基于電磁感應(yīng)的移動機車位置檢測方法研究

基于電磁感應(yīng)的移動機車位置檢測方法研究

1無線感應(yīng)位置檢測方法在工業(yè)生產(chǎn)中，正確識別大型移動車輛是非常重要的。無線感應(yīng)技術(shù)是20世紀70年代末在日本發(fā)展起來的,主要是針對工業(yè)生產(chǎn)中大型移動機車的自動化而研制的。日本三菱公司、FULUKAWA公司、安川公司和美國AB公司對于移動機車的自動化均采用無線感應(yīng)技術(shù)。國內(nèi)最早開始研究應(yīng)用無線感應(yīng)技術(shù)的是岳陽市電子研究所,該研究所與上海電氣自動化研究所等單位開展過該技術(shù)的研究。岳陽千盟電子有限公司在無線感應(yīng)位置檢測方面進行了深入研究,成功地解決了工業(yè)移動機車實現(xiàn)計算機集中管理控制的兩大難題:中央控制室與移動機車間可靠的數(shù)據(jù)通信移動機車所在位置的位置檢測。本文設(shè)計了新型無線感應(yīng)位置檢測方法,通過移動機車天線箱中的感應(yīng)線圈與軌道旁編碼電纜中傳輸對線間的電磁感應(yīng),得到移動機車的位置。無線感應(yīng)位置檢測的關(guān)鍵部件是編碼電纜和天線箱,兩者保持5~20cm的距離。新型無線感應(yīng)位置檢測具有以下特點:(1)可進行絕對位置檢測,重復(fù)性好;(2)可進行連續(xù)位置檢測,檢測精度高;(3)可進行非接觸式檢測,安全性好;(4)檢測方式多樣,適用性強;(5)抗干擾性強,可靠性高。2新無線傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理2.1中央控制室及客車部分新型無線感應(yīng)技術(shù)構(gòu)成的系統(tǒng),主要由中央控制室、移動機車和編碼電纜3部分構(gòu)成。中央控制室部分包括主控計算機和地面局;機車部分是機上局,感應(yīng)天線箱安裝在移動機車上隨機車移動,且始終與編碼電纜保持距離z(z≈10cm);編碼電纜部分由編碼電纜、連接電纜、匹配阻抗構(gòu)成。無線感應(yīng)系統(tǒng)模型如圖1所示。2.2發(fā)送線圈間距天線箱線圈為矩形多圈線圈,編碼電纜中任何一傳輸對線的一個網(wǎng)孔可看成矩形單圈線圈。當在發(fā)送線圈中通交變電流,則在靠近發(fā)送線圈的編碼電纜中的每一個傳輸對線中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢;同理,若在編碼電纜中任何一傳輸對線中通過交變電流,則在靠近編碼電纜的天線箱線圈中也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。通過檢測感應(yīng)電動勢的相位和幅度,得到天線箱所在的位置。發(fā)送線圈寬度與傳輸對線兩交叉間距相等,都為W(W=2r);傳輸對線橫向間距為B。定義x為移動機車上發(fā)送線圈中心線對應(yīng)位置;傳輸對線兩交叉間的區(qū)域稱為K區(qū)域(K=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,…);發(fā)送線圈中心線偏離所在K區(qū)域中心線距離為d。位置關(guān)系如圖2所示。在圖2中,發(fā)送線圈是指移動機車上的天線箱線圈,感應(yīng)線圈是指編碼電纜中的傳輸對線線圈。由于存在一個交叉,傳輸對線相鄰兩個區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相位相反。從端口得到的傳輸對線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e是發(fā)送線圈所對著的相鄰兩個區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的合成,e的相位與感應(yīng)線圈中心線所對著的區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相位相同。