HXD1型電力機(jī)車THTF4.5牽引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)

柯 磊，郝小江

（1 攀枝花學(xué)院交通與汽車工程學(xué)院，四川攀枝花617000；2 攀枝花學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，四川攀枝花617000）

運(yùn)用與檢修

HXD1型電力機(jī)車THTF4.5牽引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)

柯 磊1，郝小江2

（1 攀枝花學(xué)院交通與汽車工程學(xué)院，四川攀枝花617000；2 攀枝花學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，四川攀枝花617000）

系統(tǒng)利用MCS-51單片機(jī)和霍爾傳感器測(cè)量THTF4.5牽引風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，研究M法、T法和M/T法電機(jī)測(cè)速的原理，并采用M測(cè)量方法測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速.設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件電路和軟件介紹霍爾傳感器測(cè)速方法，將脈沖信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)運(yùn)算并通過(guò)LED顯示結(jié)果。分析消除±1個(gè)脈沖誤差，滿足電機(jī)測(cè)速精度要求，測(cè)速系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，檢測(cè)方式多樣，檢測(cè)精度高等特點(diǎn)。

THTF4.5牽引風(fēng)機(jī)；電機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)；霍爾傳感器；單片機(jī)

THTF4.5牽引風(fēng)機(jī)是為HXD1型機(jī)車牽引電機(jī)提供冷卻的裝置。THTF4.5牽引風(fēng)機(jī)為軸向離心式風(fēng)機(jī)，主要由風(fēng)機(jī)葉輪、三相交流異步電動(dòng)機(jī)、主風(fēng)筒、進(jìn)風(fēng)道、接頭等零部件組成。冷空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)和風(fēng)道進(jìn)入牽引電機(jī)，將牽引電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱量帶到機(jī)車外，并使空氣流量達(dá)到散熱要求。機(jī)車逆變器提供可變電壓和頻率的電源，使風(fēng)機(jī)形成可調(diào)的轉(zhuǎn)速，提供可變的空氣流量，滿足牽引電機(jī)在不同工作狀態(tài)下的冷卻要求，不至于因風(fēng)機(jī)停止工作造成牽引電機(jī)過(guò)熱損壞。因此對(duì)牽引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)顯得非常重要。

采用在THTF4.5牽引風(fēng)機(jī)電機(jī)軸上安裝霍爾傳感器采集脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)經(jīng)調(diào)理后送給AT89C52單片機(jī)，采用M（測(cè)頻率法）測(cè)量方法，對(duì)牽引風(fēng)機(jī)的4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分時(shí)顯示其轉(zhuǎn)速。由于霍爾傳感器質(zhì)量輕、尺寸小、無(wú)觸點(diǎn)、使用壽命長(zhǎng)、調(diào)試方便、外圍電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，對(duì)牽引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行沒(méi)有影響。使用霍爾傳感器獲得脈沖信號(hào)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也可以做得較為簡(jiǎn)單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開(kāi)關(guān)靠近磁鋼，就有信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)不斷地產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸出。如果在圓周上粘上多粒磁鋼，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，獲得多個(gè)脈沖輸出。

1 測(cè)量方法

檢測(cè)牽引風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度的方法是用安裝在電機(jī)軸上的霍爾傳感器輸出脈沖頻率和轉(zhuǎn)速成正比的原理，測(cè)出脈沖的周期或頻率就可算出轉(zhuǎn)速。

用脈沖計(jì)數(shù)測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法有：M法（測(cè)頻率法）、T法（測(cè)周期法）和M/T法（測(cè)頻率/周期法）。

M法（測(cè)頻率法）是在檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，檢測(cè)霍爾傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)M測(cè)量轉(zhuǎn)速。檢測(cè)時(shí)間一定，但檢測(cè)起止時(shí)間有隨機(jī)性，在極端情況下產(chǎn)生±1個(gè)脈沖誤差。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)才有較高的測(cè)量精度，因此M法（測(cè)頻率法）適合高速測(cè)量?；魻杺鞲衅髅哭D(zhuǎn)輸出R個(gè)脈沖信號(hào)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為N，r/min，則f＝RN/60，測(cè)得M1值，可得轉(zhuǎn)速為：N＝60M1/RT，其測(cè)速分辨率為：

