機車測試系統(tǒng)中的轉速測量

  　在工業(yè)生產(chǎn)和試驗過程中，經(jīng)常會遇到各種轉速的測量和控制問題。多數(shù)情況下可以通過電磁或光電等方法，將轉速測量轉變?yōu)轭l率測量。測量頻率的方法有很多，不同的方法各有不同的適用范圍。近年來隨著電子技術的迅速發(fā)展，工業(yè)測控設備不斷更新，頻率測量的方法和設備也有新的進展。在實際應用中，選擇不同的技術設計方案，效果可能相差甚遠。本文以機車試驗床測試系統(tǒng)中的轉速測量為例，說明如果能具體分析，對癥下藥，把方案設計和具體的技術設計工作做好做細，則采用簡單的方法、挖掘已有測控設備的潛力，也能取得令人滿意的效果。

    1 試驗系統(tǒng)概況及對轉速測量的要求

    　機車試驗床測試系統(tǒng)是為了解決列車的離線試驗問題(進行機車維護和出廠試驗時均需進行試驗)而設計的。以往這類試驗是采用在線方式、在列車線路的空閑間隙內(nèi)穿插進行，變得更加困難，列車提速后，線路更加緊張。要徹底解決這一問題，有必要建造離線的試驗床測試系統(tǒng)，對機車進行離線測試。

    　試驗系統(tǒng)的結構如圖1所示。待試機 

車被驅動到試驗床上，機車車輪依次與傳動輪摩合。傳動輪三個一組，先通過機械式同步，然后分別驅動兩臺測功機(勵磁發(fā)電機組)。測功機的輸出接到大小可控的水阻陣列上，模擬機車負載，消耗機車功率。試驗時，在一定條件下啟動機車，調(diào)整測功機的負載和轉速，可以使機車按照與線路上類似的工況(運行速度和拖動力)運行。試驗中任何時刻，兩臺測功機的轉速必須保持一致。

    　與一般的控制對象相比，對測功機的轉速控制要求速度較快，特別是在加入內(nèi)環(huán)電流反饋之后；對轉速的顯示精度要求也較高，希望在測量轉速上限時相對誤差不大于0.2％。本系統(tǒng)中設計的電流環(huán)調(diào)節(jié)周期為O.1秒，用于顯示和記錄的轉速測量周期為1秒，試驗系統(tǒng)設計的轉速測量范圍為200～1000轉/分。測功機的轉速測量性能對于整個系統(tǒng)的運行起著決定性的作用。

    　另外在試驗中需要在車下的控制室內(nèi)對機車上的重要參數(shù)進行監(jiān)控，包括車上發(fā)電機的電壓、電動機電流和柴油機的轉速。對于柴油機轉速，車上通常只提供每轉一次的電脈沖信號，轉速范圍為500～1500轉/分。由于這些測量參數(shù)只是用于對機車運行狀態(tài)進行監(jiān)控，因此對測量精度和測量速度的要求不高，不大于1％的相對誤差和l～3秒的測量周期即可。

    　考慮到對測功機的測量和控制速度要求較高及提高 測控系統(tǒng)的抗干擾能力，試驗系統(tǒng)采用OMRON的CJ1-M型PLC控制器作為下位機，執(zhí)行絕大部分測量和控制任務；機車上的數(shù)據(jù)則通過以Adam-4017+八通道模擬量輸入模塊為核心構成的便攜式車上數(shù)據(jù)采集裝置進行采集，采集的結果經(jīng)RS-485總線傳送到上位監(jiān)控機。

    本文只討論測功機和柴油機的轉速測量問題。

    2 機車測試系統(tǒng)中的轉速測量

    2.1 測功機的轉速測量

    　可編程控制器CJl系列中有一個特殊單元是高速計數(shù)單元CT021。每塊CT021具有兩個高速計數(shù)器，每個計數(shù)器的容量為二進制32位，可接受頻率高達50kHz的輸入脈沖，以實現(xiàn)快速運動的精確控制。兩個輸入通道分別用于兩臺測功機的轉速測量。

   　 CT021采用計數(shù)法測量輸入信號的頻率。選用分辨率為1024的光電編碼器實現(xiàn)轉速一電信號頻率轉換。在轉速下限(200轉/分)時，實際輸出的脈沖頻率為1024×200／60s=3400／s，即3400Hz。為實現(xiàn)周期為O.1秒的快速調(diào)節(jié)，應配以周期為0.1秒的高速采樣，此時每周期可采脈沖為340個，相對誤差不超過±O.3％，可以滿足轉速控制要求。

    　在轉速上限時．計數(shù)法的測量精度會有改善，但需核對計數(shù)單元對于輸入脈沖頻率的上限限制。轉速為1000轉份時，輸入脈沖頻率為1024×1000／60s，即17.07kHz，不會超過50kHz硬件脈沖頻率上限的限制。

    　盡管上述單相脈沖輸入方式已經(jīng)可以滿足系統(tǒng)測速要求，為保有一定的余量，系統(tǒng)實際采用差相輸入方式，使輸入脈沖的頻率提高一倍，測量誤差再減小一半。

