摘 要: 提出了一種利用多普勒傳感器進(jìn)行列車速度準(zhǔn)確測量的方法,,實(shí)現(xiàn)了對列車實(shí)際移動速度的準(zhǔn)確測量和列車啟停運(yùn)行狀態(tài)的測試記錄和分析,解決了傳統(tǒng)車軸傳感器在車輪打滑和滑動時(shí)因速度誤差造成的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確問題,。
關(guān)鍵詞: 列車,;司控器;制動,;速度
列車測距測速系統(tǒng)方法研究主要針對目前城軌車輛在進(jìn)行例行動調(diào)試驗(yàn)時(shí),,如何獲取列車初始速度、制動減速度和制動距離等信息進(jìn)行研究,。研究內(nèi)容包括:列車制動時(shí)的初始速度,、制動距離、平均減速度,、瞬時(shí)減速度,、手柄狀態(tài)(牽引、惰行或制動),、運(yùn)行方向,、牽引距離和牽引加速度。通過對上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用,,實(shí)現(xiàn)對城軌車輛動態(tài)調(diào)試的深入研究,,以期能較為準(zhǔn)確地獲得車輛動調(diào)時(shí)的信息,。
本文介紹的方法實(shí)現(xiàn)了對列車實(shí)際移動速度的準(zhǔn)確測量和列車啟停運(yùn)行測試記錄和分析,解決了傳統(tǒng)車軸傳感器在車輪打滑和滑動時(shí)因速度誤差造成的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確問題,。
1 目前測量手段及弊端
目前生產(chǎn)的多數(shù)城軌車輛在公司環(huán)線動態(tài)調(diào)試時(shí),,無論制動距離、瞬時(shí)速度以及加速度和減速度都通過車軸上的傳感器脈沖輸出計(jì)算得出,,可以在TMS或者TCMS中讀出,,在軌道處于良好狀態(tài)時(shí),得到的結(jié)果較為準(zhǔn)確,,缺點(diǎn)是車輛動態(tài)調(diào)試時(shí)制動減速度是平均減速度,,沒有瞬時(shí)減速度的直接反映,速度也只是記錄制動時(shí)的初始速度,,在制動過程中的速度情況無法記錄,,也得不到車輛的沖擊情況,這樣,,車輛動態(tài)調(diào)試時(shí)的情況無法再現(xiàn),,給車輛性能分析以及故障分析帶來很大困難。另外,,在雨雪天氣下車輛動調(diào)時(shí),,車輛出現(xiàn)滑行后,初始速度,、制動距離和平均減速度與真實(shí)情況相差較遠(yuǎn),,所得到的數(shù)據(jù)參考意義不大。
另外,,這種測量方法依賴于TMS軟件的狀態(tài),。若軟件狀態(tài)良好,在樣車調(diào)試時(shí)可以直接使用,;若軟件一直在修改或完善,,則通常得不到列車的制動距離、減速度,、初始速度等重要信息,。成都地鐵一號線在調(diào)試時(shí)由于東洋電機(jī)的TCMS沒有調(diào)好,到目前為止,,回送出去的車輛在廠內(nèi)都無法對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行測量,。
有些城軌車輛的TMS中沒有提供這種功能,在Knorr軟件中通過制動速度傳感器的脈沖輸出得到車輛的速度曲線,。在沒有出現(xiàn)滑動時(shí),,根據(jù)曲線可以得出從列車開始制動到停止的時(shí)間t,初始速度v1可以直接通過曲線的最高點(diǎn)得出,,將速度降低曲線看作一條直線,,可以得出平均減速度a(v1=at),,制動距離S可以由v12=2aS得出??梢钥闯?,所得到的制動距離以及減速度都是近似值,在出現(xiàn)速度曲線波動較大或者出現(xiàn)防滑條件時(shí),,理論計(jì)算值與實(shí)際值相差就更大,。
綜上,依靠安裝在車軸上的速度傳感器來獲得瞬時(shí)速度存在很大的缺陷,,瞬時(shí)加速度,、減速度和制動距離等都不是原始數(shù)據(jù),而是通過理論計(jì)算得出,,與實(shí)際有出入,,另外控制手柄的具體狀態(tài)無法獲知,對理論分析車輛的性能帶來很大問題,。
2 信號的測量方法
2.1 車輛狀態(tài)信號的獲取