R為每轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)數(shù)，T時(shí)間間隔，M為T內(nèi)輸出的脈沖數(shù)。分辨率同電機(jī)轉(zhuǎn)一周輸出的脈沖信號(hào)數(shù)R和測(cè)量周期T。測(cè)量周期長(zhǎng)或極對(duì)數(shù)多則分辨率小，精度高。

T法（測(cè)周期法）是通過(guò)測(cè)量相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的時(shí)間來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。在極端情況下，時(shí)間（周期）的測(cè)量會(huì)產(chǎn)生±1個(gè)高頻脈沖周期，因此T法（測(cè)周期法）適合測(cè)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，可有較高的測(cè)量精度。

M/T法（測(cè)頻率/周期法）同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和此檢測(cè)時(shí)間內(nèi)霍爾傳感器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)測(cè)量轉(zhuǎn)速。由于同時(shí)對(duì)兩種脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，M/T法在高速和低速都有較高的測(cè)量精度。

THTF4.5牽引風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速是3 520（1±5%）r/min，轉(zhuǎn)速較高，因此本文采用M法（測(cè)頻率法）測(cè)量牽引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)產(chǎn)生的±1個(gè)計(jì)數(shù)誤差用軟件的方法進(jìn)行補(bǔ)償。

2 轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)模塊硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)THTF4.5牽引風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量的需要，采用AT89C52單片機(jī)的電機(jī)測(cè)速模塊設(shè)計(jì)。如圖1所示。主要包含4個(gè)模塊：霍爾傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、測(cè)量MCU、數(shù)碼顯示電路。采用霍爾傳感器來(lái)產(chǎn)生轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)，信號(hào)經(jīng)調(diào)理后送給單片機(jī)，本設(shè)計(jì)采用M法（測(cè)頻率法）來(lái)檢測(cè)脈沖信號(hào)，需要1個(gè)計(jì)數(shù)器和1個(gè)定時(shí)器。測(cè)速系統(tǒng)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)與被測(cè)脈沖的前沿同步。

AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8 kb的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 b的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)雙向I/O口；3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷；時(shí)鐘頻率0～24 MHz；2個(gè)外部中斷源，共8個(gè)中斷源；2個(gè)讀寫中斷口線，3級(jí)加密位；低功耗空閑和掉電模式，軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能；有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等幾種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，AT89C52單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。

電機(jī)測(cè)速電路用霍爾傳感器設(shè)計(jì)。由于UGN－3501T具有較高的靈敏度，它能感受很小磁場(chǎng)變化。傳感器輸出一個(gè)峰值為20 m V的脈沖，此脈沖信號(hào)經(jīng)μA741運(yùn)放放大后驅(qū)動(dòng)2N5812三極管，使之完成導(dǎo)通、截止過(guò)程。把計(jì)數(shù)器接于2N5812輸出端，即可產(chǎn)生脈沖計(jì)數(shù)。成為轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖?？刂朴?jì)數(shù)時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值對(duì)應(yīng)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速值。UGN-3501T霍爾傳感器組成的計(jì)數(shù)器電路圖如圖2所示。其輸出脈沖接AT 89C52單片機(jī)的P3.4（T0）引腳。

使用霍爾傳感器，被測(cè)軸安裝12只磁鋼，即轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生12個(gè)脈沖，將轉(zhuǎn)速值（r/min）顯示在數(shù)碼管上。

顯示電路用6位共陰數(shù)碼管，動(dòng)態(tài)掃描顯示，為增加顯示亮度，其位選信號(hào)經(jīng)P1口輸出到8同相三態(tài)緩沖器/線驅(qū)動(dòng)器74HC244，信號(hào)經(jīng)單片機(jī)P0口輸出。其中最左一位用來(lái)顯示牽引風(fēng)機(jī)號(hào)，中間空一位，右邊4位用來(lái)顯示測(cè)得電機(jī)轉(zhuǎn)速值。