設(shè)發(fā)送線圈處于Ⅰ區(qū)域時,傳輸對線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為eⅠ;令n為發(fā)送線圈中心線前傳輸對線交叉次數(shù)。若n為偶數(shù),e與eⅠ相位相同;n為奇數(shù)時,e與eⅠ相位相反。若以eⅠ相位為基準,則e的相位系數(shù)為(-1)n。感應(yīng)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e的幅度A與有效感應(yīng)面積成正比。圖2中,在位置1:d=0,有效感應(yīng)面積S=Smax=W×B為最大,感應(yīng)電動勢的幅度A=Amax;位置3:d=r,有效感應(yīng)面積S=0,A=0;位置2:有效感應(yīng)面積S=(W-2d)×B,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的幅度和大小分別為得3新型無線傳感器位置的檢測3.1g傳輸對線交叉點位置設(shè)計編碼電纜中有R、G、G0′三類傳輸對線。1)R傳輸對線長距離檢測時,需將標準長度為L的編碼電纜連接起來,采用R傳輸對線分段技術(shù):Ri對線僅在i段叉開(i=0,1,2…),在其余段雙絞。2)G傳輸對線編碼電纜內(nèi)有若干對G傳輸對線G0,G1,…,Gn-1,按格雷碼規(guī)則交叉編制,避免了發(fā)送線圈處在G傳輸對線交叉點時可能造成的誤差。n的大小取決于R線的標準長度L和任意兩G線最小交叉距離r。編碼電纜結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。3)G0′傳輸對線如圖3所示,編碼電纜內(nèi)有一對G0′傳輸對線,G0′傳輸對線與G0傳輸對線的交叉間距相同,但交叉處與G0傳輸對線錯開距離r。3.2gj與ri傳輸?shù)南辔槐容^當通過發(fā)送線圈發(fā)送載波信號時,編碼電纜各傳輸對線中會產(chǎn)生感應(yīng)信號,若從Ri傳輸對線檢測的信號幅度最大,則發(fā)送線圈位于第i段。由于Ri在i段不交叉,故以接收信號幅度最大的Ri傳輸對線感應(yīng)的信號相位作為基準相位。各路G傳輸對線感應(yīng)的信號與之進行相位比較,若Gj與Ri同相記Gj=0,反相記Gj=1。由于各路G對線按照格雷碼規(guī)則交叉,相位比較的結(jié)果數(shù)據(jù)G2G1G0是一組格雷碼(為分析方便只寫3對G傳輸線),設(shè)格雷碼G2G1G0對應(yīng)的十進制數(shù)為g,可得APD位置公式為APD的檢測精度為G線任意兩交叉的間距r。3.3應(yīng)力電動勢測試設(shè)發(fā)送線圈中心線偏離G0和0G′兩交叉中心的距離分別為d0、d1,顯然r=d0+d1;A(G0)、A(G0′)分別為檢測到的G0、G0′產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的幅度。由公式(1)可得令且有:1)線圈1的中心位于G0兩交叉間左半部,如圖3位置(1),此處檢測出的APD位置數(shù)據(jù)g為奇數(shù)(g=1),則有:HRPD=d1=P0×r。2)發(fā)送線圈的中心位于0G′兩交叉間左半部,如圖3位置(2),此處檢測出來的APD位置數(shù)據(jù)g為偶數(shù)(g=4),則有:HRPD=d0=P1×r。綜合(1)(2),得HRPD為進而可得綜合位置ADD為3.4發(fā)送線圈處于位置假定發(fā)送線圈位于第1段(i=1),R線的標準長度L=100m,r=10cm。