列車測速測距系統(tǒng)

1、 列車測速測距系統(tǒng)設計 學 院：機械與電子控制工程學院 專 業(yè)： 測控技術(shù)與儀器 指導教師： 邱成 北京交通大學列車測速測距系統(tǒng)設計報告摘要：11.系統(tǒng)使用背景22.測速系統(tǒng)主體系統(tǒng)流程圖23.列車測速系統(tǒng)原理23.1輪軸脈沖轉(zhuǎn)速傳感器23.2測速定位法33.3信標定位34.傳感器選型44.1 選型標準44.2 傳感器類型44.3 傳感器型號54.4 選定的傳感器75.隔離電路86.整形電路97.數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)108.電源選擇11總 結(jié)14北京交通大學列車測速測距系統(tǒng)設計報告摘要：本文闡述了基于霍爾傳感器的列車測速測距系統(tǒng)的設計，詳細給出了系統(tǒng)的構(gòu)成、傳感器的選擇、隔離電路和整形電路的設計、

2、單片機系統(tǒng)的設計等問題。關(guān)鍵詞：霍爾傳感器 測速 測距 鐵路機車引言：隨著高速鐵路飛速發(fā)展，在時速超過350 km/h的高速鐵路線路上，列車的測速定位問題顯得越來越重要。傳統(tǒng)的軌道電路定位法由于定位粗糙、精度不夠，并且無法檢知列車的即時速度，難以滿足高速列車的定位要求。還有一種利用電機方式實現(xiàn)測速定位方法，該方式只適用于列車運行速度較低的線路。測速和定位還可通過外加輸入信號直接獲取列車的位置和速度信息，但該方式的測量精度受到一些因素的制約，在性價比方面存在局限性。傳感器在高速鐵路的測速和定位技術(shù)中成為當前的主流產(chǎn)品，應用較廣，有多種類型：脈沖轉(zhuǎn)速傳感器、慣性加速度傳感器、相對傳感器、地面?zhèn)鞲衅?/p>

3、、絕對傳感器等。1.系統(tǒng)使用背景隨著鐵路運輸運行速度的提高，為保障列車安全、高效運行，需要設計可靠、精確的列車測速測距系統(tǒng)，以滿足行車組織的需要。在列車運行過程中，可能出現(xiàn)打滑、空轉(zhuǎn)等問題，而鏇輪等問題也會影響列車測速測距的精準度。為了解決以上問題，我們設計了如下的列車測速測距系統(tǒng)。2.測速系統(tǒng)主體系統(tǒng)流程圖傳感器 隔離電路 整形電路 信號交換 單片機 3.列車測速系統(tǒng)原理3.1輪軸脈沖轉(zhuǎn)速傳感器輪軸脈沖轉(zhuǎn)速傳感器在高速鐵路中應用較為廣泛。輪軸脈沖轉(zhuǎn)速傳感器測速的基本工作原理：利用車輪的周長作為“尺子”測量列車走行距離，根據(jù)所測距離測算列車運行速度，其基本公式為：V=Dn/3.6式中，=3.1

4、4，D為車輪直徑，n為車輪轉(zhuǎn)速。從上式可知，測量列車速度就是檢測列車車輪轉(zhuǎn)速和列車輪徑。脈沖轉(zhuǎn)速傳感器安裝在輪軸上，輪軸每轉(zhuǎn)動一周，傳感器輸出一定數(shù)目的脈沖，使脈沖頻率與輪軸轉(zhuǎn)速成正比。輸出的脈沖經(jīng)隔離和整形后直接輸入計算機CPU進行頻率測量，再經(jīng)換算從而得出車組速度和走行距離閉。其原理框圖如圖1所示。圖1 脈沖轉(zhuǎn)速傳感器原理框圖3.2測速定位法測速定位法是一種輔助定位方法。在軌道電路定位法定位法中，車在區(qū)間的始端還是終端是無法判斷的，對列車定位時的最大誤差就是一個區(qū)段的長度。為了得到較為準確的位置信息，在計算具體位置信息時通常要引入列車的即時速度信息。引入測速信息后大大減小了定位的誤差。目前

