Czujnik prędkości koła - Wheel speed sensor
Czujnik prędkości kół lub czujnik prędkości pojazdu (VSS) jest typu obrotomierz . Jest to urządzenie nadawcze służące do odczytu prędkości obrotu koła pojazdu . Zwykle składa się z zębatki i pickupa.
Czujnik prędkości koła samochodowego
Cel, powód
Czujnik prędkości koła był początkowo używany do zastąpienia połączenia mechanicznego między kołami a prędkościomierzem , eliminując pękanie kabla i upraszczając konstrukcję miernika poprzez eliminację ruchomych części. Czujniki te wytwarzają również dane, które umożliwiają działanie zautomatyzowanych systemów wspomagania jazdy, takich jak ABS .
Budowa
Najpopularniejszy system czujników prędkości koła składa się z ferromagnetycznego zębatego pierścienia reluktorowego (koła tonowego) i czujnika (który może być pasywny lub aktywny).
Koło tonowe jest zwykle wykonane ze stali i może być wykonane na wolnym powietrzu lub uszczelnione (jak w przypadku zjednoczonych zespołów łożyskowych). Liczba zębów jest wybierana jako kompromis między wykrywaniem/dokładnością przy niskiej prędkości a wykrywaniem/kosztem przy dużej prędkości. Większa liczba zębów będzie wymagać większej liczby operacji obróbkowych i (w przypadku czujników pasywnych) wytworzy sygnał wyjściowy o wyższej częstotliwości, który może nie być tak łatwo zinterpretowany po stronie odbiorczej, ale zapewni lepszą rozdzielczość i wyższą szybkość aktualizacji sygnału. W bardziej zaawansowanych systemach zęby mogą być ukształtowane asymetrycznie , aby umożliwić czujnikowi rozróżnienie między obrotem koła do przodu i do tyłu.
Czujnik pasywny zazwyczaj składa się z pręta ferromagnetycznego, który jest zorientowany tak, aby wystawał promieniowo z koła tonowego z magnesem trwałym na przeciwległym końcu. Pręt jest nawinięty cienkim drutem, na który indukowane jest napięcie przemienne, gdy koło tonowe obraca się, ponieważ zęby zakłócają pole magnetyczne. Czujniki pasywne wysyłają sygnał sinusoidalny, którego wartość i częstotliwość rośnie wraz z prędkością koła.
Odmiana czujnika pasywnego nie ma podtrzymującego magnesu, ale raczej koło tonowe, które składa się z naprzemiennych biegunów magnetycznych, które wytwarzają napięcie przemienne. Sygnał wyjściowy tego czujnika przypomina raczej falę prostokątną niż sinusoidę, ale nadal rośnie wraz ze wzrostem prędkości kół.
Czujnik aktywny to czujnik pasywny z obwodem kondycjonowania sygnału wbudowanym w urządzenie. To kondycjonowanie sygnału może wzmacniać wielkość sygnału; zmiana postaci sygnału na PWM , falę prostokątną lub inne; lub zakodowanie wartości w protokole komunikacyjnym przed transmisją.
Wariacje
Czujnik prędkości pojazdu (VSS) może być, ale nie zawsze, prawdziwym czujnikiem prędkości koła. Na przykład w skrzyni biegów Ford AOD VSS jest montowany do obudowy przedłużenia wału tylnego i jest samodzielnym pierścieniem tonalnym i czujnikiem. Chociaż nie daje to prędkości koła (ponieważ każde koło w osi z mechanizmem różnicowym jest w stanie obracać się z różnymi prędkościami i żadne z nich nie jest zależne wyłącznie od wału napędowego pod względem prędkości końcowej), w typowych warunkach jazdy jest to wystarczająco blisko, aby zapewnić sygnał prędkościomierza i był używany w systemach ABS tylnych kół w 1987 i nowszych Fordach serii F , pierwszych pickupach z ABS.
Czujniki prędkości specjalnego przeznaczenia
Pojazdy drogowe
Czujniki prędkości kół są krytycznym elementem układów przeciwblokujących .
