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列车测速测距系统设计 学 院：机械与电子控制工程学院 专 业： 测控技术与仪器 指导教师： 邱成 北京交通大学列车测速测距系统设计报告摘要：11.系统使用背景22.测速系统主体系统流程图23.列车测速系统原理23.1轮轴脉冲转速传感器23.2测速定位法33.3信标定位34.传感器选型44.1 选型标准44.2 传感器类型44.3 传感器型号54.4 选定的传感器75.隔离电路86.整形电路97.数据接收处理系统108.电源选择11总 结14北京交通大学列车测速测距系统设计报告摘要：本文阐述了基于霍尔传感器的列车测速测距系统的设计，详细给出了系统的构成、传感器的选择、隔离电路和整形电路的设计、单片机系统的设计等问题。关键词：霍尔传感器 测速 测距 铁路机车引言：随着高速铁路飞速发展，在时速超过350 km/h的高速铁路线路上，列车的测速定位问题显得越来越重要。传统的轨道电路定位法由于定位粗糙、精度不够，并且无法检知列车的即时速度，难以满足高速列车的定位要求。还有一种利用电机方式实现测速定位方法，该方式只适用于列车运行速度较低的线路。测速和定位还可通过外加输入信号直接获取列车的位置和速度信息，但该方式的测量精度受到一些因素的制约，在性价比方面存在局限性。传感器在高速铁路的测速和定位技术中成为当前的主流产品，应用较广，有多种类型：脉冲转速传感器、惯性加速度传感器、相对传感器、地面传感器、绝对传感器等。1.系统使用背景随着铁路运输运行速度的提高，为保障列车安全、高效运行，需要设计可靠、精确的列车测速测距系统，以满足行车组织的需要。在列车运行过程中，可能出现打滑、空转等问题，而镟轮等问题也会影响列车测速测距的精准度。为了解决以上问题，我们设计了如下的列车测速测距系统。2.测速系统主体系统流程图传感器 隔离电路 整形电路 信号交换 单片机 3.列车测速系统原理3.1轮轴脉冲转速传感器轮轴脉冲转速传感器在高速铁路中应用较为广泛。轮轴脉冲转速传感器测速的基本工作原理：利用车轮的周长作为“尺子”测量列车走行距离，根据所测距离测算列车运行速度，其基本公式为：V=Dn/3.6式中，=3.14，D为车轮直径，n为车轮转速。从上式可知，测量列车速度就是检测列车车轮转速和列车轮径。脉冲转速传感器安装在轮轴上，轮轴每转动一周，传感器输出一定数目的脉冲，使脉冲频率与轮轴转速成正比。输出的脉冲经隔离和整形后直接输入计算机CPU进行频率测量，再经换算从而得出车组速度和走行距离闭。其原理框图如图1所示。图1 脉冲转速传感器原理框图3.2测速定位法测速定位法是一种辅助定位方法。在轨道电路定位法定位法中，车在区间的始端还是终端是无法判断的，对列车定位时的最大误差就是一个区段的长度。为了得到较为准确的位置信息，在计算具体位置信息时通常要引入列车的即时速度信息。引入测速信息后大大减小了定位的误差。目前使用较多的列车测速一般是：通过测量车轮转速，然后将车轮转速换算为列车直线速度。图2:编码里程仪测距原理列车车轮运动一周，霍尔开关输出64个或128个脉冲。列车车轮运动一周，霍尔开关输出的脉冲数越多，测速和或测距精度越高。列车运动速度单位时间内霍尔开关输出的脉冲数（霍尔开关每周输出的脉冲数）列车运动距离编码里程计输出的脉冲数（霍尔开关每周输出的脉冲数）式中为列车车轮的直径。由于列车周而复始地运动，车轮轮径不断磨损，目前城市轨道交通系统中允许列车车轮的轮径范围为840mm770mm，电力机车1250mm，内燃机车1050mm，客车915mm，货车840mm，地铁车840mm等等，计算时代入相应的轮径即可。因此是个变量，要定期或不定期地进行修正。3.3信标定位信标是安装在线路沿线反映线路绝对位置的物理标志。信标分有源信标和无源信标两种, 有源信标可以实现车地的双向通信, 无源信标类似于非接触式IC 卡, 在列车经过信标所在位置时, 车载天线发射的电磁波激励信标工作, 并传递绝对位置信息给列车。城市轨道交通系统中所使用的信标大部分为无源信标, 安装在轨道沿线。信标的作用是为列车提供精确的绝对位置参考点(也可以提供线路的坡度、弯度等其它信息)。由于信标提供的位置精度很高, 达厘米量级, 常用信标作为修正列车实际运行距离的手段。采用信标定位技术的信息传递是间断的, 即当列车从一个信息点获得地面信息后, 要到下一个信息点才能更新信息, 若其间地面情况发生变化, 就无法立即将变化的信息实时传递给列车, 因此, 信标定位技术往往作为其它定位技术的补充手段。4.传感器选型4.1 选型标准l 能够适用于铁路轨道交通的环境下l 能够安装在铁路列车上4.2 传感器类型市场上比较常见的转速传感器的种类很多，有磁电式、光电式、离心式、霍尔式等转速传感器。