張?jiān)浦?，?峻，洪小波

(國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院，湖南長沙 410073)

0 引言

磁浮列車現(xiàn)有的絕對(duì)里程定位技術(shù)包括基于GNSS的測速定位法、應(yīng)答器式檢測法、脈寬編碼式檢測法、電磁感應(yīng)式檢測法及渦流電感式檢測法[1-3]?，F(xiàn)今高速磁浮列車上的絕對(duì)位置讀碼器(簡稱INK)為基于電磁感應(yīng)式的有源傳感器。如圖1所示，絕對(duì)位置讀碼器為U型槽結(jié)構(gòu)，利用標(biāo)志板的電磁屏蔽作用，通過對(duì)接收線圈信號(hào)進(jìn)行分析，獲取定位標(biāo)志板上的位置信息[4-5]。高速磁浮軌檢系統(tǒng)搭載在車體端部電磁鐵上，要求系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕。如圖2所示，現(xiàn)有INK讀碼器為逐一讀碼方式，每側(cè)10個(gè)線圈，長600 mm、體積大、質(zhì)量高，不適合安裝在動(dòng)態(tài)軌檢設(shè)備上。

圖1 絕對(duì)位置讀碼器INK結(jié)構(gòu)框圖

圖2 INK檢測線圈布局方式

本文提出的新型絕對(duì)里程讀碼器是一種渦流電感式傳感器，如圖3所示，讀碼器能夠同時(shí)讀取定位標(biāo)志板的4個(gè)編碼[6]，結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、定位精度高。同時(shí)通過對(duì)線圈參數(shù)的優(yōu)化，避免了列車晃動(dòng)導(dǎo)致傳感器誤碼的問題，提高了測速定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該新型絕對(duì)里程讀碼器在最高200 km/h的檢測速度下需準(zhǔn)確讀取定位標(biāo)志板的位置信息，檢測精度達(dá)到±50 mm[7]。

圖3 絕對(duì)里程讀碼裝置工作示意圖

如圖4所示，根據(jù)渦流無損檢測原理，定位標(biāo)志板的窄縫對(duì)渦流的阻斷減弱了渦流對(duì)傳感器探頭線圈的耦合，線圈的等效電感值產(chǎn)生變化。如圖3所示，4組差分檢測線圈同時(shí)對(duì)定位標(biāo)志板的窄縫位置進(jìn)行檢測，可識(shí)別4個(gè)窄縫與等分線的相對(duì)位置，讀出相應(yīng)的位置信息[6]。為確定讀碼時(shí)機(jī)，引入激光開關(guān)組，當(dāng)檢測線圈正對(duì)定位標(biāo)志板時(shí)，兩激光開關(guān)同時(shí)觸發(fā)里程讀碼器進(jìn)行讀碼。

圖4 電渦流傳感器的等效電路模型

磁浮列車在高速行進(jìn)過程中絕對(duì)定位傳感器的有效讀碼時(shí)間極短，因此必須明確其動(dòng)態(tài)特性[4]。

電感式傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試方法包括機(jī)械模擬測試法(轉(zhuǎn)盤、彈射電機(jī))、有源/無源測試法[8-10]?；谡{(diào)制-解調(diào)原理[11]的有源測試法不涉及改造原電路，可操作性強(qiáng)、模擬速度范圍廣，相對(duì)機(jī)械測試法，試驗(yàn)環(huán)境安全、容易獲得大量連續(xù)數(shù)據(jù)，易于進(jìn)行定量分析。

開關(guān)型傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試方法包括標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)法、響應(yīng)時(shí)間記錄法及模擬觸發(fā)法[12-14]。激光開關(guān)為高精度傳感器，響應(yīng)快，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)要求高，響應(yīng)時(shí)間記錄難。本文根據(jù)模擬觸發(fā)原理，設(shè)計(jì)擋板模擬觸發(fā)試驗(yàn)，完成激光開關(guān)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行測試。

1 讀碼器動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)學(xué)模型及分析

圖5為絕對(duì)里程讀碼器工作流程。差分線圈通過感知渦流場差異，得到窄縫在定位標(biāo)志板上的相對(duì)位置，從而確定編碼信息。

定位標(biāo)志板間隔200 m布置，讀碼器離散讀碼，間隔時(shí)間遠(yuǎn)超單次讀碼時(shí)間，因此讀碼器的數(shù)據(jù)鏈延時(shí)可簡化為固定延時(shí)模型[15]，圖6為讀碼器多環(huán)節(jié)延遲數(shù)學(xué)模型。各環(huán)節(jié)延時(shí)用τ表示，且互不干擾。

圖5 讀碼器讀碼流程

圖6 讀碼器固定延時(shí)模型

支路延時(shí)用τA,τB表示，系統(tǒng)輸出總延時(shí)Tdelay可表示為：

Tdelay=max(τA,τB)+τ5+τ6

(1)

(2)