Czujniki prędkości obrotowej do pojazdów szynowych
Wiele podsystemów w pojeździe szynowym, takich jak lokomotywa lub zespół trakcyjny , jest uzależnionych od niezawodnego i precyzyjnego sygnału prędkości obrotowej, w niektórych przypadkach jako miary prędkości lub zmian prędkości. Dotyczy to w szczególności kontroli trakcji , ale także zabezpieczenia przed poślizgiem kół , rejestracji, sterowania pociągiem, sterowania drzwiami i tak dalej. Zadania te wykonuje szereg czujników prędkości obrotowej, które można znaleźć w różnych częściach pojazdu.
Awarie czujników prędkości są częste i wynikają głównie z wyjątkowo trudnych warunków pracy występujących w pojazdach szynowych. Odpowiednie normy określają szczegółowe kryteria testowe, ale w praktyce napotykane warunki są często jeszcze bardziej ekstremalne (takie jak wstrząsy / wibracje, a zwłaszcza kompatybilność elektromagnetyczna (EMC)).
Czujniki prędkości obrotowej silników
Chociaż pojazdy szynowe od czasu do czasu wykorzystują napędy bez czujników, większość z nich potrzebuje czujnika prędkości obrotowej do swojego systemu regulacyjnego. Najpopularniejszym typem jest czujnik dwukanałowy, który skanuje koło zębate na wale silnika lub skrzyni biegów, które może być przeznaczone do tego celu lub może być już obecne w układzie napędowym.
Nowoczesne czujniki Halla tego typu wykorzystują zasadę modulacji pola magnetycznego i nadają się do tarcz ferromagnetycznych o module od m=1 do m=3,5 (od DP=25 do DP=7). Forma zębów ma drugorzędne znaczenie; można skanować tarcze celownicze z uzębieniem ewolwentowym lub prostokątnym. W zależności od średnicy i zębów koła można uzyskać od 60 do 300 impulsów na obrót, co jest wystarczające dla napędów o niskiej i średniej przyczepności.
Ten typ czujnika zwykle składa się z dwóch czujników Halla , magnesu ziem rzadkich i odpowiedniej elektroniki oceniającej. Pole magnesu jest modulowane przez przechodzące zęby celu. Ta modulacja jest rejestrowana przez czujniki Halla, przekształcana przez stopień komparatora na sygnał fali prostokątnej i wzmacniana w stopniu sterownika.
Niestety efekt Halla zmienia się znacznie w zależności od temperatury. Czułość czujników, a także przesunięcie sygnału zależą nie tylko od szczeliny powietrznej, ale także od temperatury. To również znacznie zmniejsza maksymalną dopuszczalną szczelinę powietrzną między czujnikiem a kołem docelowym. W temperaturze pokojowej szczelina powietrzna od 2 do 3 mm może być bez trudu tolerowana dla typowego koła docelowego o module m = 2, ale w wymaganym zakresie temperatur od -40 °C do 120 °C maksymalna szczelina dla efektywnej rejestracji sygnału spada do 1,3 mm. Tarcze o mniejszym skoku z modułem m = 1 są często używane w celu uzyskania wyższej rozdzielczości czasowej lub aby konstrukcja była bardziej zwarta. W tym przypadku maksymalna możliwa szczelina powietrzna wynosi tylko 0,5 do 0,8 mm.
Dla inżyniera projektanta widoczna szczelina powietrzna, w której kończy się czujnik, jest przede wszystkim wynikiem specyficznej konstrukcji maszyny, ale podlega wszelkim ograniczeniom, które są potrzebne do zarejestrowania prędkości obrotowej. Jeśli oznacza to, że ewentualna szczelina powietrzna musi znajdować się w bardzo małym zakresie, ograniczy to również tolerancje mechaniczne obudowy silnika i tarcz docelowych, aby zapobiec zanikom sygnału podczas pracy. Oznacza to, że w praktyce mogą wystąpić problemy, zwłaszcza z tarczami docelowymi o mniejszych skokach o module m=1 oraz niekorzystnych kombinacjach tolerancji i ekstremalnych temperatur. Z punktu widzenia producenta silnika, a tym bardziej operatora, lepiej więc szukać czujników prędkości o szerszym zakresie szczeliny powietrznej.