5、使用較多的列車測速一般是：通過測量車輪轉(zhuǎn)速，然后將車輪轉(zhuǎn)速換算為列車直線速度。圖2:編碼里程儀測距原理列車車輪運動一周，霍爾開關(guān)輸出64個或128個脈沖。列車車輪運動一周，霍爾開關(guān)輸出的脈沖數(shù)越多，測速和或測距精度越高。列車運動速度單位時間內(nèi)霍爾開關(guān)輸出的脈沖數(shù)（霍爾開關(guān)每周輸出的脈沖數(shù)）列車運動距離編碼里程計輸出的脈沖數(shù)（霍爾開關(guān)每周輸出的脈沖數(shù)）式中為列車車輪的直徑。由于列車周而復始地運動，車輪輪徑不斷磨損，目前城市軌道交通系統(tǒng)中允許列車車輪的輪徑范圍為840mm770mm，電力機車1250mm，內(nèi)燃機車1050mm，客車915mm，貨車840mm，地鐵車840mm等等，計算時代入相應的輪

6、徑即可。因此是個變量，要定期或不定期地進行修正。3.3信標定位信標是安裝在線路沿線反映線路絕對位置的物理標志。信標分有源信標和無源信標兩種, 有源信標可以實現(xiàn)車地的雙向通信, 無源信標類似于非接觸式IC 卡, 在列車經(jīng)過信標所在位置時, 車載天線發(fā)射的電磁波激勵信標工作, 并傳遞絕對位置信息給列車。城市軌道交通系統(tǒng)中所使用的信標大部分為無源信標, 安裝在軌道沿線。信標的作用是為列車提供精確的絕對位置參考點(也可以提供線路的坡度、彎度等其它信息)。由于信標提供的位置精度很高, 達厘米量級, 常用信標作為修正列車實際運行距離的手段。采用信標定位技術(shù)的信息傳遞是間斷的, 即當列車從一個信息點獲得地面

7、信息后, 要到下一個信息點才能更新信息, 若其間地面情況發(fā)生變化, 就無法立即將變化的信息實時傳遞給列車, 因此, 信標定位技術(shù)往往作為其它定位技術(shù)的補充手段。4.傳感器選型4.1 選型標準l 能夠適用于鐵路軌道交通的環(huán)境下l 能夠安裝在鐵路列車上4.2 傳感器類型市場上比較常見的轉(zhuǎn)速傳感器的種類很多，有磁電式、光電式、離心式、霍爾式等轉(zhuǎn)速傳感器。鐵路環(huán)境下，傳感器的工作環(huán)境較為惡劣。為了適應這種工作環(huán)境，我們選用了霍爾轉(zhuǎn)速傳感器?；魻杺鞲衅鞯奶攸c（與普通互感器比較）1) 霍爾傳感器可以測量任意波形的電流和電壓，如：直流、交流、脈沖波形等，甚至對瞬態(tài)峰值的測量。副邊電流忠實地反應原邊電流的波形

8、。而普通互感器則是無法與其比擬的，它一般只適用于測量50Hz正弦波。2) 原邊電路與副邊電路之間完全電絕緣，絕緣電壓一般為2KV至12KV，特殊要求可達20KV至50KV。3) 精度高：在工作溫度區(qū)內(nèi)精度優(yōu)于1%，該精度適合于任何波形的測量。而普通互感器一般精度為3%至5%且適合50Hz正弦波形。4) 線性度好：優(yōu)于0.1%5) 動態(tài)性能好：響應時間小于1s跟蹤速度di/dt高于50A/s6) 霍爾傳感器模塊這種優(yōu)異的動態(tài)性能為提高現(xiàn)代控制系統(tǒng)的性能提供了關(guān)鍵的基礎。與此相比普通的互感器響應時間為10-12ms，它已不能適應工作控制系統(tǒng)發(fā)展的需要。7) 工作頻帶寬：在0-100kHz頻率范圍內(nèi)

9、精度為1%。在05kHz頻率范圍內(nèi)精度為0.5%。8) 測量范圍：霍爾傳感器模塊為系統(tǒng)產(chǎn)品，電流測量可達50KA，電壓測量可達6400V。9) 過載能力強：當原邊電流超負荷，模塊達到飽和，可自動保護，即使過載電流是額定值的20倍時，模塊也不會損壞。10) 模塊尺寸小，重量輕，易于安裝，它在系統(tǒng)中不會帶來任何損失。11) 模塊的初級與次級之間的“電容”是很弱的，在很多應用中，共模電壓的各種影響通?？梢院雎裕斶_到幾千伏/s的高壓變化時，模塊有自身屏蔽作用X光機維修。12) 模塊的高靈敏度，使之能夠區(qū)分在“高分量”上的弱信號，例如：在幾百安的直流分量上區(qū)分出幾毫安的交流分量。13) 可靠性高：失效

