軌道車輛牽引電機(jī)速度傳感器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳 明 魏 婷

（湖南聯(lián)誠電氣科技有限公司，湖南 株洲 412000）

1 概述

轉(zhuǎn)速傳感器主要應(yīng)用于各種軌道車輛牽引電機(jī)測速，為車輛控制系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信號，以實(shí)現(xiàn)車輛對牽引電機(jī)進(jìn)行控制。目前，車輛牽引電機(jī)測速使用的傳感器主要包括磁電式速度傳感器、以釩鐵鈷合金為信號激勵(lì)源的速度傳感器、磁阻式速度傳感器和霍爾式速度傳感器。

鑒于霍爾式速度傳感器的優(yōu)勢，如何設(shè)計(jì)一種霍爾式速度傳感器，使其結(jié)構(gòu)具有一定的通用性，能夠滿足軌道交通不同型號電機(jī)轉(zhuǎn)速測量要求，并且滿足耐高溫、耐高寒、高防護(hù)等級、耐高振動(dòng)沖擊、抗電磁干擾、耐溫度沖擊等要求，是本文著重需要解決的問題。

2 傳感器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理

轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比，通過測量轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號的頻率便可換算出被測物的轉(zhuǎn)速。

霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)，使用基于霍爾效應(yīng)的霍爾器件作為敏感器件，霍爾電壓可隨著磁場的變化而變化?；魻柺睫D(zhuǎn)速傳感器就是一種輸出隨磁場的變化而變化的傳感器，當(dāng)被測旋轉(zhuǎn)體能給霍爾探頭提供一個(gè)周期變化的磁場，那么霍爾器件將輸出一個(gè)交替變化的霍爾電壓信號，其基本工作原理如圖1 所示。

圖1 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理

如圖2 所示，傳感器的外殼固定于被測體的不動(dòng)基座上，傳感器探頭正對被測體轉(zhuǎn)軸、與傳感器配套的導(dǎo)磁齒輪6，安裝間隙為G，在導(dǎo)磁齒輪6 轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，其輪齒齒頂和齒槽依次掃過霍爾器件5，因霍爾器件5 后面布置了永磁鐵，導(dǎo)磁齒輪6 掃過霍爾器件5 時(shí)，透過霍爾器件5 和安裝間隙G 間的磁場將不斷變化，齒頂通過時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度變大，齒槽通過時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度變小。

霍爾器件5 將感應(yīng)的循環(huán)變化的磁場信號轉(zhuǎn)換為霍爾電壓信號，這個(gè)電壓信號經(jīng)過信號整形電路3 的處理后，經(jīng)輸出電纜2 輸出，可得到圖2 右側(cè)所示的方波信號，方波信號作為數(shù)字信號方便數(shù)字電路直接處理，這個(gè)信號的頻率與磁場變化的頻率也就是被測體的轉(zhuǎn)速成正比，通過對信號頻率的檢測就可知被測體的轉(zhuǎn)速。

圖2 霍爾集成電路傳感系統(tǒng)

3 速度傳感器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種用于測量軌道車輛牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速、并為車輛控制系統(tǒng)提供車輛運(yùn)行方向提供判據(jù)的霍爾傳感器：

速度傳感器芯片采用兩個(gè)相互獨(dú)立的霍爾集成電路，霍爾敏感集成電路通過所感應(yīng)的磁場強(qiáng)度變化（當(dāng)磁性測速齒輪的齒頂和齒根掃過傳感器探頭時(shí)，霍爾敏感集成電路中敏感元件感應(yīng)到變化的磁場強(qiáng)度）產(chǎn)生電平高低變換的脈沖信號，該脈沖信號頻率與磁性測速齒輪旋轉(zhuǎn)速度成正比。兩個(gè)霍爾集成電路之間錯(cuò)開一個(gè)距離后安裝在定位件上，使兩路脈沖信號之間產(chǎn)生相位差。

3.1 霍爾集成電路設(shè)計(jì)方案

3.1.1 霍爾集成電路原理

霍爾集成電路由傳感器集成電路（sensor IC）、后偏置磁鐵（back biasing magnet）、可選的極片（optional pole piece，用來優(yōu)化磁鐵表明磁場分布）和目標(biāo)齒輪(target gear)組成。

磁鐵的南極在傳感器件的烙印面的前面，北極在后，器件位置的磁場指定為正，而負(fù)的磁通密度定義為小于0（代數(shù)慣例）。為了感知非磁化的鐵質(zhì)目標(biāo)，傳感器件必須后偏置一塊小的永久磁鐵，磁鐵安置于器件的未烙字面。

