劉衛(wèi)華

摘要：為了解決對地鐵機車速度傳感器的檢測校驗問題，本文介紹了便攜式機車速度傳感器檢測儀的研制原理和研制過程。本文設(shè)計了一種基于PWM控制技術(shù)的直流伺服電機調(diào)速控制系統(tǒng)，及相關(guān)信號檢測控制系統(tǒng)。

中圖分類號：TL81文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791(2012)04(a)-0000-00

1 引言

在地鐵機車的運行過程之中，對機車速度進行檢測和控制是整個地鐵運行過程之中非常重要的一個環(huán)節(jié)。通過將速度傳感器裝在機車的輪對上面，可以方便地獲取機車在運行時的實時速度數(shù)據(jù)。機車的速度是關(guān)系行車安全以及確保列車正常行駛的重要參數(shù)，更是對機車的運行狀況進行監(jiān)控記錄基礎(chǔ)。

2系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

2.1總體架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計的思路如圖2-1：創(chuàng)建一套轉(zhuǎn)動裝置并通過電機來驅(qū)動，讓速度傳感器在該驅(qū)動裝置的帶動下轉(zhuǎn)動起來，從而使傳感器進入正常的工作狀態(tài)之中，對機車的速度進行檢測監(jiān)控。該驅(qū)動部分務(wù)必要保證可以在要求的范圍之內(nèi)對轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，還要能夠在一定的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定下來，保證傳感器在相對穩(wěn)定的狀態(tài)下工作。同時，還要求實現(xiàn)轉(zhuǎn)速檢測結(jié)果的實時顯示，以便工作人員能快速直觀地觀察數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)計的要求，還必須具有存儲數(shù)據(jù)、上傳數(shù)據(jù)至上位機等功能。在確保裝置的可行性的基本前提下，在各方應(yīng)該考慮儀器體積較小、重量較輕輕的方案，這樣可以讓裝置具有良好的便攜性，方便使用。

因為地鐵機車用電全部是110V的直流電，所以系統(tǒng)中電機的驅(qū)動部分采用的是110V的直流伺服電機。該電機的速度調(diào)節(jié)范圍較廣且方式簡單易操作、硬特性良好，可以方便地在需要進行調(diào)速的場合應(yīng)用。

2.2PWM技術(shù)原理

PWM技術(shù)的原理是通過導(dǎo)通和斷開大功率的半導(dǎo)體部件，將直流電壓轉(zhuǎn)換為電壓脈沖的序列，并利用對電壓脈沖的寬度或者周期的控制來實現(xiàn)變壓，或者是利用對電壓脈沖的寬度以及脈沖列周期的控制，來實現(xiàn)變頻變壓的一項控制技術(shù)。通過對脈沖序列周期進行控制就可以實現(xiàn)對脈沖頻率的控制，通過控制在1個周期內(nèi)脈沖的寬度（占空比），就可以將輸出的電壓平均值改變，實現(xiàn)調(diào)壓功能。

由于被控制的對象為直流電機，因此對電機的轉(zhuǎn)速進行控制也就意味著對電樞電壓進行控制。 所以PWM的控制任務(wù)就簡化為對電壓進行調(diào)節(jié)，同時又不用進行調(diào)頻。雖然在實際的應(yīng)用中沒有調(diào)頻任務(wù)，但是PWM信號工作的頻率是一定要確定的，頻率過低會出現(xiàn)電壓波動并導(dǎo)致直流電機出現(xiàn)抖動現(xiàn)象[1]。理論上，頻率越高的電機其轉(zhuǎn)動越平穩(wěn)，然而由于受到半導(dǎo)體部件工作頻率的限制，加之當(dāng)工作頻率到達某一個適當(dāng)值的時候，電機運轉(zhuǎn)的狀態(tài)就已經(jīng)非常好了，如果再增加頻率也沒多大意義，而且加大頻率也加重了半導(dǎo)體部件的開關(guān)的損耗，對電路本身也是一種負擔(dān)。實際的工作頻率通常設(shè)定為2KHz。