10、率：=0.4310-6/小時14) 抗外磁場干擾能力強：在距模塊5-10cm處有一個兩倍于工作電流(2Ip)的電流所產(chǎn)生的磁場干擾而引起的誤差小于0.5%，這對大多數(shù)應用，抗外磁場干擾是足夠的，但對很強磁場的干擾要采取適當?shù)拇胧?霍爾開關(guān)典型應用：l 直流無刷電機無觸點開關(guān)l 位置控制電流傳感器l 汽車點火器安全報警裝置l 隔離檢測轉(zhuǎn)速檢測4.3 傳感器型號單極霍爾開關(guān)電路型號工作電壓VDD（V）工作電流IDD（MA）工作點Bop(GS)釋放點Brp(GS)工作溫度TA()封裝形式典型應用HAL2024-203.518060-40-85TO-92S位置檢測、轉(zhuǎn)速檢測HAL31344.5-24

11、1011020-40-150TO-92S舞臺燈光、車速儀表、空調(diào)電機等HAL3144E3.8-304250230-40-85TO-92S舞臺燈光、車速儀表、空調(diào)電機等HAL44E3.5-24580-16030-110-40-125SOT-23馬達、無觸點開關(guān)HAL1313.8-303.24540-40-125TO-92S霍爾接近開關(guān)傳感器、轉(zhuǎn)速探測HAL43A3.8-303.218050-40-150TO-92S速度和RPM傳感器、轉(zhuǎn)速計等HAL43F3.8-304200170-40-150TO-92S速度和RPM傳感器、轉(zhuǎn)速計等HAL583.5-242.5180137-40-150SOT-2

12、3馬達、無觸點開關(guān)HAL5433.5-245160110-40-150SOT-89B無觸點開關(guān)、位置檢測、轉(zhuǎn)速計AH3144E4.5-241011020-40-85TO-92S舞臺燈光、車速儀表、空調(diào)電機等AH3144L4.5-241011020-40-150TO-92S舞臺燈光、車速儀表、空調(diào)電機等AH5434.5-241020030-40-150SOT-89無觸點開關(guān)、位置檢測、轉(zhuǎn)速計雙極鎖存型霍爾電路型號工作電壓VDD（V）工作電流IDD（MA）工作點Bop(GS)釋放點Brp(GS)工作溫度TA()封裝形式典型應用HAL41F3.8-304120120-40-150TO-92S直流無刷

13、電機、轉(zhuǎn)速檢測HAL7322.5-242.518-18-40-150SOT-23高靈敏無觸點開關(guān)、無刷電機HAL18812.4-242.530-30-40-150SOT-23高靈敏無觸點開關(guān)、無刷電機HAL5133.5-30470-70-40-150SOT-89高靈敏無觸點開關(guān)、無刷電機AH5124.5-241060-60-40-125TO-92高靈敏無觸點開關(guān)、無刷電機全極性霍爾開關(guān)電路型號工作電壓VDD（V）工作電流IDD（MA）工作點Bop(GS)釋放點Brp(GS)工作溫度TA()封裝形式典型應用HAL1492.5-3.51.14532-40-125TO-92S高靈敏無觸點開關(guān)、無刷電

14、機微功耗全極性霍爾開關(guān)電路型號工作電壓VDD（V）工作電流IDD（MA）工作點Bop(GS)釋放點Brp(GS)工作溫度TA()封裝形式典型應用HAL13S2.4-5.50.0095525-40-85SOT-23低功耗數(shù)碼產(chǎn)品 如：手機HAL1482.4-5.50.0054532-40-125TO-92S低功耗數(shù)碼產(chǎn)品 如：電筒HAL148L1.8-3.50.0054532-40-125SOT-23玩具線性霍爾型號工作電壓VDD（V）磁場范圍GS輸出電壓VOT（V）靈敏度S mv/G工作溫度TA()封裝形式典型應用HAL95A4.5-10.5+/-6700.5-4.53.125-40-150T

15、O-92S角度探測 如：汽車油門HAL49E3.0-6.5+/-1000.8-4.251.4-40-100TO-92S角度測量 如：電動車轉(zhuǎn)把霍爾齒輪傳感器型號工作電壓VDD（V）有效磁場Bbias（GS）有效工作頻率回差Bhy(GS)工作溫度TA()封裝形式典型應用HAL18003.8-30+/-150015KHZ10-100-40-150TO-95傳感器 如：齒輪測速4.4 選定的傳感器單極霍爾開關(guān) HAL202霍爾元件型號工作電壓VDD（V）工作電流IDD（MA）工作點Bop(GS)釋放點Brp(GS)工作溫度TA()封裝形式典型應用HAL2024-203.518060-40-85TO-