對列車速度運(yùn)行狀態(tài)與司控器狀態(tài)同步進(jìn)行分析更具現(xiàn)實(shí)意義,。車輛在運(yùn)行過程中涉及的狀態(tài)有:牽引位、惰行位,、制動位,、快速制動位、緊急制動位以及緊急制動(松開警惕手柄),,這些信息對于車輛性能分析以及數(shù)據(jù)再現(xiàn)有重要意義,,它們都為DC 110 V的信號,,在數(shù)據(jù)采集和分析時(shí)可以當(dāng)成開關(guān)量數(shù)字信號,,可通過光電隔離實(shí)現(xiàn)信號采集,如圖1所示,。
城軌車輛在牽引或制動時(shí)需要具體知道牽引或制動的檔位是多少,,這需要一個(gè)信號采集系統(tǒng)來獲得,現(xiàn)行列車司控器可以分為有級司控器和無級司控器,,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),,兩者都可以通過硬線以及司控器滑動變阻器中間觸點(diǎn)的電壓值(百分比)來獲得城軌車輛所處的狀態(tài)?;瑒幼冏杵鞯妮敵鰹镈C 0 V~DC 10 V的信號,,而單片機(jī)的信號輸入范圍為DC 0 V~DC 5 V,因此需要電壓的轉(zhuǎn)換,。本方案主要通過電阻的分壓來實(shí)現(xiàn),,而后采用線性光耦HCNR200來實(shí)現(xiàn)模擬信號的隔離和傳輸,如圖2所示,。
2.2 車輛速度和距離的獲取
利用多普勒效應(yīng)對列車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行研究,,多普勒效應(yīng)為:當(dāng)聲音,、光和無線電波等振動源與觀測者以相對速度v相對運(yùn)動時(shí),觀測者所收到的振動頻率與振動源所發(fā)出的頻率有所不同,,由多普勒效應(yīng)所形成的頻率變化叫做多普勒頻移,,它與相對速度v成正比,與振動的頻率成反比,。
列車運(yùn)動時(shí)的瞬時(shí)速度可以通過多普勒效應(yīng)得出,。當(dāng)列車靜止不動時(shí),多普勒頻移為0,;當(dāng)列車惰行,,即以恒定的速度運(yùn)行時(shí),多普勒頻移為固定值,;當(dāng)列車加速或者減速運(yùn)行時(shí),,多普勒頻移時(shí)刻發(fā)生變化,從而得到列車的瞬時(shí)速度,。
多普勒雷達(dá)傳感器(DRS05a)正是利用多普勒效應(yīng)獲得列車的瞬時(shí)速度和距離,。瞬時(shí)速度和距離的輸出有兩種方式:一種為通過RS485總線按照固定的協(xié)議向外輸出,傳輸率最小為10 ms,;另一種為通過DRS05a的脈沖輸出,,由脈沖計(jì)數(shù)和單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)來獲得距離和瞬時(shí)速度,速度的精度為每km/h對應(yīng)69.444 Hz,,每個(gè)脈沖代表4 mm(69.444×4×3600=999 993.6 mm),,600 km/h對應(yīng)的脈沖頻率為41.666 kHz。
利用多普勒傳感器獲得列車的瞬時(shí)速度和行車距離,,完全脫離列車的軸速和輪對的旋轉(zhuǎn),,即使列車出現(xiàn)防滑動作,仍然可以獲得列車的真實(shí)速度,、行車距離以及列車的平均減速度,,通過對獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以獲得列車的瞬時(shí)減速度。
3 系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)工作原理如圖3所示,,列車狀態(tài)包括開關(guān)量和模擬量信號均經(jīng)過車輛信息采集終端處理,,信息采集終端由信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路,、信號記錄處理電路,、通訊電路等組成。上位機(jī)通過USB口與車輛信息采集終端實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù),。
