Датчик скорости колеса

Датчик скорости колеса ( WSS ) или датчик скорости автомобиля ( VSS ) — это разновидность тахометра . Это передающее устройство, используемое для считывания скорости вращения колес транспортного средства . Обычно он состоит из зубчатого кольца и звукоснимателя.

Датчик скорости автомобильного колеса

Цель

Датчик скорости колеса изначально использовался для замены механической связи между колесами и спидометром , исключая разрыв кабеля и упрощая конструкцию датчика за счет исключения движущихся частей. Эти датчики также производят данные, которые позволяют автоматическим средствам вождения, таким как ABS , работать.

Строительство

Наиболее распространенная система датчиков скорости колеса состоит из ферромагнитного зубчатого дроссельного кольца ( тонового колеса ) и датчика (который может быть пассивным или активным).

Тоновое колесо обычно изготавливается из стали и может быть открытой конструкции или герметичным (как в случае унифицированных подшипниковых узлов). Количество зубьев выбирается как компромисс между низкой скоростью измерения/точностью и высокой скоростью измерения/стоимостью. Большее количество зубьев потребует большего количества операций обработки и (в случае пассивных датчиков) создаст выходной сигнал более высокой частоты, который может быть не так легко интерпретироваться на принимающей стороне, но дает лучшее разрешение и более высокую скорость обновления сигнала.В более продвинутых системах зубцы могут иметь асимметричную форму, чтобы датчик мог различать вращение колеса вперед и назад.

Пассивный датчик обычно состоит из ферромагнитного стержня, который ориентирован так, чтобы выступать радиально от тонального колеса, с постоянным магнитом на противоположном конце. Стержень намотан тонкой проволокой, которая испытывает индуцированное переменное напряжение при вращении тонального колеса, когда зубцы взаимодействуют с магнитным полем. Пассивные датчики выдают синусоидальный сигнал, величина и частота которого растут с увеличением скорости колеса.

Вариант пассивного датчика не имеет магнита, а тоновое колесо, состоящее из чередующихся магнитных полюсов, создает переменное напряжение. Выходной сигнал этого датчика имеет тенденцию напоминать прямоугольную волну , а не синусоиду, но его величина все же увеличивается по мере увеличения скорости колес.

Активный датчик — это пассивный датчик со схемой формирования сигнала, встроенной в устройство. Это преобразование сигнала может усиливать величину сигнала; изменение формы сигнала на ШИМ , прямоугольную волну или другие; или кодирование значения в протокол связи перед передачей.

Вариации

Датчик скорости автомобиля (VSS) может быть, но не всегда, настоящим датчиком скорости колеса. Например, в трансмиссии Ford AOD VSS установлен на корпусе расширителя хвостового вала и представляет собой автономное звуковое кольцо и датчик. Хотя это и не дает значения скорости колеса (поскольку каждое колесо оси с дифференциалом может вращаться с разной скоростью, и конечная скорость ни одного из них не зависит исключительно от карданного вала), в типичных условиях вождения это достаточно близко, чтобы обеспечить сигнал спидометра и использовался для систем ABS задних колес на Ford F-Series 1987 года и новее , первых пикапах с ABS.

Датчики скорости специального назначения

Дорожные транспортные средства

Датчики скорости колес являются важнейшим компонентом антиблокировочной тормозной системы .

Датчики скорости вращения для рельсового транспорта

Многие из подсистем железнодорожного транспортного средства, такого как локомотив или автопоезд , зависят от надежного и точного сигнала скорости вращения, в некоторых случаях в качестве меры скорости или изменений скорости. Это относится, в частности, к контролю тяги , а также к защите колес от скольжения , регистрации, управлению поездом, управлению дверями и так далее. Эти задачи выполняются рядом датчиков скорости вращения, которые можно найти в различных частях автомобиля.

Отказы датчиков скорости встречаются часто и связаны, главным образом, с крайне тяжелыми условиями эксплуатации, с которыми сталкиваются железнодорожные транспортные средства. Соответствующие стандарты определяют подробные критерии испытаний, но на практике встречаются еще более экстремальные условия (например, удары / вибрация и особенно электромагнитная совместимость (ЭМС)).

Датчики скорости вращения для двигателей

Хотя железнодорожные транспортные средства иногда используют приводы без датчиков, большинству из них требуется датчик скорости вращения для системы регулирования. Наиболее распространенным типом является двухканальный датчик, который сканирует зубчатое колесо на валу двигателя или в коробке передач, которое может быть предназначено для этой цели или может уже присутствовать в системе привода.