铁路环境下，传感器的工作环境较为恶劣。为了适应这种工作环境，我们选用了霍尔转速传感器。霍尔传感器的特点（与普通互感器比较）1) 霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压，如：直流、交流、脉冲波形等，甚至对瞬态峰值的测量。副边电流忠实地反应原边电流的波形。而普通互感器则是无法与其比拟的，它一般只适用于测量50Hz正弦波。2) 原边电路与副边电路之间完全电绝缘，绝缘电压一般为2KV至12KV，特殊要求可达20KV至50KV。3) 精度高：在工作温度区内精度优于1%，该精度适合于任何波形的测量。而普通互感器一般精度为3%至5%且适合50Hz正弦波形。4) 线性度好：优于0.1%5) 动态性能好：响应时间小于1s跟踪速度di/dt高于50A/s6) 霍尔传感器模块这种优异的动态性能为提高现代控制系统的性能提供了关键的基础。与此相比普通的互感器响应时间为10-12ms，它已不能适应工作控制系统发展的需要。7) 工作频带宽：在0-100kHz频率范围内精度为1%。在05kHz频率范围内精度为0.5%。8) 测量范围：霍尔传感器模块为系统产品，电流测量可达50KA，电压测量可达6400V。9) 过载能力强：当原边电流超负荷，模块达到饱和，可自动保护，即使过载电流是额定值的20倍时，模块也不会损坏。10) 模块尺寸小，重量轻，易于安装，它在系统中不会带来任何损失。11) 模块的初级与次级之间的“电容”是很弱的，在很多应用中，共模电压的各种影响通常可以忽略，当达到几千伏/s的高压变化时，模块有自身屏蔽作用X光机维修。12) 模块的高灵敏度，使之能够区分在“高分量”上的弱信号，例如：在几百安的直流分量上区分出几毫安的交流分量。13) 可靠性高：失效率：=0.4310-6/小时14) 抗外磁场干扰能力强：在距模块5-10cm处有一个两倍于工作电流(2Ip)的电流所产生的磁场干扰而引起的误差小于0.5%，这对大多数应用，抗外磁场干扰是足够的，但对很强磁场的干扰要采取适当的措施。 霍尔开关典型应用：l 直流无刷电机无触点开关l 位置控制电流传感器l 汽车点火器安全报警装置l 隔离检测转速检测4.3 传感器型号单极霍尔开关电路型号工作电压VDD（V）工作电流IDD（MA）工作点Bop(GS)释放点Brp(GS)工作温度TA()封装形式典型应用HAL2024-203.518060-40-85TO-92S位置检测、转速检测HAL31344.5-241011020-40-150TO-92S舞台灯光、车速仪表、空调电机等HAL3144E3.8-304250230-40-85TO-92S舞台灯光、车速仪表、空调电机等HAL44E3.5-24580-16030-110-40-125SOT-23马达、无触点开关HAL1313.8-303.24540-40-125TO-92S霍尔接近开关传感器、转速探测HAL43A3.8-303.218050-40-150TO-92S速度和RPM传感器、转速计等HAL43F3.8-304200170-40-150TO-92S速度和RPM传感器、转速计等HAL583.5-242.5180137-40-150SOT-23马达、无触点开关HAL5433.5-245160110-40-150SOT-89B无触点开关、位置检测、转速计AH3144E4.5-241011020-40-85TO-92S舞台灯光、车速仪表、空调电机等AH3144L4.5-241011020-40-150TO-92S舞台灯光、车速仪表、空调电机等AH5434.5-241020030-40-150SOT-89无触点开关、位置检测、转速计双极锁存型霍尔电路型号工作电压VDD（V）工作电流IDD（MA）工作点Bop(GS)释放点Brp(GS)工作温度TA()封装形式典型应用HAL41F3.8-304120120-40-150TO-92S直流无刷电机、转速检测HAL7322.5-242.518-18-40-150SOT-23高灵敏无触点开关、无刷电机HAL18812.4-242.530-30-40-150SOT-23高灵敏无触点开关、无刷电机HAL5133.5-30470-70-40-150SOT-89高灵敏无触点开关、无刷电机AH5124.5-241060-60-40-125TO-92高灵敏无触点开关、无刷电机全极性霍尔开关电路型号工作电压VDD（V）工作电流IDD（MA）工作点Bop(GS)释放点Brp(GS)工作温度TA()封装形式典型应用HAL1492.5-3.51.14532-40-125TO-92S高灵敏无触点开关、无刷电机微功耗全极性霍尔开关电路型号工作电压VDD（V）工作电流IDD（MA）工作点Bop(GS)释放点Brp(GS)工作温度TA()封装形式典型应用HAL13S2.4-5.50.0095525-40-85SOT-23低功耗数码产品 