机车转速传感器测试系统

【摘 要】 介绍了一种基于PLC自动控制平台，采用示波器等设备对机车转速传感器性能进行测试的方法，并介绍了该系统的基本原理、软硬件设计等内容。使用表明转速传感器测试系统是一款具有高实用性、高可靠性，操作方法简单、精度高、稳定性好等优点的测试设备。

【关键词】 转速传感器测试 自动控制 PLC 伺服电机

1 引言

转速传感器为机车电气控制提供脉冲信号，是机车安全、正常工作的主要参数。机车速度越来越快，速度传感器测试系统必须具备更宽的测速范围和更高的测试精度才能保证转速传感器能够提供准确的速度信号。传统的测试装置存在精度不高和工作效率低等缺点。随着PLC、伺服电机以及智能仪器等设备的广泛应用，高性能实用的传感器测试系统势在必行。

2 传感器简介

2.1 传感器工作原理及结构

TQG15机车光电转速传感器由支承机构、转轴及万向联轴传动机构、光电转换电路系统三部分组成。光电转换电路的核心是码盘和光敏三极管组成的电路，码盘固定在转轴轴伸端部，通过七芯电缆连接电路，七芯电缆分为A、B两组，每组三根引线，其中两根引线是15V直流电源；另一根是输出脉冲信号。传感器上电后，利用发光二极管作为光源，码盘在车轮转轴的带动下而旋转，由于码盘的遮挡作用，致使光断续器巾的光敏三极管通、断交替切换而产生脉冲信号，经过电路的放大整形后，输出与转速成比例的方波脉冲列。

2.2 转速传感器的主要性能参数

（1）电源电压（VDC）（V）12～30。（2）输出脉冲幅值（VDC）（V）高电平≥9（负载电阻3KΩ）低电平≤2。（3）相位差：1-2-3-4-5-6通道相位差为90°±15%。（4）转速测量范围（r/min）0～2000。（5）每转脉冲数36，200。（6）输出方波波形占空比（%）50±20。

3 硬件设计

转速传感器测试系统硬件主要包括PC机、PLC、程控电源、示波器、伺服电机、步进电机、码盘等设备。其功能是根据上位机指令调整程控电源为传感器提供电源，调整传感器与码盘之间的工作间隙。根据指令任意速度旋转码盘模拟车轮转动从而产生信号用于测试。

PLC即可编程控制器主要功能：逻辑控制、定时控制、计数控制、步进（顺序）控制、PID控制等。该测试系统选用的是具有双路高速计数器输出的32点继电器型PLC。

由于被测传感器与码盘间的工作间隙调要求精度高。所以采用伺服电机拖动被测转感器移动。伺服靠脉冲实现精确的定位，可以达到0.001mm。

测试速度范围非常广，所以低速和高速分别使用不同电机。低速转动时系统驱动步进电机转动通过减速机降低到指定的转速为传感器提供低频信号。步进电机配减速机最低可以达到0.01转/分，保证在极低转速时提供稳定信号。高速转动时系统将驱动高速伺服转动，高速伺服电机最高转速可到达4000转。伺服电机有良好的速度控制特性，在整个速度区内可实现平滑控制，高效率，不易发热。

为保证测试台工作的安全可靠，测试台有冗余设计。在操作台上装有前限位器和后限位器，防止传感器因误动作而被撞坏。

测试系统的主要技术参数：（1）输出工作电压：10V--30V连续可调；（2）电机转速成范围：0.9r/min-3500r/min，低速时精度±0.5%，高速时精度±1%；（3）测试精度：电压幅值：±0.01V，方波占空比：±1%，通道相位差：±0.1°；（4）示波器带宽100MHz，2 GSa/s实时采样率及50GSa/s等效采样率 时基范围2ns/div-50s/div边沿、脉宽、视频、码型、交替触发功能物理通道 4通道（各通道完全独立同步采集） （5）间隙调节范围及精度：0-5mm，±0.02mm

4 软件设计

软件设计立足于系统功能、性能和用户的要求，采用模块化结构进行设计工作。为提高工作效率，运行时尽量减少人工干预和操作，同时，系统初始化在线可调、工作状态直观显示。软件设计内容主要包括PLC程序设计和上位机程序设计两个基本模块。

4.1 PLC程序设计

PLC主要工作流程：PLC根据指令要求发脉冲信号驱动伺服电机转动从而拖动被测传感器移动，调整被测传感器与码盘间的工作间隙。上位机实时读取光栅尺数据当达到工作间隙时，PLC停止调整间隙。当收到上位机旋转码盘指令及相关参数时PLC将会根据不同速度要求驱动不同电机旋转（高速时驱动伺服电机，低速时驱动步进电机），在加速过程中PLC控制相应的指示灯闪烁，当达到要求PLC输入信号提示上位机转速已达到标准并使相应的指示灯常亮。收到停止测试指令时PLC停止输入脉冲输出，当电机0速时（即码盘停止转动）PLC驱动间隙调整电机向后退，当退到后限位时停止。

4.2 上位机程序设计

上位机程序是利用C#语言编写的应用程序。C#语言既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点，它可对位、字节和地址进行操作而且结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护以及调试。C#引入了指针概念，可使程序效率更高。另外它还具有强大的图形功能。

上位机程序主要功能是：测试试验、查询记录、系统维护。

测试试验：根据工艺要求发送命令，实时读取示波器数据并保存，同时绘出曲线并做相关参数计算。在测试过程中需要同时处理多项任务，故采用多线程方式。本程序共使用了3个线程，一是读取数据，二是保存数据（由于数据量大，要求存储速度快，故采用记录文件形式保存数据）三是绘图并计算相关参数。

查询记录：试验的所有数据均保存在存储器中，可随时调出查询。用户可看到整个试验的相关数据，并可回放实时曲线并打印相关数据。

系统维护：包括参数设置、工艺设置、记录数据整理等。

5 结语

本系统的设计，以PLC、伺服、示波器等设备为硬件设备为基础，充分利用自动化控制技术，完成了对机车转速传感器性能的测试，克服人工测试不准确等弊端，并降低了劳动强度的，提高了测试的准确性和可靠性，增强了测试的可操作性，和安全性。

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