霍爾集成電路的輸出信號隨鐵質(zhì)目標(biāo)（ferrous targets）產(chǎn)生的差動(dòng)磁場跳變。這種元件能在很大的空氣隙和溫度范圍（-40～150℃）內(nèi)工作，是理想的基于齒輪輪齒的速度、位置和定時(shí)應(yīng)用的器件。通過組合后偏置磁鐵和合適的組裝技術(shù)，就可以使元件在輪齒或齒槽的前緣或（和）后緣產(chǎn)生占空比為50%的跳變。由移動(dòng)的鐵塊引起的磁鐵表面磁場的變化，被霍爾集成電路內(nèi)的敏感元件感知，并由芯片內(nèi)的電子元件差動(dòng)放大。芯片內(nèi)的溫度補(bǔ)償和施密特觸發(fā)電路使霍爾集成電路在有效的工作氣隙內(nèi)的漂移最小，在大的溫度范圍的跳變點(diǎn)使這款器件非常適合于嚴(yán)酷工業(yè)環(huán)境下的速度測量應(yīng)用。

傳感器集成電路工作原理：傳感器集成電路包含兩個(gè)霍爾敏感點(diǎn)（E1 和E2）用來感知掃過器件表面的磁場的變化。

當(dāng)BE1-BE2>BOP時(shí)，觸發(fā)器使輸出跳變?yōu)榇蜷_（輸出低電平），當(dāng)BE1-BE2

圖4 表示具有圖3 所示轉(zhuǎn)換特性的、帶后偏置磁鐵的傳感器集成電路的輸出狀態(tài)與齒輪輪廓和位置的關(guān)系。假設(shè)一北極偏置配置（與南極面對器件表面相等），齒輪的運(yùn)動(dòng)在E1 和E2 位置產(chǎn)生了具有相位差的磁場（圖4(a)）；內(nèi)部處理電路把E1 和E2 處的磁場相減（圖4(b)）；在處理電路輸出處的施密特觸發(fā)器在預(yù)先設(shè)定的門檻值（BOP和BRP）跳變。如圖所示（圖4(c)），只要E1見到輪齒、E2 面對空氣，集成電路輸出就為低電平；只要E1 見到空氣、E2 見到輪齒，集成電路輸出就為高電平。

圖3 霍爾敏感元件轉(zhuǎn)換特性

圖4 輸出狀態(tài)與齒輪輪廓和位置的關(guān)系

3.1.2 本文采用的霍爾集成電路。本文采用的霍爾集成電路元件具備體積小、高度集成設(shè)計(jì)、檢測間隙大、工作溫度范圍廣、適用電壓范圍大等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)目標(biāo)齒輪產(chǎn)生差動(dòng)磁場信號，霍爾集成電路輸出信號跳變?；魻柮舾性粋€(gè)復(fù)雜的補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)以減少磁鐵和系統(tǒng)失調(diào)的不利影響。模擬信號數(shù)字處理提供為芯片零速測量提供了可能，且不依賴于檢測氣隙。很多自動(dòng)設(shè)備的目標(biāo)齒輪會產(chǎn)生磁場異常，閾值滯回特性能夠減小磁場異常導(dǎo)致的不利影響。

該霍爾芯片能在高速和寬廣的溫度范圍內(nèi)提供固定的占空比，這使其成為理想的傳輸和工業(yè)速度應(yīng)用設(shè)備。

霍爾集成電路內(nèi)部包含自校準(zhǔn)的霍爾效應(yīng)芯片（芯片內(nèi)擁有兩個(gè)霍爾感應(yīng)點(diǎn)），溫度補(bǔ)償放大器和失調(diào)消除電路。該芯片還包含一個(gè)電壓調(diào)節(jié)器，電壓調(diào)節(jié)器在工作電壓范圍內(nèi)防止電壓噪聲耦合進(jìn)來。霍爾傳感器和電子設(shè)備利用專有的BiCMOS 工藝，集成在同一硅襯底。由于存在放大器穩(wěn)定設(shè)計(jì)和噪聲消除電路，溫度的變化對霍爾芯片的影響及其微弱。

該霍爾集成電路首創(chuàng)的自校準(zhǔn)電路包含一個(gè)自動(dòng)增益控制（AGC）電路：在每次通電后，該設(shè)備測量磁場信號的峰- 峰值。在霍爾元件額定工作氣隙內(nèi)，增益自動(dòng)調(diào)節(jié)確?；魻栃酒瑑?nèi)部信號幅值固定。此特性不受空氣隙影響。

3.2 精密雙路運(yùn)算放大器選型

霍爾集成電路輸出的方波信號雖然和軌道車輛空襲系統(tǒng)兼容，但由于其自身能夠提供的負(fù)載電路較小，無法滿足安裝在速度傳感器后級控制系統(tǒng)計(jì)數(shù)器消耗電流需求，因此需要在電路中增加精密雙路運(yùn)算放大器（在后面稱為精密雙路運(yùn)放）以提供車輛速度回路功耗電流、同時(shí)精密雙路運(yùn)放也可以對和集成電路輸出的方波信號進(jìn)行改善，有助于系統(tǒng)更好的識別速度傳感器信號。