式中：τ1～τ6分別為振蕩回路時(shí)延、模擬開關(guān)時(shí)延、激光開關(guān)時(shí)延、低通濾波時(shí)延、電壓比較器時(shí)延及FPGA解碼時(shí)延。

1.1 振蕩回路時(shí)延τ1

振蕩回路電路如圖7所示，可等效為二階系統(tǒng)：

圖7 振蕩回路

(3)

將傳感器具體參數(shù)帶入，計(jì)算出振蕩回路帶寬約為3.7 MHz，遠(yuǎn)大于裝置本身要求的3 292.9 Hz[7]，因此振蕩回路時(shí)延τ1對(duì)整個(gè)檢測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響可以忽略。

1.2 激光開關(guān)時(shí)延τ3

激光開關(guān)組在高速下動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)延造成實(shí)際讀碼相對(duì)理論讀碼存在空間滯后，空間幾何滯后與時(shí)間延時(shí)存在比例關(guān)系。

1.3 低通濾波時(shí)延τ4

二階低通濾波器傳遞函數(shù)為

(4)

根據(jù)濾波器的階躍響應(yīng)可知τ3約為60 μs。

對(duì)于電壓比較器、模擬開關(guān)、FPGA三類 MHz級(jí)器件，可忽略其對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。系統(tǒng)總延時(shí)可簡化為

(5)

由式(5)可知，低通濾波、激光開關(guān)是影響讀碼器動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵因素。因此需針對(duì)二者設(shè)計(jì)試驗(yàn)，測試當(dāng)系統(tǒng)以最高檢測速度200 km/h行進(jìn)時(shí)，讀碼器是否可以準(zhǔn)確讀碼。

2 絕對(duì)里程讀碼器測試方案

低通濾波環(huán)節(jié)高速下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)無法單獨(dú)測試，轉(zhuǎn)化為支路線圈高速下對(duì)定位標(biāo)志板跟蹤能力測試。為確定高速下讀碼器能否準(zhǔn)確讀碼，需增加差分線圈高速讀碼能力測試。里程讀碼器開始讀碼的信號(hào)由激光開關(guān)組給出，因此，需增加激光開關(guān)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試，判斷讀碼器是否有足夠的讀碼條件。絕對(duì)里程讀碼器動(dòng)態(tài)測試主要包含3部分內(nèi)容：

(1)單個(gè)檢測線圈高速下的跟蹤能力測試；

(2)差分線圈組在高速下的讀碼能力測試；

(3)激光開關(guān)組高速觸發(fā)的讀碼條件測試。

2.1 檢測線圈跟蹤性能測試

如圖8所示，為讀碼器差分線圈輸出信號(hào)與標(biāo)志板編碼對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中A-B信號(hào)頻率與車速對(duì)應(yīng)。利用激勵(lì)線圈模擬讀碼器高速通過標(biāo)志板時(shí)的電感變化，實(shí)現(xiàn)檢測線圈高速下跟隨能力模擬測試[16]。在此基礎(chǔ)上用4組差分線圈進(jìn)行激勵(lì)，完成差分線圈組高速下讀碼能力模擬測試。

圖8 檢測線圈對(duì)窄縫的響應(yīng)

2.1.1 單個(gè)線圈高速下的跟蹤能力測試

圖9為單線圈跟蹤能力測試等效說明。以一定頻率的載波信號(hào)激勵(lì)耦合線圈，用線圈通斷產(chǎn)生渦流場的變化來模擬窄縫的有無。調(diào)制波的頻率需折算成定位標(biāo)志板與讀碼器之間的相對(duì)速度。在單個(gè)測試線圈的動(dòng)態(tài)激勵(lì)下，傳感器檢測線圈能跟蹤激勵(lì)線圈的信號(hào)的頻率變化，且幅值不衰減，證明在高速下檢測線圈能夠及時(shí)跟蹤定位標(biāo)志板的位置信息。

圖9 單檢測線圈等效測試方案

調(diào)制波頻率與列車運(yùn)行速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系為f=39.68v。根據(jù)圖10，保持調(diào)制波幅度不變，改變頻率，測試感應(yīng)線圈信號(hào)，獲取頻率信息。測試結(jié)果如圖11所示。

圖10 測試線圈及其測試位置

圖11 單線圈跟蹤能力測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，在252 km/h時(shí)速下，檢波電路能夠及時(shí)跟蹤定位標(biāo)志板的位置信息，濾波器動(dòng)態(tài)響應(yīng)滿足最高200 km/h檢測速度的設(shè)計(jì)要求。

2.1.2 差分線圈高速下的讀碼能力測試

如圖12，讀碼器通過差分獲得標(biāo)志板的信息縫與中心線的相對(duì)位置，因此，需要建立如圖13的模擬耦合線圈組，上下同組線圈頻率相同，調(diào)整調(diào)制波幅值，進(jìn)行編碼，如1100、1010、0101等。在耦合線圈組動(dòng)態(tài)激勵(lì)下，電壓比較器輸出信號(hào)能跟蹤激勵(lì)線圈，差值準(zhǔn)確穩(wěn)定，證明高速運(yùn)行條件下讀碼器可準(zhǔn)確讀碼。