本項(xiàng)目中多普勒傳感器具有脈沖輸出和RS485總線速度數(shù)據(jù)輸出兩種模式,,脈沖輸出送車輛信息采集終端運(yùn)算后連同車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的形式輸出,RS485總線速度數(shù)據(jù)輸出經(jīng)RS485/USB轉(zhuǎn)換器直接進(jìn)入上位機(jī),,一方面作為速度信息的冗余,,另一方面也是對脈沖統(tǒng)計(jì)算法的參照,。
4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)
4.1 車輛狀態(tài)
信號采集系統(tǒng)的參數(shù)如下:
(1)電源:AC 220 V;
(2)開關(guān)量信號輸入范圍:DC 0~110 V,;
(3)開關(guān)量信號采集數(shù):8路,;
(4)滑動變阻器(司控器手柄)輸出范圍:DC 0~10 V或DC 0~15 V;
(5)可識別的滑動變阻器變化量最小為:3 mV,。
信號采集系統(tǒng)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)格式和通訊協(xié)議如表1所示,。
4.2 列車速度和距離
多普勒雷達(dá)傳感器獲取數(shù)據(jù)的參數(shù)如下:
(1)能測量的最小速度為:0.009 155 km/h;
(2)能測量的最大速度為:600 km/h,;
(3)短距離測量的最小分辨率為:0.1 m,;
(4)短距離測量的最長距離為:999.9 m;
(5)長距離測量的最小分辨率為:0.1 km,;
(6)長距離測量的最長距離為:999.9 km,;
(7)可識別車輛的運(yùn)行狀態(tài);
(8)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)可以識別傳感器的工作狀態(tài),。
表2所示為多普勒傳感器的數(shù)據(jù)格式和通訊協(xié)議,。
5 軟件實(shí)現(xiàn)與結(jié)果驗(yàn)證
依據(jù)上述思路編制的軟件主要實(shí)現(xiàn)如下功能:
(1)建立操作者的數(shù)據(jù)庫;
(2)自動保存用戶的登錄記錄,;
(3)能檢驗(yàn)通訊線路的狀態(tài),;
(4)自動保存?zhèn)鞲衅靼l(fā)送過來的所有數(shù)據(jù);
(5)自動保存信號采集系統(tǒng)發(fā)送過來的車輛狀態(tài),;
(6)用不同顏色的曲線實(shí)時(shí)顯示接收到的數(shù)據(jù),;
(7)根據(jù)接收的數(shù)據(jù)自動識別車輛的運(yùn)行方向;
(8)對不合格試驗(yàn)項(xiàng)進(jìn)行報(bào)警提示,;
(9)對合格的試驗(yàn)項(xiàng)彈出對話框提醒,,同時(shí)抓圖進(jìn)行保存,便于數(shù)據(jù)的查詢和驗(yàn)證,;
(10)自動診斷傳感器的運(yùn)行狀態(tài),,在出現(xiàn)故障時(shí)自動報(bào)警;
(11)根據(jù)歷史保存的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行曲線再現(xiàn),。
圖4所示為進(jìn)行P4牽引(牽引四級,即為最大牽引),,60 km/h,,惰性3 s,按下緊急按鈕,,施加緊急制動下的記錄曲線,,上框內(nèi)為速度變化曲線,中框?yàn)榧铀俣茸兓€,,下框?yàn)樗究仄鳡顟B(tài),。
列車測距測速系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)完全脫離列車車軸的旋轉(zhuǎn),,所得的距離和速度等信息是對地的絕對值,同時(shí)記錄下車輛在運(yùn)行過程中的信息,,為故障分析和車輛性能分析提供足夠的數(shù)據(jù),,通過該方法可以在做型式試驗(yàn)
時(shí)不用依靠廠家而自己做出性能分析,優(yōu)勢明顯,。
參考文獻(xiàn)
[1] 王磊.測控儀器設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,,2007.
[2] 趙新民,王祁.智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,,1999.
[3] 張巖,,胡秀芳,張濟(jì)國.傳感器應(yīng)用技術(shù)[M].福建:科學(xué)技術(shù)出版社,,2006.