劳动生产率提高。机车速度传感器在线检测仪的研究开发对机务部门具有很高的实用价值，并将产生巨大直接和间接的经济效益。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种使机车在静态时真实再现机车运行状态，校验机车速度传感器与机车过渡装置、励调器及监控装置的匹配情况的机车速度传感器在线检测仪。

机车速度传感器在线检测仪，其特征是它包括直流电机、光电断路器、控制处理系统，直流电机由导线与控制处理系统相连接，控制处理系统与机车上的直流电源相连接，光电断路器位于直流电机的输出轴处并由导线与控制处理系统的单片机相连接；直流电机通过连轴器与机车上待检测传感器相连接，待检测传感器的接口与机车上相应的接口相连接。

控制处理系统主要由换向控制电路、PWM控制系统、单片机测控系统组成，PWM控制系统的电力电子器件IGBT与直流电机连接，直流电机的电枢和励磁线圈分别与换向控制电路的继电器J1和继电器J2连接，换向控制电路的继电器J1和继电器J2与单片机测控系统连接，光电断路器与单片机连接。

所述的换向控制电路，由继电器J1和继电器J2组成，由单片机控制其开关状态。

所述的PWM控制系统，由电流、速度形成的双闭环反馈电路，信号合成及输出电路，电力电子器件IGBT组成。

所述的单片机测控系统，由单片机及其接口、控制面板组成，单片机通过接口与控制面板相连接；控制面板上主要是由单片机的输入、输出两部分控制组成，输入部分包括操作人员根据实际生产需要输入的轮径值拨码开关、电机换向开关、转速/速度切换开关、光电断路器的信号输入；输出部分主要包括数据显示部分、状态显示部分、电机换向处理部分。

本实用新型采用机车上的直流电源直接驱动直流电机，通过电流和转速双闭环反馈组成的PWM控制系统，控制直流电机的转速，获得稳定的转速和良好的低速特性。直流电机拖动待检测传感器(所要校验的光电传感器)，并将光电传感器的接口接到机车上相应的接口上；控制处理系统使直流电机能够静态模拟显示机车的转速和速度，直流电机的转速测量传感器采用光电断路器，单片机检测光电断路器的信号，并通过计算，将测量的速度结果显示在面板上。通过比较二者(所要校验的光电传感器、光电断路器)的读数来判断要校验的传感器的状态及与机车过渡装置、励调器及监控装置的匹配状况，提高机车检修效率和质量。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图

图2是本实用新型控制面板的结构示意图

图3是本实用新型换向电气原理图

图4是本实用新型PWM控制系统的双闭环反馈控制原图

图5是本实用新型PWM斩波器的原理电路图

图6是本实用新型输出电压波形图

图6是本实用新型程序流程图

其中1-待检测传感器、2-连轴器、3-光电断路器。

具体实施方式

如图1所示，机车速度传感器在线检测仪，它包括直流电机、光电断路器、控制处理系统，直流电机由导线与控制处理系统相连接，控制处理系统与机车上的直流电源相连接，光电断路器3位于直流电机的输出轴处并由导线与控制处理系统的单片机相连接；直流电机通过连轴器2与机车上待检测传感器1相连接，待检测传感器1的接口与机车上相应的接口相连接。

控制处理系统主要由换向控制电路、PWM控制系统、单片机测控系统组成，PWM控制系统的电力电子器件IGBT与直流电机连接，直流电机的电枢和励磁线圈分别与换向控制电路的继电器J1和继电器J2连接，换向控制电路的继电器J1和继电器J2与单片机测控系统连接，光电断路器与单片机连接。

1、组成部件的选择：

(1)电机的调速

实际中采用直流电机，这是因为1)实际使用中的电源为机车电源，直流110V，如果采用交流电机，需要加逆变装置，从而增加装置的体积和重量，不符合便携式的要求；2)直流电机的调速特性要比交流电机的调速特性要好，调速、换向都很方便；3)拟采用新型电力电子器件IGBT，应用PWM调速技术，开环和闭环的控制，使用中可以实现切换，使用闭环主要改善电机的低速调节性能，满足测试传感器的低速特性。

(2)速度的测量

电机的转速测量传感器采用光电断路器，光电断路器广泛应用于自动控制系统中、生产流水线、机电一体化设备中，其特点有1)不接触式检测方式；2)工作寿命长，可靠性高；3)响应速度快；4)很容易与CMOS、TTL电路连接；5)尺寸小、重量轻。将电机的速度信号传到单片机中，通过计算显示出来。

(3)单片机部分

单片机检测光电断路器的信号，并通过计算，将测量的速度结果显示在面板上。控制面板上集中有轮径输入部分、数据显示部分、速度/转速切换部分、电机速度调节部分、正反转控制部分等各功能装置，如图2所示，是整个装置操作简单、显示的信息量大。

2、机车速度传感器校验控制原理

整个电气系统由机车的蓄电池供电，为了简化工人的操作难度，采用整流桥过渡，操作人员在接电源线时可不必考虑电源极性。实际要求电机不仅转速能够调节，而且要实现正反转，在满足以上两个条件情况下，将电机的电枢和励磁部分分开控制。如图3所示，继电器J1、J2分别控制电机的电枢和励磁，它们的作用是给电机换向。继电器J1、J2均由单片机控制，需要换向时，操作人员只需按操作面板上的换向按钮，单片机就处理换向的程序，控制整个换向的过程，毋须人工切换。电机的调速是通过电枢回路的PWM控制系统来实现，并且根据要求满足低速运转的稳定性，通过闭环控制来稳定电机的转速。

