Датчик скорости колеса ( WSS ) или датчик скорости транспортного средства ( VSS ) — это тип тахометра . Это передающее устройство, используемое для считывания скорости вращения колеса транспортного средства . Обычно он состоит из зубчатого кольца и датчика.
Датчик скорости колеса изначально использовался для замены механической связи между колесами и спидометром , что исключало обрыв кабеля и упрощало конструкцию датчика за счет устранения подвижных частей. Эти датчики также производят данные, которые позволяют автоматизированным системам помощи водителю, таким как ABS , функционировать.
Наиболее распространенная система датчика скорости вращения колеса состоит из ферромагнитного зубчатого релюторного кольца ( тонального 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 зубцов выбирается в качестве компромисса между низкой скоростью обнаружения/точностью и высокой скоростью обнаружения/стоимостью. Большее количество зубцов потребует больше операций по обработке и (в случае пассивных датчиков) даст более высокочастотный выходной сигнал, который может быть не так легко интерпретирован на приемном конце, но дает лучшее разрешение и более высокую скорость обновления сигнала. В более продвинутых системах зубцы могут иметь асимметричную форму, чтобы датчик мог различать прямое и обратное вращение колеса.
Пассивный датчик обычно состоит из ферромагнитного стержня, который ориентирован так, чтобы выступать радиально из тонового колеса с постоянным магнитом на противоположном конце. Стержень намотан тонкой проволокой, которая испытывает индуцированное переменное напряжение при вращении тонового колеса, поскольку зубцы мешают магнитному полю. Пассивные датчики выдают синусоидальный сигнал, который растет по величине и частоте со скоростью колеса.
Вариант пассивного датчика не имеет магнита, а скорее тонового колеса, состоящего из чередующихся магнитных полюсов, которые производят переменное напряжение. Выход этого датчика имеет тенденцию напоминать квадратную волну , а не синусоиду, но все еще увеличивается по величине с увеличением скорости колеса.
Активный датчик — это пассивный датчик со встроенной в устройство схемой обработки сигнала. Такая обработка сигнала может усиливать амплитуду сигнала, изменять форму сигнала на ШИМ , прямоугольную волну или другие, или кодировать значение в протокол связи перед передачей.
Датчик скорости транспортного средства (VSS) может быть, но не всегда, настоящим датчиком скорости колеса. Например, в трансмиссии Ford AOD VSS установлен на корпусе удлинителя хвостового вала и представляет собой автономное тональное кольцо и датчик. Хотя это не дает скорости колеса (поскольку каждое колесо в оси с дифференциалом может вращаться с разной скоростью, и ни одно из них не зависит исключительно от карданного вала для своей конечной скорости), в типичных условиях вождения это достаточно близко, чтобы обеспечить сигнал спидометра, и использовалось для систем ABS задних колес на 1987 и более новых Ford F-Series , первых пикапах с ABS.
Датчики скорости вращения колес являются важнейшим компонентом антиблокировочных тормозных систем .
Многие подсистемы в рельсовом транспортном средстве, например, локомотив или моторвагонный состав , зависят от надежного и точного сигнала скорости вращения, в некоторых случаях как меры скорости или изменений скорости. Это относится, в частности, к управлению тягой , но также и к защите от скольжения колес , регистрации, управлению поездом, управлению дверьми и т. д. Эти задачи выполняются рядом датчиков скорости вращения, которые могут быть обнаружены в различных частях транспортного средства.
Отказы датчиков скорости случаются часто и в основном из-за крайне суровых условий эксплуатации, встречающихся в рельсовых транспортных средствах. Соответствующие стандарты устанавливают подробные критерии испытаний, но в практической эксплуатации условия часто оказываются еще более экстремальными (такими как удары / вибрации и особенно электромагнитная совместимость (ЭМС)).
Хотя рельсовые транспортные средства иногда используют приводы без датчиков, большинству из них требуется датчик скорости вращения для их системы регулятора. Наиболее распространенным типом является двухканальный датчик, который сканирует зубчатое колесо на валу двигателя или редуктора, который может быть предназначен 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 зубьев 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 на оборот, что достаточно для приводов с низкими и средними тяговыми характеристиками.
Этот тип датчика обычно состоит из двух датчиков Холла , редкоземельного магнита и соответствующей оценочной электроники. Поле магнита модулируется проходящим мимо зубом цели. Эта модуляция регистрируется датчиками Холла, преобразуется каскадом компаратора в сигнал прямоугольной волны и усиливается в каскаде драйвера.