Główny sygnał z czujnika Halla gwałtownie traci amplitudę wraz ze wzrostem szczeliny powietrznej. Dla producentów czujników Halla oznacza to, że muszą zapewnić maksymalną możliwą kompensację fizycznie wywołanego dryfu przesunięcia sygnału Halla. Konwencjonalnym sposobem wykonania tego jest pomiar temperatury na czujniku i wykorzystanie tej informacji do skompensowania przesunięcia, ale to się nie udaje z dwóch powodów: po pierwsze dlatego, że dryft nie zmienia się liniowo wraz z temperaturą, a po drugie dlatego, że nie ma nawet znaku dryf jest taki sam dla wszystkich czujników.
Niektóre czujniki oferują teraz zintegrowany procesor sygnału, który próbuje skorygować przesunięcie i amplitudę sygnałów czujnika Halla. Korekcja ta umożliwia większą maksymalną dopuszczalną szczelinę powietrzną na czujniku prędkości. Na module m = 1 koło docelowe te nowe czujniki mogą tolerować szczelinę powietrzną 1,4 mm, która jest szersza niż w przypadku konwencjonalnych czujników prędkości na module m = 2 koła docelowe. Na kole docelowym o module m = 2 nowe czujniki prędkości mogą tolerować odstęp do 2,2 mm. Udało się również znacznie podnieść jakość sygnału. Zarówno cykl pracy, jak i przesunięcie fazowe między dwoma kanałami są co najmniej trzy razy bardziej stabilne w obliczu zmieniającej się szczeliny powietrznej i dryfu temperatury. Ponadto, pomimo złożonej elektroniki, udało się również wydłużyć średni czas między awariami nowych czujników prędkości trzy- do czterokrotnie. Dzięki temu nie tylko dostarczają bardziej precyzyjne sygnały, ale także ich dostępność sygnału jest znacznie lepsza.
Alternatywą dla czujników Halla z przekładniami są czujniki lub enkodery wykorzystujące [magnetorezystancję]. Ponieważ tarcza celownicza jest aktywnym, wielobiegunowym magnesem, szczeliny powietrzne mogą być jeszcze większe, do 4,0 mm. Ponieważ czujniki magnetorezystancyjne są wrażliwe na kąt i amplitudę, jakość sygnału jest wyższa w porównaniu z czujnikami Halla w zastosowaniach ze zmienną szczeliną. Również jakość sygnału jest znacznie wyższa, umożliwiając [interpolację] w czujniku/enkoderze lub w obwodzie zewnętrznym.
Enkodery silnika ze zintegrowanymi łożyskami
Istnieje ograniczenie liczby impulsów, które można osiągnąć przez czujniki Halla bez zintegrowanych łożysk: w przypadku tarczy celowniczej o średnicy 300 mm zwykle nie jest możliwe przekroczenie 300 impulsów na obrót. Jednak wiele lokomotyw i elektrycznych zespołów trakcyjnych (EMU) wymaga większej liczby impulsów do prawidłowego działania przekształtnika trakcyjnego, na przykład, gdy istnieją ścisłe ograniczenia regulatora trakcji przy niskich prędkościach.
Takie aplikacje z efektem Halla mogą korzystać z wbudowanych łożysk, które mogą tolerować szczelinę powietrzną o wiele rzędów wielkości mniejszą ze względu na znacznie zmniejszony luz na samym czujniku w porównaniu z łożyskiem silnika. Umożliwia to wybór znacznie mniejszej podziałki dla skali pomiarowej, aż do modułu m = 0,22. Podobnie czujniki magnetorezystancyjne oferują jeszcze wyższą rozdzielczość i dokładność niż czujniki Halla, gdy są zaimplementowane w enkoderach silnikowych ze zintegrowanymi łożyskami.
Aby uzyskać jeszcze większą dokładność sygnału, można zastosować precyzyjny enkoder.
Zasady działania obu enkoderów są podobne: wielokanałowy czujnik magnetorezystancyjny skanuje koło docelowe z 256 zębami, generując sygnały sinusoidalne i cosinusoidalne . Interpolacja arcus tangens jest używana do generowania prostokątnych impulsów z okresów sygnału sinus/cosinus. Precyzyjny enkoder posiada również funkcje korekcji amplitudy i przesunięcia. Umożliwia to dalszą poprawę jakości sygnału, co znacznie poprawia regulację trakcji.