16、92S位置檢測、轉(zhuǎn)速檢測單極性霍爾開關(guān)電路HAL202 TO92UA封裝單極霍爾元件HAL202管腳定義：管腳序號管腳名稱功能描述1 VCC 電源電壓2 GND 地3 OUT 集電極開路輸出電路是由內(nèi)部電壓穩(wěn)壓單元、霍爾電壓發(fā)生器、差分放大器、溫度補償單元、施密特觸發(fā)器和集電極開路輸出級組成的磁敏傳感電路，其輸入為磁感應強度，輸出是一個數(shù)字電壓信號0和1。它是一種單磁極工作的磁敏電路，適合于矩形或者柱形磁體下工作。-20 85范圍工作，其電源電壓工作范圍從4.0V 到20V 負載電流能力最高可達到35mA。封裝形式為SIP3L(TO92S)霍爾傳感器極限參數(shù)：參數(shù)符號量值單位工作環(huán)境溫度TA

17、-40+85 貯存溫度TS -65+170 安裝方式：如圖3：圖3 霍爾開關(guān)安裝方式將一非磁性圓盤固定裝在汽車車輪轉(zhuǎn)軸上，邊周圍用環(huán)氧樹脂粘貼塊狀磁鋼(60個)，磁鋼采用永久磁鐵分割成的小磁塊，其磁力較強，霍爾元件固定在距磁塊所在平面約l 3mm處。當車輪轉(zhuǎn)動時，磁塊與霍爾元件相對位置發(fā)生變化，磁塊靠近霍爾元件時，磁場增強，霍爾元件輸出低電平，相反輸出高電平，因此車輪轉(zhuǎn)動，霍爾元件輸出連續(xù)脈沖信號。通過整形送單片機根據(jù)具體要求進行信號處理計算。特別注意：在大多數(shù)場合，霍爾傳感器都具有很強的抗外磁場干擾能力，一般在距離模塊5-10cm之間存在一個兩倍于工作電流Ip的電流所產(chǎn)生的磁場干擾是可以忽略

18、的，但當有更強的磁場干擾時，要采取適當?shù)拇胧﹣斫鉀Q。通常方法有： 調(diào)整模塊方向，使外磁場對模塊的影響最??； 在模塊上加罩一個抗磁場的金屬屏蔽罩； 選用帶雙霍爾元件或多霍爾元件的模塊電源維修； 5.隔離電路 RL為輸出負載6.整形電路（1）無觸發(fā)信號輸入時電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)當電路無觸發(fā)信號時，vI保持高電平，電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)，即輸出端vO保持低電平，555內(nèi)放電三極管T飽和導通，管腳7“接地”，電容電壓vC為0V。（2）vI下降沿觸發(fā)當vI下降沿到達時，555觸發(fā)輸入端（2腳）由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，電路被觸發(fā)，vO由低電平跳變?yōu)楦唠娖?，電路由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)入暫穩(wěn)態(tài)。（3）暫穩(wěn)態(tài)的維持時間在暫穩(wěn)態(tài)期間，

19、555內(nèi)放電三極管T截止，VCC經(jīng)R向C充電。其充電回路為VCCRC地，時間常數(shù)1=RC，電容電壓vC由0V開始增大，在電容電壓vC上升到閾值電壓之前，電路將保持暫穩(wěn)態(tài)不變。（4）自動返回（暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束）時間當vC上升至閾值電壓時，輸出電壓vO由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑?55內(nèi)放電三極管T由截止轉(zhuǎn)為飽和導通，管腳7“接地”，電容C經(jīng)放電三極管對地迅速放電，電壓vC由迅速降至0V（放電三極管的飽和壓降），電路由暫穩(wěn)態(tài)重新轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)。（5）恢復過程當暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，電容C通過飽和導通的三極管 T放電，時間常數(shù)2=RCESC，式中RCES是T的飽和導通電阻，其阻值非常小，因此2之值亦非常小。經(jīng)過（35）2后，電容C放電完畢，恢復過程結(jié)束。主要參數(shù)估算:(1) 輸出脈沖寬度tW輸出脈沖寬度就是暫穩(wěn)態(tài)維持時間，也就是定時電容的充電時間。由圖12.2.21（b）所示電容電壓vC的工作波形不難看出vC（0+）0V，vC（）=VCC，vC（tW）=，代入RC過渡過程計算公式，可得 上式說明，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