發(fā)送線圈分別處于圖3中的位置(1)、(2)、(3),則有:1)發(fā)送線圈處于位置(1)若測得傳輸對線G0、G0′的幅度為則由公式(7)~(10)得2)發(fā)送線圈處于位置(2)若測得傳輸對線G0、G0′的幅度分別為同理可得3)發(fā)送線圈處于位置(3)若A(G0)=0,0maxA(G′)=A,可得P0=0,P1=1。由于A(G0)=0,G0感應(yīng)信號與基準R信號比較,相位相同(即為0)或相反(即為1)。所以,210GGG=100或210GGG=101。則有:1)選G2G1G0=100綜上,均有:ADD=10070cm。4相位比較檢測系統(tǒng)電路編碼電纜中各傳輸對線經(jīng)過連接電纜引到電路端口,通過變壓器隔離后,各路R、G信號分別送到模擬開關(guān)1、2。當機上局通過發(fā)送線圈發(fā)送信號時,編碼電纜中各地址對線也會感應(yīng)耦合到發(fā)送線圈發(fā)送的信號,CPU控制模擬開關(guān),選擇其中一個R(G)信號經(jīng)過放大、帶通濾波后,一路經(jīng)由波形變換電路變換成方波信號,由異或門進行相位比較;另一路經(jīng)過整流濾波后送到A/D轉(zhuǎn)換器,由CPU對該信號幅度采樣。檢測系統(tǒng)電路模型如圖4所示。檢測電路工作原理:CPU控制模擬開關(guān)1,分別選擇R0,R1,…Rk,通過A/D1對各R信號幅度采樣,找到幅度最大的信號Ri,得到段位置i,并將Ri作為相位比較基準信號;CPU控制模擬開關(guān)2,分別選擇傳輸對線Gn-1,Gn-2,…,G1,G0的信號,所選擇的Gj信號與Ri信號經(jīng)過波形變換成方波后由異或門進行相位比較,CPU讀取比較結(jié)果并進行運算而得到APD位置數(shù)據(jù)g;CPU控制模擬開關(guān)2,分別選擇G0、G0′,通過A/2D對G0、G0′信號幅度采樣,得到A(G0)、A(G0′);最后將各數(shù)據(jù)代入公式(7)~(10),可得移動機車位置。5實驗數(shù)據(jù)分析實驗條件:編碼電纜長度6.4m,r=10cm,內(nèi)有8對傳輸對線R,G5,G4,G3,G2,G1,G0,G0′;采用地面檢測方式,A/D1與A/D2采用12位A/D轉(zhuǎn)換器;天線箱與編碼電纜保持5cm的距離。實驗方法:測得A(G0)=30,A(G0′)=3645,g=11,以此點作為絕對位置ADD=1100mm。并往大位置每隔2mm移動一次,并記錄所檢測的A(G0)和A(G0′),一直移到x=1300mm處(ADD=1300mm),共測得101組數(shù)據(jù)。表1給出了部分檢測數(shù)據(jù)和計算結(jié)果。將101組實驗檢測數(shù)據(jù)用描點法畫出來,得位置檢測實驗數(shù)據(jù)對應(yīng)圖形如圖5所示。在圖5中,原點對應(yīng)的橫坐標位置數(shù)據(jù)為1100mm縱軸對應(yīng)實測數(shù)據(jù)A(G0)和A(G0′),為觀察清晰將P0擴大了5000倍,即P0=1對應(yīng)縱軸5000。實驗結(jié)果說明:1)位置檢測值與實際地址位置偏差較小;2)位置檢測精度高,分辨率為2mm。為了減小誤差,實際應(yīng)用中將多次實驗的數(shù)據(jù)制成表格,計算出HRPD,并進行修正。用來進行高精度位置檢測的方式還有拉繩式傳感器、激光測距和條形碼等技術(shù)。這些檢測技術(shù)存在的普遍問題是測量距離短,不適合工業(yè)生產(chǎn)中大型移動機車長距離位置檢測和定位要求。各位置檢測技術(shù)綜合指標如表2所示。由表2可知,與其他位置檢測方式相比,新型無線感應(yīng)位置檢測綜合指標較高,在大型工業(yè)有軌機車長距離位置檢測和精確定位中優(yōu)勢明顯。6基于無線感應(yīng)的位置檢測方法在焦爐工業(yè)本文設(shè)計的新型無線感應(yīng)位置檢測系統(tǒng),是利用編碼電纜中傳輸對線和天線箱線圈的電磁感應(yīng)來實現(xiàn)移動機車位置檢測的,采