Czujniki prędkości na zestawie kołowym
Bezłożyskowe czujniki prędkości zestawu kołowego
Bezłożyskowe czujniki prędkości można znaleźć w prawie każdym zestawie kołowym pojazdu szynowego. Są one głównie używane do ochrony przed poślizgiem kół i zwykle dostarczane przez producenta systemu ochrony przed poślizgiem kół. Czujniki te wymagają wystarczająco małej szczeliny powietrznej i muszą być szczególnie niezawodne. Szczególną cechą czujników prędkości obrotowej, które są wykorzystywane do ochrony przed poślizgiem kół, są ich zintegrowane funkcje monitorowania. Czujniki dwuprzewodowe z wyjściem prądowym 7 mA/14 mA służą do wykrywania uszkodzonych kabli. Inne konstrukcje zapewniają napięcie wyjściowe około 7 V, gdy tylko częstotliwość sygnału spadnie poniżej 1 Hz. Inną stosowaną metodą jest wykrywanie sygnału wyjściowego 50 MHz z czujnika, gdy zasilanie jest okresowo modulowane z częstotliwością 50 MHz. Często zdarza się również, że czujniki dwukanałowe mają izolowane elektrycznie kanały.
Czasami konieczne jest wyłączenie sygnału zabezpieczenia przed poślizgiem kół na silniku trakcyjnym , a częstotliwość wyjściowa jest wówczas często zbyt wysoka dla elektroniki zabezpieczenia przed poślizgiem kół. Do tego zastosowania można wykorzystać czujnik prędkości ze zintegrowanym dzielnikiem częstotliwości lub enkoderem.
Generator impulsów zestawu kołowego ze zintegrowanym łożyskiem
Pojazd szynowy, a zwłaszcza lokomotywa , posiada liczne podsystemy, które wymagają oddzielnych, izolowanych elektrycznie sygnałów prędkości. Zazwyczaj nie ma wystarczającej ilości miejsc do montażu, ani miejsca, na którym można by zainstalować oddzielne generatory impulsów. Rozwiązaniem są wielokanałowe generatory impulsów, które są montowane kołnierzowo na panewkach łożysk lub pokrywach zestawów kołowych. Stosowanie wielu bezłożyskowych czujników prędkości wymagałoby również dodatkowych kabli, których najlepiej unikać w przypadku urządzeń zewnętrznych, ponieważ są one tak podatne na uszkodzenia, na przykład z powodu latającego podsypki torowej .
Czujnik optyczny
Można zaimplementować od jednego do czterech kanałów, każdy kanał wyposażony w czujnik fotoelektryczny, który skanuje jedną z co najwyżej dwóch ścieżek sygnałowych na dysku szczelinowym. Doświadczenie pokazuje, że możliwa liczba kanałów możliwych do uzyskania dzięki tej technice jest wciąż niewystarczająca. W związku z tym wiele podsystemów musi zadowolić się sygnałami przelotowymi z elektroniki zabezpieczającej przed poślizgiem kół i dlatego jest zmuszonych zaakceptować na przykład dostępną liczbę impulsów, chociaż oddzielny sygnał prędkości może mieć pewne zalety.
Zastosowanie czujników optycznych jest szeroko rozpowszechnione w przemyśle. Niestety mają one dwie podstawowe słabości, które zawsze bardzo utrudniały ich niezawodne działanie przez wiele lat, a mianowicie – elementy optyczne są niezwykle podatne na zabrudzenia oraz – źródło światła starzeje się zbyt szybko.
Nawet ślady brudu znacznie zmniejszają ilość światła przechodzącego przez soczewkę i mogą powodować zaniki sygnału. Dlatego te enkodery muszą być bardzo dobrze uszczelnione. Dalsze problemy pojawiają się, gdy generatory impulsów są używane w środowiskach, w których przekroczony jest punkt rosy: soczewki zaparowują, a sygnał jest często przerywany.
Zastosowane źródła światła to diody elektroluminescencyjne (LED). Ale diody LED zawsze się starzeją, co przez kilka lat prowadzi do zauważalnie zmniejszonej wiązki. Próbuje się to zrekompensować za pomocą specjalnych regulatorów, które stopniowo zwiększają prąd płynący przez diodę LED, ale niestety dodatkowo przyspiesza to proces starzenia.
Sensor magnetyczny
Zasada stosowana przy skanowaniu ferromagnetycznej skali pomiarowej magnetycznie nie wykazuje tych braków. Podczas wieloletnich doświadczeń w stosowaniu enkoderów magnetycznych zdarzały się sytuacje, w których uszczelka uległa uszkodzeniu i okazało się, że generator impulsów jest całkowicie pokryty grubą warstwą pyłu hamulcowego i innego brudu, ale takie generatory impulsów nadal działały doskonale.