3硬件設(shè)計

3.1電機部分

從技術(shù)角度來看，對傳感器進行測試的關(guān)鍵是標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，也就是調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的問題。本系統(tǒng)選擇PWM技術(shù)來實現(xiàn)對電機的調(diào)速控制。給定速度的環(huán)節(jié)由旋轉(zhuǎn)式的電位器來人為給定，而轉(zhuǎn)速的負反饋的回路中，用微積分電路來構(gòu)成速度調(diào)節(jié)器（ASR），用以對信號進行處理。用電流調(diào)節(jié)器（ACR）來處理電流的負反饋信號和ASR電路的輸出信號，控制PWM輸入電壓的信號。電流的負反饋信號用串于電機電樞的回路里的電流傳感器來測量的電壓信號，電機的工作電流和它成正比關(guān)系。實際上ACR型電路也屬于個微積分型電路。SG3525是專門用于生成PWM波的芯片，它可以產(chǎn)生一定頻率的且占空比受控于輸入電壓的脈寬調(diào)制（PYVM）信號，將該信號輸入IGBT專用的控制驅(qū)動芯片M57962內(nèi)， M57962可以產(chǎn)生PWM信號并且直接驅(qū)動直流電機的回路中串接的IGBT，它在驅(qū)動電機之中的工作原理其實相當(dāng)于用三極管來實現(xiàn)通斷作用的功能，利用IGBT進行通斷來改變電機兩端的電樞電壓，從而達到讓電機轉(zhuǎn)動的目的[2]。

電機主軸上安裝有同軸的光柵盤，通過這個光柵盤的轉(zhuǎn)動可以讓和它連接的光電開關(guān)（M0C70T4）開始工作，產(chǎn)生脈沖信號，信號的轉(zhuǎn)速與頻率成正比關(guān)系。該信號經(jīng)由可將頻率信號轉(zhuǎn)換成電壓信號的LN12907轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成電壓信號，該電壓信號亦即轉(zhuǎn)速反饋的信號。

3.2單片機部分

在該系統(tǒng)中單片機起到了非常關(guān)鍵的作用，一方面，單片機在信號的采集與數(shù)據(jù)的存儲等工作中提供解決了控制核心的問題，另一方面，單片機為整個系統(tǒng)創(chuàng)造出非常友好的工作界面。在系統(tǒng)中單片機的主要作用有以下幾個方面:

? 對電機進行正反轉(zhuǎn)控制和啟動、停止、暫?？刂?；

? 采集并計算被檢測到的電機的轉(zhuǎn)速信號與待檢測的速度傳感器發(fā)送的信號；

? 將檢測結(jié)果顯示在單色的圖形點陣LCD上；

? 和上位機進行串行通信并傳輸檢測數(shù)據(jù)；

? 接收系統(tǒng)中由控制開關(guān)發(fā)出的命令，進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換；

本文的設(shè)計所采用的單片機，其型號為MCS-51系列的AT-89C-52型單片機。之所以選擇該型號的單片機，其原因主要是因為該單片機內(nèi)部的RAM的總量是256比特，相比之下，89C-51型單片機中的RAM的總量僅有128比特，串行數(shù)據(jù)的傳輸過程必將使用到一定數(shù)量的內(nèi)存，52型單片機可以很好地滿足這一要求。

3.38253芯片

為了實現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速的脈沖信號與來自傳感器的4路脈沖一共5路脈沖信號的同時計數(shù)，僅僅依靠52型單片機其自身攜帶的三只計數(shù)器是不可能達到要求的。為此，系統(tǒng)使用兩個M8253-2型可編程的計數(shù)芯片來充當(dāng)計數(shù)器，這樣就可以實現(xiàn)對前面提及的多達5路的脈沖信號進行檢測的功能。該器件共包含了3個16位的獨立計數(shù)器，每一個計數(shù)器計數(shù)速率都是2MHz。全部工作方式都可以通過軟件編程來實現(xiàn)。8253型計數(shù)芯片被廣泛地應(yīng)用與工業(yè)控制領(lǐng)域。

8253-2型計數(shù)芯片屬于Intel微機部件，它的連接方式和系統(tǒng)中其他所有的外圍器件一樣，系統(tǒng)將它作為一系列的外圍的1/O口。其中的3個口為計數(shù)器，第4個口是針為工作方式的編程提供的控制寄存器。選擇不同的輸入端A0或 Al，用以對口進行選擇。當(dāng)選擇輸入端為A0時, Al就連接到中央處理器上的A0、Al的地址總線，可以利用現(xiàn)選法將CS信號直接和地址總線連接，或者是和譯碼器輸出端連接。各控制指令字與計數(shù)初始值以及計數(shù)的輸出值，都是經(jīng)由D7-DO數(shù)據(jù)端口和單片機的數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)連接的[3]。8253-2型計數(shù)芯片的所有功能都通過系統(tǒng)的編程來確定，中央處理器必須發(fā)送1組控制字，將計數(shù)芯片的每1個計數(shù)器都預(yù)置為系統(tǒng)要求的數(shù)值和形式。在預(yù)置以前，所有計數(shù)器其工作方式與計數(shù)值以及輸出都是未確定的。