   　 做完上述核對工作、確定測量所需硬件之后，軟件上要做的工作相對較簡單，只要按照廠家提供的技術資料在程序中對CT021的工作方式進行正確地初始化設置，上電后程序就會在每個循環(huán)中將計數(shù)結果存放到指定的內(nèi)存地址中。可以將這些數(shù)據(jù)轉移到數(shù)據(jù)存儲區(qū)，供實現(xiàn)轉速調(diào)節(jié)的指令使用。

　　CT021還提供多種功能，例如可以實現(xiàn)雙向計數(shù)、具有兩個控制輸入和兩個控制輸出及30個軟輸出等，對它們可以靈活配置，以滿足使用現(xiàn)場可能出現(xiàn)的特殊要求。值得一提的是，CT021提供的功能之一是可以自動將連續(xù)若干次(最高可達64字)的速率測量結果記錄在一個地址連續(xù)的存儲區(qū)中，并隨時自動刷新，這樣既可以在每個0.1秒循環(huán)周期內(nèi)得到當時的采樣值供調(diào)節(jié)指令使用，也可以輕而易舉地得到連續(xù)多個周期的總計數(shù)結果，即較長時間間隔內(nèi)的采樣值，供顯示和記錄之用。取樣時間擴大了，量化誤差相應減小，較好地滿足了對顯示精度的要求。

    2.2 機車上的柴油機轉速測量

    　機車上的柴油機轉速為500~1500轉/分，被測脈沖的頻率僅為500／60s(8.3Hz)~1500／60s(25Hz)，采用計數(shù)法進行頻率測量顯然不合適。由于對測量精度的要求不是很高，可以采用模擬方法。

    　圖2(a)所示是使用LM2917對柴油機轉速進行模擬式測量的一個電路。LM2917是一款專門用于轉速測量和控制的集成電路頻率一電壓轉換芯片。它依照電荷泵的原理工作，與普通的電荷泵電路相比，該芯片集成了具有浮動輸入的比較器輸入級和可靈活進行再設計的輸出級，因而大大減少了芯片投入應用時需要外接的元器件數(shù)量。輸入級的輸入浮動特性使用戶可以調(diào)整信號輸入的閾值，提高電路的抗干擾能力；在其內(nèi)部還構建了一個瞬度為15mV的滯環(huán)，從而可進一步提高電路的抗噪聲干擾能力。芯片的輸出級由比較器和一個浮動三極管組成，用戶可以設計成比仞J輸出或限值比較的輸出，輸出形式可為電壓或電流，以滿足不同的控制需求。圖2(a)所示電路提供比例電壓輸出。圖中的電容C1為電荷泵的充電電容，C2為積分電容。按圖中所選參數(shù)，輸入脈沖與輸出電壓之間的變換關系為：

  　 圖2(b)為圖2(a)所示電路的測試結果。圖中，下部的曲線為F/V轉換的結果，上部的曲線為包含了線性光電隔離器及后續(xù)的Adam-4017+模塊的采集數(shù)據(jù)。

  　  除了上述模擬式方法，也嘗試了挖掘FLC控制器的潛力，采用Dl輸入、按照等精度方法對柴油機轉速進行測量。使用定時器實現(xiàn)預取樣窗口的寬度控制，以1ms高速定時器充當高頻參考量化脈沖。圖3所示為實現(xiàn)測量過程的軟件流程和波形示意圖。

    　圖中，T1為確定預設取樣窗口寬度的定時器，T2為hns定時器，Smp為取樣標志，N為被測脈沖計數(shù)值。

    　每當讀到一個輸入脈沖的上升沿，CPU首先查詢?nèi)�樣標志，如為O，則置1，啟動一次取樣過程。取樣過程的預定寬度由定時器Tl確定。Tl定時未到時，做兩件事：一方面，1ms定時器持續(xù)進行定時計數(shù)；另一方面，PLC對輸入脈沖計數(shù)(N=N+1)，直至Tl定時到后遇到新的脈沖上升沿為止。如一次取樣結束時，從lms定時器得出的ms累計值為n，輸入脈沖的計數(shù)值為Ⅳ，則可得信號頻率為：

    　由于PLC在一次程序循環(huán)后才集中進行一次I/0刷新，因此很難做到取樣窗口與被測脈沖同步。為了盡量減小這一因素帶來的影響，采取了兩條措施：(1)對脈沖輸入信號的跳變采用立即刷新方式進行檢測。(2)在整個PLC程序中，分散地插入不止一個輸入脈沖檢測點。實驗證明，這些措施是行之有效的，該測量方案也可以滿足試驗要求，而且硬件成本很低(僅使用PLC的一個DI輸入)。當然，如果采用中斷單元，按中斷方式工作，取樣窗口的起始時間與被測脈沖的同步會變得很簡單，測量準確度也會提高，代價是硬件成本增加。

    　在機車定置試驗系統(tǒng)中，對于不同的測量需求，具體分析，區(qū)別對待，采取了不同的頻率測量方法和設備，有針對性地采取了減小測量誤差的措，盡可能地挖掘已有測控設備的潛力，做好技術設計工作。這些努力已得到現(xiàn)場試驗證明，效果令人滿意。