如：手机HAL1482.4-5.50.0054532-40-125TO-92S低功耗数码产品 如：电筒HAL148L1.8-3.50.0054532-40-125SOT-23玩具线性霍尔型号工作电压VDD（V）磁场范围GS输出电压VOT（V）灵敏度S mv/G工作温度TA()封装形式典型应用HAL95A4.5-10.5+/-6700.5-4.53.125-40-150TO-92S角度探测 如：汽车油门HAL49E3.0-6.5+/-1000.8-4.251.4-40-100TO-92S角度测量 如：电动车转把霍尔齿轮传感器型号工作电压VDD（V）有效磁场Bbias（GS）有效工作频率回差Bhy(GS)工作温度TA()封装形式典型应用HAL18003.8-30+/-150015KHZ10-100-40-150TO-95传感器 如：齿轮测速4.4 选定的传感器单极霍尔开关 HAL202霍尔元件型号工作电压VDD（V）工作电流IDD（MA）工作点Bop(GS)释放点Brp(GS)工作温度TA()封装形式典型应用HAL2024-203.518060-40-85TO-92S位置检测、转速检测单极性霍尔开关电路HAL202 TO92UA封装单极霍尔元件HAL202管脚定义：管脚序号管脚名称功能描述1 VCC 电源电压2 GND 地3 OUT 集电极开路输出电路是由内部电压稳压单元、霍尔电压发生器、差分放大器、温度补偿单元、施密特触发器和集电极开路输出级组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压信号0和1。它是一种单磁极工作的磁敏电路，适合于矩形或者柱形磁体下工作。-20 85范围工作，其电源电压工作范围从4.0V 到20V 负载电流能力最高可达到35mA。封装形式为SIP3L(TO92S)霍尔传感器极限参数：参数符号量值单位工作环境温度TA -40+85 贮存温度TS -65+170 安装方式：如图3：图3 霍尔开关安装方式将一非磁性圆盘固定装在汽车车轮转轴上，边周围用环氧树脂粘贴块状磁钢(60个)，磁钢采用永久磁铁分割成的小磁块，其磁力较强，霍尔元件固定在距磁块所在平面约l 3mm处。当车轮转动时，磁块与霍尔元件相对位置发生变化，磁块靠近霍尔元件时，磁场增强，霍尔元件输出低电平，相反输出高电平，因此车轮转动，霍尔元件输出连续脉冲信号。通过整形送单片机根据具体要求进行信号处理计算。特别注意：在大多数场合，霍尔传感器都具有很强的抗外磁场干扰能力，一般在距离模块5-10cm之间存在一个两倍于工作电流Ip的电流所产生的磁场干扰是可以忽略的，但当有更强的磁场干扰时，要采取适当的措施来解决。通常方法有： 调整模块方向，使外磁场对模块的影响最小； 在模块上加罩一个抗磁场的金属屏蔽罩； 选用带双霍尔元件或多霍尔元件的模块电源维修； 5.隔离电路 RL为输出负载6.整形电路（1）无触发信号输入时电路工作在稳定状态当电路无触发信号时，vI保持高电平，电路工作在稳定状态，即输出端vO保持低电平，555内放电三极管T饱和导通，管脚7“接地”，电容电压vC为0V。（2）vI下降沿触发当vI下降沿到达时，555触发输入端（2脚）由高电平跳变为低电平，电路被触发，vO由低电平跳变为高电平，电路由稳态转入暂稳态。（3）暂稳态的维持时间在暂稳态期间，555内放电三极管T截止，VCC经R向C充电。其充电回路为VCCRC地，时间常数1=RC，电容电压vC由0V开始增大，在电容电压vC上升到阈值电压之前，电路将保持暂稳态不变。（4）自动返回（暂稳态结束）时间当vC上升至阈值电压时，输出电压vO由高电平跳变为低电平，555内放电三极管T由截止转为饱和导通，管脚7“接地”，电容C经放电三极管对地迅速放电，电压vC由迅速降至0V（放电三极管的饱和压降），电路由暂稳态重新转入稳态。（5）恢复过程当暂稳态结束后，电容C通过饱和导通的三极管 T放电，时间常数2=RCESC，式中RCES是T的饱和导通电阻，其阻值非常小，因此2之值亦非常小。经过（35）2后，电容C放电完毕，恢复过程结束。主要参数估算:(1) 输出脉冲宽度tW输出脉冲宽度就是暂稳态维持时间，也就是定时电容的充电时间。由图12.2.21（b）所示电容电压vC的工作波形不难看出vC（0+）0V，vC（）=VCC，vC（tW）=，代入RC过渡过程计算公式，可得 上式说明，单稳态触发器输出脉冲