Современные датчики Холла этого типа используют принцип модуляции магнитного поля и подходят для ферромагнитных целевых колес с модулем от m = 1 до m = 3,5 (DP = 25 до DP = 7). Форма зубов имеет второстепенное значение; Можно сканировать целевые колеса с эвольвентными или прямоугольными зубьями. В зависимости от диаметра и зубьев колеса можно получить от 60 до 300 импульсов за оборот, что достаточно для приводов малой и средней тяговой мощности.

Этот тип датчика обычно состоит из двух датчиков Холла , редкоземельного магнита и соответствующей электроники. Поле магнита модулируется проходящими мимо зубцами мишени. Эта модуляция регистрируется датчиками Холла, преобразуется каскадом компаратора в прямоугольный сигнал и усиливается в каскаде драйвера.

Эффект Холла сильно зависит от температуры. Таким образом, чувствительность датчиков, а также смещение сигнала зависят не только от воздушного зазора, но и от температуры. Это также значительно уменьшает максимально допустимый воздушный зазор между датчиком и целевым колесом. При комнатной температуре для типичного целевого колеса модуля m = 2 без труда допускается воздушный зазор от 2 до 3 мм, но в требуемом диапазоне температур от −40 °C до 120 °C максимальный зазор для эффективной регистрации сигнала падает до 1,3 мм.Целевые колеса с меньшим шагом и модулем m = 1 часто используются для получения более высокого временного разрешения или для того, чтобы сделать конструкцию более компактной. В этом случае максимально возможный воздушный зазор составляет всего 0,5–0,8 мм.

Для инженера-проектировщика видимый воздушный зазор, который образуется в датчике, в первую очередь является результатом конкретной конструкции машины, но на него распространяются любые ограничения, необходимые для регистрации скорости вращения. Если это означает, что возможный воздушный зазор должен находиться в очень небольшом диапазоне, то это также ограничит механические допуски корпуса двигателя и целевых колес, чтобы предотвратить пропадание сигнала во время работы. Это означает, что на практике могут возникнуть проблемы, особенно с целевыми колесами с меньшим шагом и модулем m = 1, а также с невыгодными сочетаниями допусков и экстремальных температур. Поэтому с точки зрения производителя двигателя и тем более оператора лучше искать датчики скорости с более широким диапазоном воздушного зазора.

Первичный сигнал датчика Холла резко теряет амплитуду по мере увеличения воздушного зазора. Для производителей датчиков Холла это означает, что им необходимо обеспечить максимально возможную компенсацию физически вызванного дрейфа смещения сигнала Холла. Обычный способ сделать это — измерить температуру на датчике и использовать эту информацию для компенсации смещения, но это невозможно по двум причинам: во-первых, потому что дрейф не изменяется линейно с температурой, и, во-вторых, потому что даже знак дрейф одинаков для всех датчиков.

Некоторые датчики теперь оснащены встроенным сигнальным процессором, который пытается корректировать смещение и амплитуду сигналов датчика Холла. Эта коррекция позволяет увеличить максимально допустимый воздушный зазор на датчике скорости. На целевом колесе с модулем m = 1 эти новые датчики могут выдерживать воздушный зазор в 1,4 мм, что шире, чем у обычных датчиков скорости на целевых колесах с модулем m = 2. На целевом колесе с модулем m = 2 новые датчики скорости допускают зазор до 2,2 мм. Также удалось заметно повысить качество сигнала. И рабочий цикл, и фазовый сдвиг между двумя каналами как минимум в три раза стабильнее в условиях изменяющегося воздушного зазора и температурного дрейфа. Кроме того, несмотря на сложную электронику, удалось увеличить среднее время безотказной работы новых датчиков скорости в три-четыре раза. Таким образом, они не только обеспечивают более точные сигналы, но и значительно улучшают доступность сигнала.

Альтернативой датчикам Холла с шестернями являются датчики или энкодеры, использующие [магнитосопротивление]. Поскольку целевое колесо представляет собой активный многополюсный магнит, воздушные зазоры могут быть даже больше — до 4,0 мм. Поскольку магниторезистивные датчики чувствительны к углу и нечувствительны к амплитуде, качество сигнала повышается по сравнению с датчиками Холла в приложениях с переменным зазором. Кроме того, качество сигнала намного выше, что позволяет осуществлять [интерполяцию] внутри датчика/энкодера или с помощью внешней схемы.