3、本实用新型的组成

机车速度传感器在线检测仪主要由直流电机、光电断路器、换向控制电路、PWM控制系统、单片机测控系统等部分组成。另外还包括各保护单元如电机保护、IGBT保护、继电器的保护，如图1所示。

1)、直流伺服电机：型号为110SZ01，立式，电参数为直流110V，电枢电流为1.8A，励磁电流0.27A，力参数为转矩8000gf·cm，转速1500转/分，功率123W。

2)、PWM控制系统：采用新型电力电子器件IGBT作为直流开关，应用PWM调速控制技术，通过转速传感器和霍尔电流传感器检测构成了双闭环反馈控制系统，不仅大大改善电机的低速特性，使电机的低速稳定性能达到要求，而且，转速控制精度高，电机调速范围大。PWM控制系统为现有技术。

3)、单片机测控系统：由单片机及其接口、控制面板组成，单片机通过接口与控制面板相连接。控制面板上主要是由单片机的输入、输出两部分控制组成，输入部分包括操作人员根据实际生产需要输入的轮径值拨码开关、电机换向开关、转速/速度切换开关、光电断路器的信号输入；输出部分主要包括数据显示部分、状态显示部分、电机换向处理部分。

4)、程序流程图见图7

4、直流电机的双闭环反馈控制

(1)双闭环反馈控制原理

双闭环反馈电路主要由速度给定、直流电机、速度反馈、速度调节器、电流传感器及电流检测、电流反馈、电流调节器等组成。其中，速度、电流双闭环反馈的基本控制原理图如图4：

速度反馈的目的是电机在转动时根据控制系统给定的速度，将输出的速度的大小反馈给系统的调节机构，调节机构根据输出的速度大小，通过PMW控制电路，调节速度，以使电机输出的速度获得宏观上的稳定。传统的速度反馈方式是通过直流测速电机，不仅增加了设备上的维护成本，对于小功率调速系统，安装测速机的成本是不可接受的。安装不良(不同心、大齿隙、打滑)往往带来不可克服的干扰、非线性和纯滞后。在研究中，采用了对速度信号进行信号处理的方法以得到一个线性度非常好的电压信号(速度——电压)，作为速度反馈的输入在使用中取得成功，效果很好。

电流反馈的目的是在外界的电压波动时系统通过反馈来减小或者完全抑制这种影响。电机的电流通过霍尔电流传感器变成的电压信号输入到PWM控制部分。

(2)直流电动机转速控制

直流电动机转速(n)的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通Φ，其控制功率虽然小，但是低速时受磁极饱和的限制，高速时受到转向火花和转向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以实际中常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。设直流电源电压Ud，将电枢串联一个电阻R，则电枢端电压Ua为：

                   Ua＝Ud-IaR

显然，调节电阻R即可改变端电压，达到调速目的。但是这种传统的调速方法效率低。随着电力电子技术的进步，发展了许多新的电枢电压控制方法。如：由交流电源供电，使用晶闸管整流器进行相控调压；使用硅整流器将交流电整流成直流再由PWM(Pulse WidthModulation)斩波调压等。

PWM斩波调压器比串电阻调压小，效率高。而斩波调压比相控调压又有许多优点，如需要的滤波装置很小甚至只利用电枢电感已经足够，损耗和发热功率小，动态响应快。

图5为PWM斩波器的原理电路，图6为输出电压波形图。在图中，假定晶体管V1先导通T1秒(电源电压Ud全部加到电枢上)，然后关断T2秒(电枢端电压为零)，如此反复，电机电压Ua为其平均值：

Ua＝T1/(T1+T2)＝T1/TUd＝αUd

其中：α＝T1/(T1+T2)＝T1/T为一个周期T中晶体管导通的比率，即占空比。使用下面三种方法中的任何一种，都可以改变α的值，从而达到调压的目的：

(1)定宽调频法：T1保持一定，使T2在此0～∞范围内变化；

(2)调宽调频法：T2保持一定，使T1在此0～∞范围内变化；

(3)定频调宽法：T1+T2＝T保持一定，使T1在此0～∞范围内变化；

不管哪种方法，α的变化范围均为0≤α≤1，因而电枢端电压平均值的调节范围为0～Ud，均为正值，即电机只能在某一方向调速，称为不可逆调速。

直流电机的PWM控制可用不同的控制手段来实现，如使用PWM控制器，或者使用微机进行控制，也可以使用PWM控制器和微机相配合的方法实现，在此我们采用PWM控制的直流不可逆调速系统。

Claims (3)

1、机车速度传感器在线检测仪，其特征是它包括直流电机、光电断路器、控制处理系统，直流电机由导线与控制处理系统相连接，控制处理系统与机车上的直流电源相连接，光电断路器位于直流电机的输出轴处并由导线与控制处理系统的单片机相连接；直流电机通过连轴器与机车上待检测传感器相连接，待检测传感器的接口与机车上相应的接口相连接。

2、根据权利要求1所述的机车速度传感器在线检测仪，其特征是所述的控制处理系统主要由换向控制电路、PWM控制系统、单片机测控系统组成，PWM控制系统的电力电子器件IGBT与直流电机连接，直流电机的电枢和励磁线圈分别与换向控制电路的继电器(J1)和继电器(J2)连接，换向控制电路的继电器(J1)和继电器(J2)与单片机测控系统连接，光电断路器与单片机连接。

3、根据权利要求2所述的机车速度传感器在线检测仪，其特征是所述的单片机测控系统由单片机及其接口、控制面板组成，单片机通过接口与控制面板相连接；控制面板上主要是由单片机的输入、输出两部分控制组成，输入部分包括轮径值拨码开关、电机换向开关、转速/速度切换开关、光电断路器的信号输入；输出部分主要包括数据显示部分、状态显示部分、电机换向处理部分。

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