4軟件設(shè)計

該系統(tǒng)中的軟件是由兩部分組成的，分別是上位機檢測數(shù)據(jù)的接收程序與下位機單片機的控制程序，上位機檢測數(shù)據(jù)接收程序的功能，是采用VB構(gòu)建一個圖形操作界面，接收來自下位機發(fā)的數(shù)據(jù)并用報表顯示出來，同時保存成EXECEL的文件格式，用于對傳感器的性能進行長期的監(jiān)測和分析。下位機控制程序的功能，是利用單片機系統(tǒng)硬件平臺對信號進行檢測，將檢測結(jié)果顯示在LCD上并將數(shù)據(jù)保存，完成和上位機的串行通信并接收控制要求，響應(yīng)要求并完成控制動作。

4.1單片機控制程序[4]

實際上，單片機的全部程序就是一個持續(xù)的循環(huán)的過程，大循環(huán)中包含查詢與判斷以及跳轉(zhuǎn)指令，利用這些指令用來查詢、判斷控制開關(guān)工作狀態(tài)，在查詢到了相應(yīng)狀態(tài)以后，利用跳轉(zhuǎn)指令跳轉(zhuǎn)程序指令到相應(yīng)子程序的入口處，從而實現(xiàn)系統(tǒng)某一特定功能。單片機的控制系統(tǒng)的硬件是進行軟件設(shè)計的基礎(chǔ)，對于特定硬件需要編寫具體軟件操作。比如，針對特定的芯片的工作原理、口地址、操作模式等為其編寫相應(yīng)的軟件。

主程序是一個持續(xù)進行的循環(huán)判斷過程，大循環(huán)周期就是一個不斷地進行定時中斷，不斷地循環(huán)判斷是否有換向操作，不斷地循環(huán)判斷定時1s有沒有到來，然后不斷地將定時清除，再次置零循環(huán)，開定時中斷的循環(huán)過程。在主程序中，主要是進行LCD初始化的處理，判斷輪徑值并顯示，判斷電機的正反轉(zhuǎn)并，調(diào)用電機的正反轉(zhuǎn)的子程序的循環(huán)過程。所采集的數(shù)據(jù)的顯示和保存過程，其實是由定時中斷的子程序完成，LCD上實現(xiàn)的數(shù)據(jù)顯示，也是在由子程序完成數(shù)據(jù)采集以后，再進行1次LCD顯示的寫操作才實現(xiàn)的。

4.2上位機程序

PC機采用VB編程，具有簡單易學(xué)、高效且功能強大等特點。利用VB可以進行面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計，事件驅(qū)動的編程模式具有良好的結(jié)構(gòu)性，而且支持控件的無限擴增，可以實現(xiàn)非常友好的人機界面。而對于標(biāo)準(zhǔn)串口通信，支持使用功能強大的MSComm通信控件。該通信控件支持設(shè)置串行通信數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，可以進行對串口通信信息格式與串口狀態(tài)以及協(xié)議的設(shè)置。該通信屬于標(biāo)準(zhǔn)的10位串口通信，其中有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)8位、1位數(shù)據(jù)起始位、1位停止位。一個通信控件和一個串口對應(yīng)，能夠設(shè)計若干通信控件用來訪問若干通信口。該系統(tǒng)采用VB語言編寫的上位機的數(shù)據(jù)接收的軟件，可以有效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和文檔保存等功能。在進入初始化的界面后，進入到接收主界面，單擊“建立連接”后，上位機將握手信號發(fā)送給單片機，雙方完成數(shù)據(jù)通信的連接后進行數(shù)據(jù)傳輸。完成數(shù)據(jù)接收后以報表打印和文件保存兩種形式將數(shù)據(jù)長久保存。

5 結(jié)論

本文詳細介紹了研制地鐵機車速度傳感器檢測儀的過程，對檢測儀的結(jié)構(gòu)、功能、原理、實現(xiàn)的依據(jù)等方面做了詳細介紹。現(xiàn)在，基于本論文設(shè)計的機車速度傳感器校驗儀已進入生產(chǎn)階段，并已應(yīng)用到國內(nèi)的地鐵線路上。

參考文獻

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[4]. 鄧星鐘主編.機電傳動控制[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社，2001:112-114.