Эффект Холла сильно зависит от температуры. Чувствительность датчиков, а также смещение сигнала, таким образом, зависят не только от воздушного зазора, но и от температуры. Это также очень сильно снижает максимально допустимый воздушный зазор между датчиком и целевым колесом. При комнатной температуре воздушный зазор от 2 до 3 мм может быть допущен без проблем для типичного целевого колеса с модулем m = 2, 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 от 0,5 до 0,8 мм.
Для инженера-конструктора видимый воздушный зазор, который в итоге получается у датчика, в первую очередь является результатом конкретной конструкции машины, но подчиняется любым ограничениям, необходимым 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 выпадение сигнала во время работы. Это означает, что на практике могут возникнуть проблемы, особенно с меньшими шаговыми целевыми колесами с модулем m = 1 и 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 от 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 смещения дрейфа сигнала Холла. Обычный способ сделать это — измерить температуру на датчике и использовать эту информацию для компенсации смещения, но это не удается по двум причинам: во-первых, потому что дрейф не изменяется линейно с температурой, а во-вторых, потому что даже знак дрейфа не одинаков для всех датчиков.
Некоторые датчики теперь предлагают интегрированный процессор сигналов, который пытается исправить смещение и амплитуду сигналов датчика Холла. Эта коррекция позволяет увеличить максимально допустимый воздушный зазор на датчике скорости. На модуле m = 1 целевого колеса эти новые датчики могут выдерживать воздушный зазор 1,4 мм, что шире, чем у обычных датчиков скорости на модуле m = 2 целевых колеса. На модуле m = 2 целевого колеса новые датчики скорости могут выдерживать зазор до 2,2 мм. Также удалось заметно повысить качество сигнала. Как рабочий цикл, так и фазовый сдвиг между двумя каналами по крайней мере в три раза стабильнее в условиях флуктуирующего воздушного зазора и температурного дрейфа. Кроме того, несмотря на сложную электронику, также удалось увеличить среднее время между отказами для новых датчиков скорости в три-четыре раза. Таким образом, они не только обеспечивают более точные сигналы, их доступность сигнала также значительно лучше.
Альтернативой датчикам Холла с шестернями являются датчики или энкодеры, которые используют [магнитосопротивление]. Поскольку целевое колесо является активным многополюсным магнитом, воздушные зазоры могут быть даже больше, до 4,0 мм. Поскольку магниторезистивные датчики чувствительны к углу и нечувствительны к амплитуде, качество сигнала выше, чем у датчиков Холла в приложениях с флуктуирующим зазором. Кроме того, качество сигнала намного выше, что позволяет [интерполировать] внутри датчика/энкодера или с помощью внешней цепи.
Существует ограничение на количество импульсов, достигаемых датчиками Холла без встроенных подшипников: при диаметре целевого колеса 300 мм обычно невозможно получить более 300 импульсов за оборот. Но многим локомотивам и электропоездам (EMU) требуется большее количество импульсов для правильной работы тягового преобразователя, например, когда на регулятор тяги на низких скоростях накладываются жесткие ограничения.
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 подшипником двигателя. Это позволяет выбрать гораздо меньший шаг для измерительной шкалы, вплоть до модуля m = 0,22. Аналогично, магниторезистивные датчики обеспечивают даже более высокое разрешение и точность, чем датчики Холла, при внедрении в энкодеры 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 зубцами, генерируя синусоидальные и косинусоидальные сигналы. Арктангенсная интерполяция используется для генерации прямоугольных импульсов из периодов синусоидальных/косинусоидальных сигналов. Прецизионный энкодер также обладает функциями коррекции амплитуды и смещения. Это позволяет дополнительно улучшить качество сигнала, что значительно улучшает регулирование тяги.
Датчики скорости без подшипников можно найти почти в каждой колесной паре железнодорожного транспортного средства. Они в основном используются для защиты колес от скольжения и обычно поставляются производителем системы защиты колес от скольжения. Эти датчики требуют достаточно малого воздушного зазора и должны быть особенно надежными. Одной из особенностей вращающихся датчиков скорости, используемых для защиты колес от скольжения, являются их встроенные функции мониторинга. Двухпроводные датчики с выходным током 7 мА/14 мА используются для обнаружения обрывов кабелей. Другие конструкции обеспечивают выходное напряжение около 7 В, как только частота сигнала падает ниже 1 Гц. Другой используемый метод заключается в обнаружении выходного сигнала 50 МГц от датчика, когда источник питания периодически модулируется на частоте 50 МГц. Также часто двухканальные датчики имеют электрически изолированные каналы.
Иногда необходимо снять сигнал защиты от проскальзывания колеса на тяговом двигателе , и тогда выходная частота часто слишком высока для электроники защиты от проскальзывания колеса. Для этого приложения может быть использован датчик скорости со встроенным делителем частоты или энкодером.
