便携式地铁车辆速度检测装置研究
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摘要：为了解决对地铁机车速度传感器的检测校验问题，本文介绍了便携式机车速度传感器检测仪的研制原理和研制过程。本文设计了一种基于PWM控制技术的直流伺服电机调速控制系统，及相关信号检测控制系统。
中图分类号：TL81文献标识码：A文章编号：1672-3791(2012)04(a)-0000-00
1 引言
在地铁机车的运行过程之中，对机车速度进行检测和控制是整个地铁运行过程之中非常重要的一个环节。通过将速度传感器装在机车的轮对上面，可以方便地获取机车在运行时的实时速度数据。机车的速度是关系行车安全以及确保列车正常行驶的重要参数，更是对机车的运行状况进行监控记录基础。
2系统整体架构设计
2.1总体架构设计
系统整体架构设计的思路如图2-1：创建一套转动装置并通过电机来驱动，让速度传感器在该驱动装置的带动下转动起来，从而使传感器进入正常的工作状态之中，对机车的速度进行检测监控。该驱动部分务必要保证可以在要求的范围之内对转速进行调节，还要能够在一定的转速稳定下来，保证传感器在相对稳定的状态下工作。同时，还要求实现转速检测结果的实时显示，以便工作人员能快速直观地观察数据。根据设计的要求，还必须具有存储数据、上传数据至上位机等功能。在确保装置的可行性的基本前提下，在各方应该考虑仪器体积较小、重量较轻轻的方案，这样可以让装置具有良好的便携性，方便使用。
因为地铁机车用电全部是110V的直流电，所以系统中电机的驱动部分采用的是110V的直流伺服电机。该电机的速度调节范围较广且方式简单易操作、硬特性良好，可以方便地在需要进行调速的场合应用。
2.2PWM技术原理
PWM技术的原理是通过导通和断开大功率的半导体部件，将直流电压转换为电压脉冲的序列，并利用对电压脉冲的宽度或者周期的控制来实现变压，或者是利用对电压脉冲的宽度以及脉冲列周期的控制，来实现变频变压的一项控制技术。通过对脉冲序列周期进行控制就可以实现对脉冲频率的控制，通过控制在1个周期内脉冲的宽度（占空比），就可以将输出的电压平均值改变，实现调压功能。
由于被控制的对象为直流电机，因此对电机的转速进行控制也就意味着对电枢电压进行控制。 所以PWM的控制任务就简化为对电压进行调节，同时又不用进行调频。虽然在实际的应用中没有调频任务，但是PWM信号工作的频率是一定要确定的，频率过低会出现电压波动并导致直流电机出现抖动现象[1]。理论上，频率越高的电机其转动越平稳，然而由于受到半导体部件工作频率的限制，加之当工作频率到达某一个适当值的时候，电机运转的状态就已经非常好了，如果再增加频率也没多大意义，而且加大频率也加重了半导体部件的开关的损耗，对电路本身也是一种负担。实际的工作频率通常设定为2KHz。
3硬件设计
3.1电机部分
从技术角度来看，对传感器进行测试的关键是标准转速的调节，也就是调节电机转速的问题。本系统选择PWM技术来实现对电机的调速控制。给定速度的环节由旋转式的电位器来人为给定，而转速的负反馈的回路中，用微积分电路来构成速度调节器（ASR），用以对信号进行处理。用电流调节器（ACR）来处理电流的负反馈信号和ASR电路的输出信号，控制PWM输入电压的信号。电流的负反馈信号用串于电机电枢的回路里的电流传感器来测量的电压信号，电机的工作电流和它成正比关系。实际上ACR型电路也属于个微积分型电路。SG3525是专门用于生成PWM波的芯片，它可以产生一定频率的且占空比受控于输入电压的脉宽调制（PYVM）信号，将该信号输入IGBT专用的控制驱动芯片M57962内， M57962可以产生PWM信号并且直接驱动直流电机的回路中串接的IGBT，它在驱动电机之中的工作原理其实相当于用三极管来实现通断作用的功能，利用IGBT进行通断来改变电机两端的电枢电压，从而达到让电机转动的目的[2]。
电机主轴上安装有同轴的光栅盘，通过这个光栅盘的转动可以让和它连接的光电开关（M0C70T4）开始工作，产生脉冲信号，信号的转速与频率成正比关系。该信号经由可将频率信号转换成电压信号的LN12907转换芯片转换成电压信号，该电压信号亦即转速反馈的信号。
3.2单片机部分
在该系统中单片机起到了非常关键的作用，一方面，单片机在信号的采集与数据的存储等工作中提供解决了控制核心的问题，另一方面，单片机为整个系统创造出非常友好的工作界面。在系统中单片机的主要作用有以下几个方面:
对电机进行正反转控制和启动、停止、暂停控制；
采集并计算被检测到的电机的转速信号与待检测的速度传感器发送的信号；
将检测结果显示在单色的图形点阵LCD上；
和上位机进行串行通信并传输检测数据；
接收系统中由控制开关发出的命令，进行状态转换；
