轨道车辆用速度传感器设计及仿真论文_李童生,焦东明,吉振山,孙会智,刘铁征

摘要：轨道车辆用速度传感器是铁路车辆的配套产品，将齿轮转动引起的磁场变化转换为电信号输出到控制部件，实时监测车辆的运行速度，为轨道车辆制动防滑系统提供速度信号，本文阐述轨道车辆速度传感器的工作原理并通过软件仿真验证电气原理设计的正确性，为实际运行列车制动系统速度传感器故障提供理论指导。

关键词：霍尔效应；检测齿轮；速度传感器

0引言

本文章通过分析轨道车辆用速度传感器的设计原理，并且对速度传感器的运行进行仿真模拟，对轨道车辆用速度传感器进行深入剖析，对轨道车辆运行中出现的速度传感器故障解决提供指导依据。

1设计原理

1.1速度传感器工作原理

霍尔速度传感器的主要工作原理是利用霍尔效应，霍尔速度传感器在测量机械设备的转速时，被测量的金属齿轮（导磁材料）会经过传感器的前端，引起磁场的相应变化，当导磁的运动部件穿过霍尔元件产生磁力线较为分散的区域时，磁场相对较弱，而穿过产生磁力线较为集中的区域时，磁场就相对较强，如图1所示

霍尔速度传感器就是通过磁力线密度的变化，在磁力线穿过传感器上的感应元件时，产生霍尔电势。霍尔转速传感器的霍尔元件在产生霍尔电势后，会将其转换为交变电信号，最后传感器的内置电路会将信号调整和放大，输出矩形脉冲信号（方波）。

图1霍尔速度传感器工作原理

1.2电气原理设计

选取合适的霍尔元件后，结合所选霍尔元件的特性搭建外围电路，包括保护电路、输入滤波电路和输出滤波电路等。本文中所述的轨道车辆速度传感器为电流型，输出低电平7mA，高电平14mA，所选用的霍尔元件为电压型，因此需要搭建外围电路，将电压信号转换为满足要求的电流信号。所设计的电气原理图如图2所示。

图2电气原理图

电路的功能是通过P2接入的霍尔器件检测齿轮的转速，并转换成低电平7mA（4.3mA-8.9mA），高电平14mA（11.3mA-17.4mA）恒定的电流信号由P1输出。

A部分，主要由两个二极管（D1、D2）和两个电容（C1、C2）构成。这部分主要作用是防止电源接反时对电路造成伤害，以及吸收电路中的浪涌。二极管D1的作用是利用其单向导电的性质，当外接电源的极性接反时，其处于截止的状态，从而断开电源以达到保护后面电路不会烧毁。D2是瞬态抑制二极管，作用是防止静电放电、瞬态脉冲群和浪涌对电路造成伤害。C1、C2是起到滤波作用。

B部分，由5个三极管和若干电阻、电容和二极管构成，这部分的主要作用是检测传感器与齿轮相对的表面是否受到机械方面的损坏并自动保护。TESTA和TESTB的布线设置在挠性线路板上，安装时紧贴传感器课题前端圆形表面，一旦齿轮打伤传感器，则最先受到破坏的是壳体前端，进而打伤挠性线路板，从而导致连接TESTA和TESTB的铜线断路，通过电路的处理控制Q1三极管的通断，使线路板进入保护状态。电压R2和C5构成RC滤波电路，ZD3为静电保护器，防止静电对电路造成破坏。

C部分，是由两个三极管Q2、Q4和一些电阻、电容等构成的恒流源电路，P2是霍尔元件。

D部分，为霍尔元件的外围电路。

速度传感器线路板组件如图3所示，由支架、霍尔元件、永磁体、挠性线路板、线路板组成。

图3线路板组件结构图

2软件仿真

正常工作状态时Q1导通，仿真结果见图4，Q1前后电压接近，后端电路正常供电，供电电压14.398，可以工作。

当传感器前端破损时，Q1关断，后端电压为9.016uV,电压接近于0。

图4正常工作状态（左）和破损状态（右）

模拟测速齿轮选装状态下，速度传感器的信号输出：

图5恒流源仿真

P2的Q脚是霍尔元件的集电极开路输出，当测速齿轮处于旋转的时候其会处于交替的导通和截止状态，当Q与GND导通的时候，恒流源会建立一个7mA的恒定电流，仿真结果如图5所示。这个电流与电路工作消耗电流叠加输出高电平状态。同理当Q与GND截止时恒流源输出为0mA，传感器输出为低电平状态。

3结语

速度传感器是组成制动防滑系统的重要部分，传感器的性能是否稳定直接影响到制动防滑功能，对列车安全运行起着重要作用，本文阐述了轨道车辆速度传感器的设计原理，并通过软件仿真验证设计的合理性，对指导解决列车运行时速度传感器故障处理有重要意义。

参考文献

[1]何喜富.霍尔速度传感器原理及算法介绍.电子产品世界[J].铁道机车车辆,2013年8期.

[2]杨敏，陈竹健，陈增贤.具有自检功能的霍尔式速度传感器设计.电子世界2017年4月

论文作者:李童生,焦东明,吉振山,孙会智,刘铁征

论文发表刊物:《电力设备》2020年第1期

论文发表时间:2020/4/22

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