Энкодеры двигателей со встроенными подшипниками

Существует ограничение на количество импульсов, получаемых датчиками Холла без встроенных подшипников: с целевым колесом диаметром 300 мм обычно невозможно получить более 300 импульсов за оборот. Но многим локомотивам и электропоездам (электропоездам) требуется большее количество импульсов для правильной работы тягового преобразователя, например, когда существуют жесткие ограничения на регулятор тяги на низких скоростях.

Такие приложения с датчиками Холла могут выиграть от встроенных подшипников, которые могут выдерживать воздушный зазор на много порядков меньше из-за значительно уменьшенного люфта на самом датчике по сравнению с люфтом подшипника двигателя. Это позволяет выбрать гораздо меньший шаг шкалы измерения, вплоть до модуля m = 0,22. Аналогичным образом, магниторезистивные датчики обеспечивают еще более высокое разрешение и точность, чем датчики Холла, при использовании в энкодерах двигателей со встроенными подшипниками.

Для еще большей точности сигнала можно использовать прецизионный энкодер.

Принципы работы двух энкодеров схожи: многоканальный магниторезистивный датчик сканирует целевое колесо с 256 зубьями, генерируя синусоидальные и косинусоидальные сигналы. Арктангенсальная интерполяция используется для генерации прямоугольных импульсов из периодов синусоидального/косинусного сигнала. Прецизионный энкодер также обладает функциями коррекции амплитуды и смещения. Это дает возможность еще больше улучшить качество сигнала, что значительно улучшает регулировку тяги.

Датчики скорости на колесной паре

Безподшипниковые датчики скорости колесных пар

Бесподшипниковые датчики скорости можно найти практически в каждой колесной паре железнодорожного транспортного средства. Они в основном используются для защиты колес от скольжения и обычно поставляются производителем системы защиты от скольжения колес. Этим датчикам требуется достаточно малый воздушный зазор, и они должны быть особенно надежными.Одной из особенностей датчиков скорости вращения, которые используются для защиты колес от скольжения, являются их встроенные функции мониторинга. Двухпроводные датчики с токовым выходом 7 мА/14 мА используются для обнаружения обрыва кабеля. Другие конструкции предусматривают выходное напряжение около 7 В, как только частота сигнала падает ниже 1 Гц. Другой используемый метод заключается в обнаружении выходного сигнала датчика частотой 50 МГц, когда источник питания периодически модулируется на частоте 50 МГц. Двухканальные датчики также часто имеют электрически изолированные каналы.

Иногда необходимо отключить сигнал защиты от скольжения колес на тяговом двигателе , и тогда выходная частота часто становится слишком высокой для электроники защиты от скольжения колес. Для этого приложения можно использовать датчик скорости со встроенным делителем частоты или энкодером.

Генератор импульсов колесной пары со встроенным подшипником

Рельсовое транспортное средство, особенно локомотив , имеет множество подсистем, которым требуются отдельные, электрически изолированные сигналы скорости. Обычно не хватает мест для монтажа и места для установки отдельных генераторов импульсов. Решением проблемы являются многоканальные генераторы импульсов, монтируемые с помощью фланцев на вкладыши подшипников или крышки колесных пар. Использование нескольких безподшипниковых датчиков скорости также потребует дополнительных кабелей, которых желательно избегать при использовании наружного оборудования, поскольку они очень подвержены повреждениям, например, от балласта летающих гусениц .

Оптический датчик

Может быть реализовано от одного до четырех каналов, каждый из которых имеет фотодатчик , который сканирует одну из максимум двух сигнальных дорожек на диске с прорезями. Опыт показывает, что возможного количества каналов, получаемых с помощью этого метода, все еще недостаточно. Таким образом, ряду подсистем приходится обходиться проходными сигналами от электроники защиты от скольжения колес и поэтому они вынуждены принимать, например, доступное количество импульсов, хотя отдельный сигнал скорости вполне может иметь некоторые преимущества.

Использование оптических датчиков широко распространено в промышленности. У них есть две фундаментальные проблемы с надежной работой в течение многих лет: оптические компоненты чрезвычайно чувствительны к загрязнению, а источник света слишком быстро стареет.