W przeszłości systemy czujników magnetycznych kosztowały więcej niż systemy optyczne, ale ta różnica szybko się zmniejsza. Systemy czujników magnetycznych Halla i magnetorezystancyjnych mogą być osadzane w tworzywie sztucznym lub materiale do zalewania , co zwiększa niezawodność mechaniczną i eliminuje uszkodzenia spowodowane wodą i tłuszczem.
Czujniki prędkości kół mogą również zawierać histerezę . To tłumi wszelkie zewnętrzne impulsy podczas postoju pojazdu.
Generatory impulsów skonstruowane zgodnie z tą zasadą zostały pomyślnie przetestowane w warunkach polowych przez kilku przewoźników kolejowych od początku 2005 roku. Test typu określony w normie EN 50155 został również pomyślnie zakończony, dzięki czemu te generatory impulsów mogą być teraz dostarczane.
Generatory impulsów zestawów kołowych ze zintegrowanymi łożyskami do wózków wewnątrzczłonowych
Wózki z wewnętrznym czopem stawiają szczególne wymagania konstruktorowi generatora impulsów, ponieważ nie mają na końcu pokrywy łożyska, która służy jako podstawa do rejestracji obrotów wału zestawu kołowego. W tym przypadku generator impulsów musi być zamontowany na czopach wału przymocowanych do zestawu kołowego i wyposażony w przekładnię hydrokinetyczną połączoną z ramą wózka, aby zapobiec jej obracaniu.
Ekstremalne drgania w tym miejscu prowadzą do znacznego obciążenia łożyska impulsatora, które przy takim sposobie montażu musi przenosić nie tylko stosunkowo niewielką masę wału impulsatora, ale całego impulsatora. Gdy weźmiemy pod uwagę, że żywotność łożyska zmniejsza się co najmniej z trzecią mocą obciążenia, możemy zauważyć, że niezawodny i trwały generator impulsów do takiej sytuacji nie może być jedynie zaadaptowany z bardziej powszechnego standardowego generatora impulsów dla wózków zewnętrznych, poprzez samo zamontowanie i kołnierz pośredni lub podobna konstrukcja. Naprawdę konieczne jest posiadanie generatora impulsów o zmodyfikowanej konstrukcji dostosowanej do wymagań takiej lokalizacji.
Czujniki prędkości do niemagnetycznych kół docelowych lub zastosowań wytwarzających opiłki
Niektóre firmy transportowe borykają się ze szczególnym problemem: cyrkulujące powietrze, które chłodzi silniki, przenosi wióry starte z kół i szyn. Gromadzi się to na głowicach czujników magnetycznych. Coraz częściej pojawiają się również silniki, w których czujniki muszą skanować aluminiowe tarcze celownicze, na przykład dlatego, że wirniki są wykonane ze stopu aluminium, a producent nie chce kurczyć się na osobnej ferromagnetycznej feldze zębatej.
Do tych zastosowań dostępne są czujniki prędkości, które nie wymagają magnesu docelowego. Szereg cewek nadawczych i odbiorczych jest używanych do generowania zmiennego pola elektrycznego o częstotliwości rzędu 1 MHz, a następnie oceniana jest modulacja sprzężenia między nadajnikami i odbiornikami. Ten czujnik jest kompatybilny pod względem instalacji i sygnału z czujnikami magnetycznymi; w przypadku większości popularnych modułów tarcz docelowych jednostki można po prostu wymienić bez żadnych innych środków.
Czujniki prędkości z interpolacją
Klienci często chcą większej liczby impulsów na obrót niż można osiągnąć w dostępnej przestrzeni i przy najmniejszym module m = 1. Aby osiągnąć ten cel, dostępne są czujniki, które oferują interpolację. Oferują one wyjście 2-64X w stosunku do pierwotnej liczby zębów kół zębatych lub biegunów magnetycznych na kole docelowym. Dokładność zależy od jakości sygnału wejściowego czujnika: czujniki Halla są tańsze, ale mają niższą dokładność, czujniki magnetorezystancyjne są droższe, ale mają wyższą dokładność.