Рельсовое транспортное средство, в частности локомотив , обладает многочисленными подсистемами, которым требуются отдельные, электрически изолированные сигналы скорости. Обычно нет ни достаточного количества мест для монтажа, ни достаточного пространства для установки отдельных генераторов импульсов. Многоканальные генераторы импульсов, которые фланцево крепятся на вкладышах подшипников или крышках колесных пар, предлагают решение. Использование нескольких датчиков скорости без подшипников также потребует дополнительных кабелей, чего желательно избегать для наружного оборудования, поскольку они очень восприимчивы к повреждениям, например, от летящего балласта пути .
Можно реализовать от одного до четырех каналов, каждый из которых имеет фотодатчик , сканирующий одну из максимум двух сигнальных дорожек на щелевом диске. Опыт показывает, что возможное количество каналов, достигаемое с помощью этой технологии, все еще недостаточно. Поэтому ряд подсистем вынуждены обходиться сквозными сигналами от электроники защиты колес от скольжения и, следовательно, 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 восприимчивы к грязи, а источник света слишком быстро стареет.
Следы грязи значительно уменьшают количество света, проходящего через линзу, и могут привести к выпадению сигнала. Поэтому эти энкодеры должны быть очень хорошо герметизированы. Дополнительные проблемы возникают, когда генераторы импульсов используются в средах, в которых пройдена 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 светового луча. Это пытаются компенсировать с помощью специальных регуляторов, которые постепенно увеличивают ток через светодиод, но, к сожалению, это еще больше ускоряет процесс старения.
Принцип, используемый при магнитном сканировании ферромагнитной измерительной шкалы, не демонстрирует этих недостатков. За многолетний опыт использования магнитных энкодеров были случаи, когда уплотнение выходило из строя, и генератор импульсов оказывался полностью покрытым толстым слоем тормозной пыли и другой грязи, но такие генераторы импульсов все равно работали отлично.
Исторически сложилось так, что системы магнитных датчиков стоят дороже оптических, но эта разница быстро сокращается. Системы магнитных датчиков Холла и магниторезистивных датчиков могут быть встроены в пластик или заливочный материал, что повышает механическую надежность и исключает повреждения от воды и жира.
Датчики скорости вращения колес также могут включать гистерезис . Это подавляет любые посторонние импульсы, пока автомобиль стоит.
Генераторы импульсов, сконструированные в соответствии с этим принципом, успешно прошли полевые испытания несколькими железнодорожными операторами с начала 2005 года. Типовые испытания, указанные в EN 50155 [1] , также были успешно завершены, так что эти генераторы импульсов теперь могут быть поставлены.
Тележки с внутренними цапфами предъявляют особые требования к проектировщику импульсного генератора, поскольку у них на конце нет крышки подшипника, которая могла бы служить основанием, от которого можно было бы регистрировать вращение вала колесной пары. В этом случае импульсный генератор должен быть установлен на хвостовике вала, прикрепленном к колесной паре, и снабжен преобразователем крутящего момента, соединенным с рамой тележки, чтобы предотвратить его вращение.
Экстремальная 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 учесть, что срок службы подшипника уменьшается по крайней мере с третьей степенью нагрузки, то можно увидеть, что надежный и долговечный генератор импульсов для такой ситуации не может быть просто адаптирован из более распространенного стандартного генератора импульсов для тележек с наружной цапфой просто путем подгонки и промежуточного фланца или аналогичной конструкции. Действительно необходимо иметь генератор импульсов с измененной конструкцией, адаптированной к требованиям такого места.
Некоторые транспортные компании сталкиваются с особой проблемой: циркулирующий воздух, охлаждающий двигатели, переносит стружку , стираемую с колес и рельсов. Она скапливается на головках магнитных датчиков. Также все чаще встречаются двигатели, в которых датчики должны сканировать алюминиевые целевые колеса, например, потому что рабочие колеса изготовлены из алюминиевого сплава , а производитель не хочет усаживаться на отдельный ферромагнитный зубчатый обод.
Для этих приложений доступны датчики скорости, которым не требуется целевой магнит. [2] Ряд передающих и приемных катушек используются для генерации переменного электрического поля с частотой порядка 1 МГц, а затем 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 необходимости принятия каких-либо других мер.
Клиенты часто хотят получить большее количество импульсов на оборот, чем можно получить в доступном пространстве и с наименьшим модулем m = 1. Для достижения этой цели доступны датчики, которые предлагают интерполяцию. Они предлагают выходной сигнал в 2-64 раза больше исходного количества зубьев шестерни или магнитных полюсов на целевом колесе. Точность зависит от качества входного сигнала датчика: датчики Холла имеют более низкую стоимость, но более низкую точность, магниторезистивные датчики имеют более высокую стоимость, но более высокую точность.