圖12 編碼與窄縫位置對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖13 差分線圈組編碼方案

由于耦合線圈數(shù)量不足，差分線圈讀碼能力測試只做理論分析。如圖5，單個(gè)線圈跟蹤能力測試與差分線圈讀碼能力測試可與實(shí)際技術(shù)環(huán)節(jié)相對(duì)應(yīng)。

從低通濾波后的電路節(jié)點(diǎn)上獲取信號(hào)不易，而直接獲取電壓比較器輸出信號(hào)，默認(rèn)另一路信號(hào)為0，因此可以判定，在A、B信號(hào)互不干擾的情況下，差分線圈組可在最高檢測速度下準(zhǔn)確讀取定位標(biāo)志板上的編碼。

2.2 激光開關(guān)組動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試

在高速運(yùn)行條件下，激光開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間及同步觸發(fā)不一致的時(shí)間差會(huì)轉(zhuǎn)化為所讀編碼的幾何延遲[14]。檢測線圈作用范圍為±7 mm，對(duì)應(yīng)要求激光開關(guān)組高速下延時(shí)小于126 μs。根據(jù)定位標(biāo)志板的布置特點(diǎn)，找到模擬觸發(fā)頻率與車速的關(guān)系，設(shè)計(jì)如圖14的模擬觸發(fā)測試方案。

由幾何知識(shí)可得：

(6)

(7)

式中：α、β分別為激光開關(guān)作用范圍對(duì)應(yīng)擋板的旋轉(zhuǎn)角和擋板寬度對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)角；H為擋板寬度；L為激光開關(guān)中心距擋板中心距離；r為激光開關(guān)接收窗口半徑。

圖15 激光開關(guān)組理論輸出

磁浮列車以200 km/h通過定位標(biāo)志板需4.644 ms。為模擬該觸發(fā)情況，令T=13t(T取值結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)備迭代得出)，計(jì)算出擋板轉(zhuǎn)速ω=976 r/min，L=80 mm，H=10 mm，r取5 mm。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)如圖16長為180 mm，寬為10 mm擋板，完成激光開關(guān)組動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試。

圖16 擋板遮擋測試法實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)表明：擋板轉(zhuǎn)速達(dá)到1 009.2 r/min，模擬車速約203.1 km/h，實(shí)現(xiàn)了最高檢測速度的模擬觸發(fā)。如圖17所示，兩激光開關(guān)同步觸發(fā)延時(shí)平均213 μs。最大延時(shí)320 μs遠(yuǎn)大于激光開關(guān)標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)時(shí)間250 μs。誤差主要為實(shí)驗(yàn)中采用手持電鉆帶動(dòng)擋板旋轉(zhuǎn)所致。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)中可固定旋轉(zhuǎn)軸，提高測試精度。

圖17 激光開關(guān)組實(shí)際輸出

2.3 激光開關(guān)組與檢測線圈測試融合

通過設(shè)計(jì)不同的測試方案，單獨(dú)完成了對(duì)檢測線圈和激光開關(guān)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試。檢測線圈的動(dòng)態(tài)跟隨能力主要反映讀碼器低通濾波器能否及時(shí)將處理后的信號(hào)送入電壓比較器，并從兩路信號(hào)中識(shí)別出編碼信息；激光開關(guān)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)主要反映讀碼器能否在實(shí)時(shí)工作狀態(tài)下準(zhǔn)確截取有用編碼。如圖18所示，激光開關(guān)組為讀碼電路限制了時(shí)間區(qū)間，讀碼電路必須在該時(shí)間區(qū)間內(nèi)完成讀碼。二者在時(shí)間尺度上存在聯(lián)系，通過分別測試，激光開關(guān)組觸發(fā)后留給讀碼器的時(shí)間窗口大于讀碼器最大讀碼時(shí)間，說明讀碼器在高速下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好，滿足磁浮軌道檢測絕對(duì)定位需求。

圖18 檢測線圈與激光開關(guān)在時(shí)間尺度上的聯(lián)系

3 結(jié)束語

本文針對(duì)新型高速磁浮軌道絕對(duì)里程讀碼器，設(shè)計(jì)了一套基于調(diào)制解調(diào)和模擬觸發(fā)原理的讀碼器動(dòng)態(tài)響應(yīng)模擬測試方案，結(jié)合已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，論證了該新型絕對(duì)里程讀碼器能夠適應(yīng)200 km/h的磁浮軌道檢測速度，檢波電路可在最高252 km/h時(shí)速下穩(wěn)定工作。通過對(duì)讀碼器各環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)延進(jìn)行分析，綜合考慮濾波器和激光開關(guān)組的最大允許時(shí)延為186 μs，幾何延遲約為10.3 mm，滿足高速磁浮軌檢的絕對(duì)定位需求。部分測試實(shí)驗(yàn)條件不足導(dǎo)致的問題有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。