本文的设计所采用的单片机，其型号为MCS-51系列的AT-89C-52型单片机。之所以选择该型号的单片机，其原因主要是因为该单片机内部的RAM的总量是256比特，相比之下，89C-51型单片机中的RAM的总量仅有128比特，串行数据的传输过程必将使用到一定数量的内存，52型单片机可以很好地满足这一要求。
3.38253芯片
为了实现对标准转速的脉冲信号与来自传感器的4路脉冲一共5路脉冲信号的同时计数，仅仅依靠52型单片机其自身携带的三只计数器是不可能达到要求的。为此，系统使用两个M8253-2型可编程的计数芯片来充当计数器，这样就可以实现对前面提及的多达5路的脉冲信号进行检测的功能。该器件共包含了3个16位的独立计数器，每一个计数器计数速率都是2MHz。全部工作方式都可以通过软件编程来实现。8253型计数芯片被广泛地应用与工业控制领域。
8253-2型计数芯片属于Intel微机部件，它的连接方式和系统中其他所有的器件一样，系统将它作为一系列的的1/O口。其中的3个口为计数器，第4个口是针为工作方式的编程提供的控制寄存器。选择不同的输入端A0或 Al，用以对口进行选择。当选择输入端为A0时, Al就连接到中央处理器上的A0、Al的地址总线，可以利用现选法将CS信号直接和地址总线连接，或者是和译码器输出端连接。各控制指令字与计数初始值以及计数的输出值，都是经由D7-DO数据端口和单片机的数据总线实现连接的[3]。8253-2型计数芯片的所有功能都通过系统的编程来确定，中央处理器必须发送1组控制字，将计数芯片的每1个计数器都预置为系统要求的数值和形式。在预置以前，所有计数器其工作方式与计数值以及输出都是未确定的。
4软件设计
该系统中的软件是由两部分组成的，分别是上位机检测数据的接收程序与下位机单片机的控制程序，上位机检测数据接收程序的功能，是采用VB构建一个图形操作界面，接收来自下位机发的数据并用报表显示出来，同时保存成EXECEL的文件格式，用于对传感器的性能进行长期的监测和分析。下位机控制程序的功能，是利用单片机系统硬件平台对信号进行检测，将检测结果显示在LCD上并将数据保存，完成和上位机的串行通信并接收控制要求，响应要求并完成控制动作。
4.1单片机控制程序[4]
实际上，单片机的全部程序就是一个持续的循环的过程，大循环中包含查询与判断以及跳转指令，利用这些指令用来查询、判断控制开关工作状态，在查询到了相应状态以后，利用跳转指令跳转程序指令到相应子程序的入口处，从而实现系统某一特定功能。单片机的控制系统的硬件是进行软件设计的基础，对于特定硬件需要编写具体软件操作。比如，针对特定的芯片的工作原理、口地址、操作模式等为其编写相应的软件。
主程序是一个持续进行的循环判断过程，大循环周期就是一个不断地进行定时中断，不断地循环判断是否有换向操作，不断地循环判断定时1s有没有到来，然后不断地将定时清除，再次置零循环，开定时中断的循环过程。在主程序中，主要是进行LCD初始化的处理，判断轮径值并显示，判断电机的正反转并，调用电机的正反转的子程序的循环过程。所采集的数据的显示和保存过程，其实是由定时中断的子程序完成，LCD上实现的数据显示，也是在由子程序完成数据采集以后，再进行1次LCD显示的写操作才实现的。
4.2上位机程序
PC机采用VB编程，具有简单易学、高效且功能强大等特点。利用VB可以进行面向对象程序设计，事件驱动的编程模式具有良好的结构性，而且支持控件的无限扩增，可以实现非常友好的人机界面。而对于标准串口通信，支持使用功能强大的MSComm通信控件。该通信控件支持设置串行通信数据的发送与接收，可以进行对串口通信信息格式与串口状态以及协议的设置。该通信属于标准的10位串口通信，其中有标准数据8位、1位数据起始位、1位停止位。一个通信控件和一个串口对应，能够设计若干通信控件用来访问若干通信口。该系统采用VB语言编写的上位机的数据接收的软件，可以有效地实现数据显示和文档保存等功能。在进入初始化的界面后，进入到接收主界面，单击“建立连接”后，上位机将握手信号发送给单片机，双方完成数据通信的连接后进行数据传输。完成数据接收后以报表打印和文件保存两种形式将数据长久保存。
5 结论
本文详细介绍了研制地铁机车速度传感器检测仪的过程，对检测仪的结构、功能、原理、实现的依据等方面做了详细介绍。现在，基于本论文设计的机车速度传感器校验仪已进入生产阶段，并已应用到国内的地铁线路上。
参考文献
[1]. 黄立培.电动机控制[M].清华大学出版社.2003:47~52.
[2]. 刘星平等.基于SG3525控制的可逆直流脉宽调速系统[J].湖南工程学院学报:2002(1)27-30.
[3]. 莫易敏等.机车速度传感器在线校验仪的研制[J].测控技术2004:8-13.
[4]. 邓星钟主编.机电传动控制[M].武汉:华中科技大学出版社，2001:112-114.