机车测试系统中的转速测量

在工业生产和试验过程中，经常会遇到各种转速的测量和控制问题。多数情况下可以通过电磁或光电等方法，将转速测量转变为频率测量。测量频率的方法有很多，不同的方法各有不同的适用范围。近年来随着电子技术的迅速发展，工业测控设备不断更新，频率测量的方法和设备也有新的进展。在实际应用中，选择不同的技术设计方案，效果可能相差甚远。本文以机车试验床测试系统中的转速测量为例，说明如果能具体分析，对症下药，把方案设计和具体的技术设计工作做好做细，则采用简单的方法、挖掘已有测控设备的潜力，也能取得令人满意的效果。
1 试验系统概况及对转速测量的要求
　　机车试验床测试系统是为了解决列车的离线试验问题(进行机车维护和出厂试验时均需进行试验)而设计的。以往这类试验是采用在线方式、在列车线路的空闲间隙内穿插进行，变得更加困难，列车提速后，线路更加紧张。要彻底解决这一问题，有必要建造离线的试验床测试系统，对机车进行离线测试。

　　试验系统的结构如图1所示。待试机车被驱动到试验床上，机车车轮依次与传动轮摩合。传动轮三个一组，先通过机械式同步，然后分别驱动两台测功机(励磁发电机组)。测功机的输出接到大小可控的水阻阵列上，模拟机车负载，消耗机车功率。试验时，在一定条件下启动机车，调整测功机的负载和转速，可以使机车按照与线路上类似的工况(运行速度和拖动力)运行。试验中任何时刻，两台测功机的转速必须保持一致。
　　与一般的控制对象相比，对测功机的转速控制要求速度较快，特别是在加入内环电流反馈之后；对转速的显示精度要求也较高，希望在测量转速上限时相对误差不大于0.2%。本系统中设计的电流环调节周期为0.1秒，用于显示和记录的转速测量周期为1秒，试验系统设计的转速测量范围为200~1000转/分。测功机的转速测量性能对于整个系统的运行起着决定性的作用。
　　另外在试验中需要在车下的控制室内对机车上的重要参数进行监控，包括车上发电机的电压、电动机电流和柴油机的转速。对于柴油机转速，车上通常只提供每转一次的电脉冲信号，转速范围为500~1500转/分。由于这些测量参数只是用于对机车运行状态进行监控，因此对测量精度和测量速度的要求不高，不大于1%的相对误差和1~3秒的测量周期即可。
　　考虑到对测功机的测量和控制速度要求较高及提高测控系统的抗干扰能力，试验系统采用OMRON的CJ1-M型PLC控制器作为下位机，执行绝大部分测量和控制任务；机车上的数据则通过以Adam-4017+八通道模拟量输入模块为核心构成的便携式车上数据采集装置进行采集，采集的结果经RS-485总线传送到上位监控机。
　　本文只讨论测功机和柴油机的转速测量问题。
2 机车测试系统中的转速测量
2．1 测功机的转速测量
　　可编程控制器CJ1系列中有一个特殊单元是高速计数单元CT021。每块CT021具有两个高速计数器，每个计数器的容量为二进制32位，可接受频率高达50kHz的输入脉冲，以实现快速运动的精确控制。两个输入通道分别用于两台测功机的转速测量。
　　CT021采用计数法测量输入信号的频率。选用分辨率为1024的光电编码器实现转速-电信号频率转换。在转速下限(200转/分)时，实际输出的脉冲频率为1024×200/60s=3400/s，即3400Hz。为实现周期为0.1秒的快速调节，应配以周期为0.1秒的高速采样，此时每周期可采脉冲为340个，相对误差不超过±0.3%，可以满足转速控制要求。
　　在转速上限时，计数法的测量精度会有改善，但需核对计数单元对于输入脉冲频率的上限限制。转速为1000转/分时，输入脉冲频率为1024×1000/60s,即17.07kHz, 不会超过50kHz硬件脉冲频率上限的限制。
　　尽管上述单相脉冲输入方式已经可以满足系统测速要求，为保有一定的余量，系统实际采用差相输入方式，使输入脉冲的频率提高一倍，测量误差再减小一半。
　　做完上述核对工作、确定测量所需硬件之后，软件上要做的工作相对较简单，只要按照厂家提供的技术资料在程序中对CT021的工作方式进行正确地初始化设置，上电后程序就会在每个循环中将计数结果存放到指定的内存地址中。可以将这些数据转移到数据存储区，供实现转速调节的指令使用。
　　CT021还提供多种功能，例如可以实现双向计数、具有两个控制输入和两个控制输出及30个软输出等，对它们可以灵活配置，以满足使用现场可能出现的特殊要求。值得一提的是，CT021提供的功能之一是可以自动将连续若干次(最高可达64字)的速率测量结果记录在一个地址连续的存储区中，并随时自动刷新，这样既可以在每个0.1秒循环周期内得到当时的采样值供调节指令使用，也可以轻而易举地得到连续多个周期的总计数结果，即较长时间间隔内的采样值，供显示和记录之用。取样时间扩大了，量化误差相应减小，较好地满足了对显示精度的要求。
2．2 机车柴油机转速测量
　　机车上的柴油机转速为500~1500转/分，被测脉冲的频率仅为500/60s(8.3Hz)~1500/60s(25Hz)，采用计数法进行频率测量显然不合适。由于对测量精度的要求不是很高，可以采用模拟方法。