3 轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

主程序在對(duì)定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、堆棧等進(jìn)行初始化后即判斷“要求計(jì)算速度的標(biāo)志”是否為1，如果為1，說(shuō)明要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，首先將“要求計(jì)算速度的標(biāo)志”清零，以保證下次能正常判斷，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)處理程序，由于這里的閘門時(shí)間為1 s，而顯示要求為轉(zhuǎn)/分鐘，因此，要將測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的方法是將測(cè)得的數(shù)據(jù)乘以60，但由于轉(zhuǎn)軸上安裝有12只磁鋼，每旋轉(zhuǎn)一周可以得到12個(gè)脈沖，因此，要將測(cè)得的數(shù)據(jù)除以12，所以綜合起來(lái)，將測(cè)得的數(shù)據(jù)乘以5即可得到每分鐘的轉(zhuǎn)速。計(jì)算得到的結(jié)果是二進(jìn)制的整數(shù)，要將數(shù)據(jù)送往顯示緩沖區(qū)需要將該數(shù)轉(zhuǎn)化為BCD碼。

定時(shí)器T1用作4 ms定時(shí)發(fā)生器，在定時(shí)中斷程序中進(jìn)行數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描，同時(shí)產(chǎn)生1 s的閘門信號(hào)。1 s閘門信號(hào)的產(chǎn)生是通過(guò)一個(gè)“顯示時(shí)的計(jì)數(shù)器”，每次中斷時(shí)間為4 ms，每計(jì)250次即為1 s，到了1 s后，即清除“顯示時(shí)的計(jì)數(shù)器”，然后關(guān)閉作為計(jì)數(shù)器用的T0，讀出TH0、TL0中的數(shù)值，分別送入“速度計(jì)時(shí)器單元”和其下一個(gè)單元，將T0中的值清空，置“要求計(jì)算速度的標(biāo)志”為1，要求主程序進(jìn)行速度值的計(jì)算。這里還有一個(gè)細(xì)節(jié)，用作1 s閘門信號(hào)產(chǎn)生的“顯示時(shí)的計(jì)數(shù)器”每次中斷都會(huì)加1，而T0卻有一個(gè)周期是被關(guān)閉的，因此，計(jì)數(shù)值是251而不是250。這種方法產(chǎn)生了±1個(gè)誤差，在軟件中應(yīng)消除這種誤差。

其轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)流程圖如圖3所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用AT89C52單片機(jī)和UGN-3501T霍爾傳感器組成的計(jì)數(shù)器電路測(cè)量HXD1型機(jī)車牽引電機(jī)的THTF4.5牽引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。在不損失分辨率和精度的前提下，采用M法（測(cè)頻率法）計(jì)數(shù)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速。經(jīng)試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠準(zhǔn)確地測(cè)量牽引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。為其他測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速提供很好的方法。

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Speed Monitor of THTF4.5 Traction Ventilator for HXD1 Electric Locomotive

KE Lei1，HAO Xiaojiang2
（1 School of Transportation and Automobile Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000 Sichuan，China）；2 School of Information and Electric Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000 Sichuan，China）

This paper uses MCS-51 MCU and hall sensor to measure the speed of THTF4.5 traction ventilator，analyzes the motor speed measuring principles of M-method T-method and M/T-method，and designs the hardware and software for speed measuring.The method of hall sensor is introduced，and the speed data can be obtained through counting impulse signals and can be displayed on LED.±1 pulse error is analyzed and eliminated to ensure the precision of speed measurement.The measuring system has the features of simple structure，convenient installation，detection means diversity and high detection accuracy.

THTF4.5 traction ventilator；peed monitoring；hall sensor；MCU

U264.5＋2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.20

1008－7842（2014）06－0081－03

?）男，講師（

2014－05－27）