本文選定的精密雙路運(yùn)放除具備工作電壓范圍廣（±18）、工作溫度范圍廣（-55℃～125℃）、輸出電流大（最大25mA）、反應(yīng)速度快（壓擺率≥25V/us）、輸入失調(diào)電流小（pA 級）等特點(diǎn)外，還具備以下優(yōu)點(diǎn)：

按照美軍標(biāo)MIL-883 進(jìn)行篩選，極大增加了產(chǎn)品的應(yīng)用可靠性。

先進(jìn)的處理工藝和100%檢測保證低輸入失調(diào)電壓（3mV）,輸入失調(diào)電壓指定為熱態(tài)條件，激光切片工藝將輸入失調(diào)減少至最大5 uV/℃。

優(yōu)良的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。0.01%穩(wěn)定時(shí)間為1 us，擁有最小16 V/us 的壓擺率（轉(zhuǎn)換速率）。

0.1Hz～10Hz，最大4 uV p-p 電壓噪聲。

輸入偏置電流?。词乖跓釕B(tài)條件下）。

3.3 電源反接保護(hù)設(shè)計(jì)

為確保外部電源反接時(shí)不損壞電路核心有源元件，利用二極管的單向?qū)щ娦圆捎? 個(gè)肖特基二極管對核心元件進(jìn)行反接保護(hù)。采用的肖特基二極管為鍺管，正向?qū)▔航怠?.3V、反向擊穿電壓≥30V，而一般的硅材料二極管的正向?qū)▔航禐?.6～0.7V，采用肖特基二極管能夠有效提高傳感器輸出信號的高電平幅值。

3.4 電磁兼容保護(hù)設(shè)計(jì)

為確保傳感器在機(jī)車復(fù)雜惡劣的環(huán)境下可靠運(yùn)行、防止浪涌（干擾）造成破壞，在傳感器芯片電源輸入端采用扼流器件和大功率瞬變二極管相配合的設(shè)計(jì)，確保在浪涌電流經(jīng)過電源耦合到傳感器上時(shí)，保護(hù)器件迅速動(dòng)作（干擾信號持續(xù)時(shí)間為us 級，動(dòng)作時(shí)間為ns 級、遠(yuǎn)比干擾信號迅速）將浪涌電流引到大地而不使傳感器損壞；同樣，當(dāng)電源電壓升高到30V 后，瞬變二極管迅速導(dǎo)通，使電源短路從而無法施加在芯片后級元件上，形成過壓保護(hù)以保證傳感器不被損壞。

從試驗(yàn)方法可知，干擾脈沖耦合進(jìn)信號電纜的方式為容性耦合，消除容性耦合的方法是將電纜屏蔽起來、并有效接地，不僅有效防止瞬變電快速脈沖群擾動(dòng)、同樣對靜電放電抗擾度有效。

3.5 印刷電路板設(shè)計(jì)

印刷電路板布線是EMC、ESD 保護(hù)的一個(gè)關(guān)鍵要素，設(shè)計(jì)中我們重點(diǎn)關(guān)注以下方面：

3.5.1 電路環(huán)路。電流通過感應(yīng)進(jìn)入到電路環(huán)路，這些環(huán)路是封閉的，并具有變化的磁通量。電流的幅度與環(huán)路面積成正比。較大的環(huán)路包含有較多的磁通量，因而在電路中感應(yīng)出較強(qiáng)的電流。因此，必須減少環(huán)路面積。

最常見的環(huán)路，由電源和地線所形成。在可能的條件下，可以采用具有電源及接地層的多層PCB 設(shè)計(jì)。多層電路板不僅將電源和接地間的回路面積減到最小，而且也減小了EMC、ESD 脈沖產(chǎn)生的高頻EMI 電磁場。

本文采用雙面板，既可以減小環(huán)路面積，同時(shí)對于插孔元器件而言，由于過孔兩端均有焊盤，能夠有效提高電路板的可靠性。

3.5.2 電路連線長度。長的信號線也可成為接收ESD、EMC 脈沖能量的天線，盡量使用較短信號線可以降低信號線作為接收ESD、EMC 電磁場天線的效率。

設(shè)計(jì)中我們盡量將互連的器件放在相鄰位置，以減少互連的印制線長度。

3.5.3 地線和電源線。在設(shè)計(jì)中盡可能使得地線和電源線更寬一些（地線最寬，電源線次之，信號線再次之）以降低布線電阻及其電壓降，可減小寄生電感耦合而產(chǎn)生自激。