Следы грязи значительно уменьшают количество света, проходящего через объектив, и могут привести к пропаданию сигнала. Поэтому эти энкодеры должны быть очень хорошо герметизированы. Дополнительные проблемы возникают при использовании генераторов импульсов в средах, в которых проходит точка росы: линзы запотевают и сигнал часто прерывается.

В качестве источников света используются светодиоды (LED). Но светодиоды всегда подвержены старению, что через несколько лет приводит к заметному уменьшению луча. Это пытаются компенсировать применением специальных регуляторов, постепенно увеличивающих ток через светодиод, но, к сожалению, это еще больше ускоряет процесс старения.

Магнитный датчик

Принцип, используемый при магнитном сканировании ферромагнитной измерительной шкалы, не имеет этих недостатков. За многолетний опыт использования магнитных энкодеров были случаи, когда пломба выходила из строя и генератор импульсов оказывался полностью покрыт толстым слоем тормозной пыли и другой грязи, но такие генераторы импульсов при этом функционировали прекрасно.

Исторически сложилось так, что системы магнитных датчиков стоят дороже, чем оптические системы, но эта разница быстро сокращается. Магнитные системы Холла и магниторезистивные датчики могут быть встроены в пластик или герметизирующий материал, что повышает механическую надежность и исключает повреждение от воды и жира.

Датчики скорости вращения колес также могут включать гистерезис . Это подавляет любые посторонние импульсы, пока автомобиль стоит.

Генераторы импульсов, построенные по этому принципу, с начала 2005 года успешно прошли полевые испытания несколькими операторами железных дорог. Типовые испытания указаны в стандарте EN 50155. также было успешно завершено, и теперь эти генераторы импульсов могут быть доставлены.

Генераторы импульсов колесных пар со встроенными подшипниками для внутрикорпусных тележек

Внутрибалочные тележки предъявляют особые требования к разработчику генератора импульсов, поскольку они не имеют на конце крышки подшипника, которая могла бы служить основой для регистрации вращения вала колесной пары. В этом случае генератор импульсов должен быть установлен на втулке вала, прикрепленной к колесной паре, и снабжен преобразователем крутящего момента, соединенным с рамой тележки для предотвращения ее вращения.

Сильная вибрация в этом месте приводит к значительной нагрузке на подшипник генератора импульсов, который при таком способе установки должен нести не только относительно небольшую массу вала генератора импульсов, но и массу всего генератора импульсов. Если принять во внимание, что срок службы подшипников уменьшается по меньшей мере при третьей степени нагрузки, мы увидим, что надежный и долговечный генератор импульсов для такой ситуации не может быть просто адаптирован из более распространенного стандартного генератора импульсов для внештатных тележек путем простой подгонки и установки. промежуточный фланец или аналогичная конструкция. Действительно необходимо иметь генератор импульсов измененной конструкции, адаптированной к требованиям такого места.

Датчики скорости для немагнитных целевых колес или устройств, производящих стружку

Некоторые транспортные компании сталкиваются с особой проблемой: циркулирующий воздух, охлаждающий двигатели, уносит стружку с колес и рельсов . Он собирается на головках магнитных датчиков. Также появляется все больше двигателей, в которых датчикам приходится сканировать целевые алюминиевые колеса, например, потому, что рабочие колеса изготовлены из алюминиевого сплава , и производитель не желает использовать отдельный ферромагнитный зубчатый венец.

Для этих применений доступны датчики скорости, которые не требуют целевого магнита. Ряд передающих и приемных катушек используется для генерации переменного электрического поля с частотой порядка 1 МГц, после чего оценивается модуляция связи между отправителями и приемниками. Этот датчик совместим по установке и сигналу с магнитными датчиками; для большинства распространенных целевых колесных модулей блоки можно просто заменить без каких-либо других мер.

Датчики скорости с интерполяцией

Заказчикам часто требуется большее количество импульсов на оборот, чем можно достичь в доступном пространстве и с наименьшим модулем m = 1. Для достижения этой цели доступны датчики, которые предлагают интерполяцию. Они обеспечивают производительность, в 2–64 раза превышающую исходное количество зубьев шестерни или магнитных полюсов на целевом колесе. Точность зависит от качества входного сигнала датчика: датчики Холла стоят дешевле, но имеют меньшую точность, магниторезистивные датчики стоят дороже, но имеют более высокую точность.

Внешние ссылки

• Датчики скорости колес в автомобилях: функционирование, диагностика, устранение неисправностей, Hella
• Оборудование для обеспечения безопасности транспортных средств «Вождение безопаснее, Америка»