　　图2(a)所示是使用LM2917对柴油机转速进行模拟式测量的一个电路。LM2917是一款专门用于转速测量和控制的集成电路频率-电压转换芯片。它依照电荷泵的原理工作，与普通的电荷泵电路相比，该芯片集成了具有浮动输入的比较器输入级和可灵活进行再设计的输出级，因而大大减少了芯片投入应用时需要外接的元器件数量。输入级的输入浮动特性使用户可以调整信号输入的阈值，提高电路的抗干扰能力；在其内部还构建了一个幅度为15mV的滞环，从而可进一步提高电路的抗噪声干扰能力。芯片的输出级由比较器和一个浮动三极管组成，用户可以设计成比例输出或限值比较的输出，输出形式可为电压或电流，以满足不同的控制需求。图2(a)所示电路提供比例电压输出。图中的电容C1为电荷泵的充电电容，C2为积分电容。按图中所选参数，输入脉冲与输出电压之间的变换关系为：
　　
　　图2(b)为图2(a)所示电路的测试结果。图中，下部的曲线为F/V转换的结果，上部的曲线为包含了线性光电隔离器及后续的Adam-4017+模块的采集数据。
　　除了上述模拟式方法，也尝试了挖掘PLC控制器的潜力，采用DI输入、按照等精度方法对柴油机转速进行测量。使用定时器实现预取样窗口的宽度控制，以1ms高速定时器充当高频参考量化脉冲。图3所示为实现测量过程的软件流程和波形示意图。

　　图中，T1为确定预设取样窗口宽度的定时器，T2为1ms定时器，Smp为取样标志，N为被测脉冲计数值。
　　每当读到一个输入脉冲的上升沿，CPU首先查询取样标志，如为0，则置1，启动一次取样过程。取样过程的预定宽度由定时器T1确定。T1定时未到时，做两件事：一方面，1ms定时器持续进行定时计数；另一方面，PLC对输入脉冲计数(N=N+1)，直至T1定时到后遇到新的脉冲上升沿为止。如一次取样结束时，从1ms定时器得出的ms累计值为n，输入脉冲的计数值为N，则可得信号频率为:
　　
　　由于PLC在一次程序循环后才集中进行一次I/O刷新，因此很难做到取样窗口与被测脉冲同步。为了尽量减小这一因素带来的影响，采取了两条措施：(1)对脉冲输入信号的跳变采用立即刷新方式进行检测。(2)在整个PLC程序中，分散地插入不止一个输入脉冲检测点。实验证明，这些措施是行之有效的，该测量方案也可以满足试验要求，而且硬件成本很低(仅使用PLC的一个DI输入)。当然，如果采用中断单元，按中断方式工作，取样窗口的起始时间与被测脉冲的同步会变得很简单，测量准确度也会提高，代价是硬件成本增加。
　　在机车定置试验系统中，对于不同的测量需求，具体分析，区别对待，采取了不同的频率测量方法和设备，有针对性地采取了减小测量误差的措施，尽可能地挖掘已有测控设备的潜力，做好技术设计工作。这些努力已得到现场试验证明，效果令人满意。