3.5.4 過孔。設(shè)計(jì)中盡量減少過孔數(shù)量。過空中存在著寄生電容和寄生電感，寄生電容會延長信號上升時(shí)間，降低電路工作速度，寄生電感會削弱旁路電容的作用，減弱整個(gè)電源系統(tǒng)的濾波效果。

3.6 整體電路設(shè)計(jì)

根據(jù)以上選定的霍爾集成電路、精密雙路運(yùn)放和保護(hù)元件，得到速度傳感器整體電路原理圖。

傳感器芯片除霍爾集成電路、精密雙路運(yùn)放外，其余電子元器件均采用貼片封裝，在滿足客戶訂貨技術(shù)要求的前提下，最大程度的減小了傳感器芯片的體積，增大了傳感器的內(nèi)部空間，為提高傳感器的絕緣耐壓能力提供了改進(jìn)空間。

3.7 定位件設(shè)計(jì)

根據(jù)軌道車輛運(yùn)行時(shí)控制系統(tǒng)要求：兩個(gè)霍爾敏感元件的輸出信號相差應(yīng)為90°。因此在速度傳感器探頭部布置兩個(gè)霍爾集成電路，霍爾集成電路之間進(jìn)行錯(cuò)位組裝，錯(cuò)開距離根據(jù)霍爾集成電路中2 個(gè)敏感點(diǎn)之間距離來決定：一個(gè)完整的齒（包括齒頂與齒根）掃過這2 個(gè)敏感點(diǎn)時(shí)，霍爾集成電路產(chǎn)生一個(gè)完整的360°的脈沖輸出信號，2 個(gè)敏感點(diǎn)間相距2.23mm。器件間錯(cuò)位1/4 敏感點(diǎn)距離時(shí)，傳感器即能輸出兩路相位差為90°的方波脈沖信號，比如順時(shí)針轉(zhuǎn)時(shí)信號一超前信號二90°，那么逆時(shí)針轉(zhuǎn)時(shí)信號二超前信號一90°。

為保證霍爾集成電路與電路板保持相對固定，便于傳感器芯片安裝調(diào)試，采用定位件來固定霍爾集成電路。定位件可以固定兩個(gè)霍爾集成電路，同時(shí)使兩個(gè)霍爾集成電路錯(cuò)開0.55mm，確保測速齒輪掃過霍爾集成電路時(shí)，兩個(gè)霍爾集成電路感應(yīng)出的脈沖信號之間存在90°相位差。安裝時(shí)將兩個(gè)霍爾集成電路的引腳通過工裝其折彎90°后依次插入定位件通孔中，使霍爾集成電路感應(yīng)面與定位件表面保持平齊，再將電路板插入定位件凹槽中，最后依次將兩個(gè)霍爾敏感元件的引腳焊在電路板對應(yīng)孔上。

3.8 絕緣設(shè)計(jì)

為確保傳感器耐壓性能滿足技術(shù)要求，并留有一定裕量，速度傳感器采用內(nèi)套作為傳感器芯片耐電壓保護(hù)結(jié)構(gòu)，其材料為聚醚醚酮（PEEK）。

將傳感器芯片套入內(nèi)套，使用高導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂灌封膠將傳感器芯片固化在內(nèi)套內(nèi)。通過加裝內(nèi)套，傳感器工頻耐受電壓可以達(dá)到2000V 以上，必要時(shí)還可以在內(nèi)套的基礎(chǔ)上加長絕緣件，使整個(gè)電路板全部被絕緣材料包裹，從而使得傳感器工頻耐受電壓達(dá)到4000V 以上。

以上為速度傳感器的整體設(shè)計(jì)思路，其余部件如電纜、防水接頭、絕緣導(dǎo)熱填充材料及各種輔料等可按照從實(shí)際運(yùn)行環(huán)境、安裝尺寸進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，本文不再贅述。

4 速度傳感器應(yīng)用

傳感器應(yīng)用安裝，轉(zhuǎn)速傳感器安裝于牽引電機(jī)非傳動(dòng)端的軸承蓋上（探頭與安裝于牽引電機(jī)非傳動(dòng)端軸端導(dǎo)磁齒輪對齊）。

本文提及的速度傳感器通過了裝車運(yùn)行考核，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軌道交流傳動(dòng)牽引車輛，如HXD1C 型、深度國產(chǎn)化HXD1 型電力機(jī)車、各類軌道工程車、地鐵、城際動(dòng)車項(xiàng)目的牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速測量。另外因接口一致，可完全互換軌道牽引裝備早期引進(jìn)部件上的原進(jìn)口轉(zhuǎn)速傳感器，如DJ4 機(jī)車牽引電機(jī)用轉(zhuǎn)速傳感器，可解決此類產(chǎn)品進(jìn)口過程中存在的價(jià)格昂貴、采購周期長等問題。