機(jī)車(chē)測(cè)試系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速測(cè)量

　　試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。待試機(jī)車(chē)被驅(qū)動(dòng)到試驗(yàn)床上，機(jī)車(chē)車(chē)輪依次與傳動(dòng)輪摩合。傳動(dòng)輪三個(gè)一組，先通過(guò)機(jī)械式同步，然后分別驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)測(cè)功機(jī)(勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組)。測(cè)功機(jī)的輸出接到大小可控的水阻陣列上，模擬機(jī)車(chē)負(fù)載，消耗機(jī)車(chē)功率。試驗(yàn)時(shí)，在一定條件下啟動(dòng)機(jī)車(chē)，調(diào)整測(cè)功機(jī)的負(fù)載和轉(zhuǎn)速，可以使機(jī)車(chē)按照與線路上類(lèi)似的工況(運(yùn)行速度和拖動(dòng)力)運(yùn)行。試驗(yàn)中任何時(shí)刻，兩臺(tái)測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)速必須保持一致。
　　與一般的控制對(duì)象相比，對(duì)測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)速控制要求速度較快，特別是在加入內(nèi)環(huán)電流反饋之后；對(duì)轉(zhuǎn)速的顯示精度要求也較高，希望在測(cè)量轉(zhuǎn)速上限時(shí)相對(duì)誤差不大于0.2%。本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的電流環(huán)調(diào)節(jié)周期為0.1秒，用于顯示和記錄的轉(zhuǎn)速測(cè)量周期為1秒，試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍為200~1000轉(zhuǎn)/分。測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量性能對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行起著決定性的作用。
　　另外在試驗(yàn)中需要在車(chē)下的控制室內(nèi)對(duì)機(jī)車(chē)上的重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，包括車(chē)上發(fā)電機(jī)的電壓、電動(dòng)機(jī)電流和柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，車(chē)上通常只提供每轉(zhuǎn)一次的電脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)速范圍為500~1500轉(zhuǎn)/分。由于這些測(cè)量參數(shù)只是用于對(duì)機(jī)車(chē)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，因此對(duì)測(cè)量精度和測(cè)量速度的要求不高，不大于1%的相對(duì)誤差和1~3秒的測(cè)量周期即可。
　　考慮到對(duì)測(cè)功機(jī)的測(cè)量和控制速度要求較高及提高測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾能力，試驗(yàn)系統(tǒng)采用OMRON的CJ1-M型PLC控制器作為下位機(jī)，執(zhí)行絕大部分測(cè)量和控制任務(wù)；機(jī)車(chē)上的數(shù)據(jù)則通過(guò)以Adam-4017+八通道模擬量輸入模塊為核心構(gòu)成的便攜式車(chē)上數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行采集，采集的結(jié)果經(jīng)RS-485總線傳送到上位監(jiān)控機(jī)。
　　本文只討論測(cè)功機(jī)和柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量問(wèn)題。
2 機(jī)車(chē)測(cè)試系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速測(cè)量
2．1 測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量
　　可編程控制器CJ1系列中有一個(gè)特殊單元是高速計(jì)數(shù)單元CT021。每塊CT021具有兩個(gè)高速計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器的容量為二進(jìn)制32位，可接受頻率高達(dá)50kHz的輸入脈沖，以實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)的精確控制。兩個(gè)輸入通道分別用于兩臺(tái)測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量。
　　CT021采用計(jì)數(shù)法測(cè)量輸入信號(hào)的頻率。選用分辨率為1024的光電編碼器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速-電信號(hào)頻率轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)速下限(200轉(zhuǎn)/分)時(shí)，實(shí)際輸出的脈沖頻率為1024200/60s=3400/s，即3400Hz。為實(shí)現(xiàn)周期為0.1秒的快速調(diào)節(jié)，應(yīng)配以周期為0.1秒的高速采樣，此時(shí)每周期可采脈沖為340個(gè)，相對(duì)誤差不超過(guò)0.3%，可以滿足轉(zhuǎn)速控制要求。
　　在轉(zhuǎn)速上限時(shí)，計(jì)數(shù)法的測(cè)量精度會(huì)有改善，但需核對(duì)計(jì)數(shù)單元對(duì)于輸入脈沖頻率的上限限制。轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分時(shí)，輸入脈沖頻率為10241000/60s,即17.07kHz, 不會(huì)超過(guò)50kHz硬件脈沖頻率上限的限制。
　　盡管上述單相脈沖輸入方式已經(jīng)可以滿足系統(tǒng)測(cè)速要求，為保有一定的余量，系統(tǒng)實(shí)際采用差相輸入方式，使輸入脈沖的頻率提高一倍，測(cè)量誤差再減小一半。
　　做完上述核對(duì)工作、確定測(cè)量所需硬件之后，軟件上要做的工作相對(duì)較簡(jiǎn)單，只要按照廠家提供的技術(shù)資料在程序中對(duì)CT021的工作方式進(jìn)行正確地初始化設(shè)置，上電后程序就會(huì)在每個(gè)循環(huán)中將計(jì)數(shù)結(jié)果存放到指定的內(nèi)存地址中。可以將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，供實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的指令使用。
　　CT021還提供多種功能，例如可以實(shí)現(xiàn)雙向計(jì)數(shù)、具有兩個(gè)控制輸入和兩個(gè)控制輸出及30個(gè)軟輸出等，對(duì)它們可以靈活配置，以滿足使用現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)的特殊要求。值得一提的是，CT021提供的功能之一是可以自動(dòng)將連續(xù)若干次(最高可達(dá)64字)的速率測(cè)量結(jié)果記錄在一個(gè)地址連續(xù)的存儲(chǔ)區(qū)中，并隨時(shí)自動(dòng)刷新，這樣既可以在每個(gè)0.1秒循環(huán)周期內(nèi)得到當(dāng)時(shí)的采樣值供調(diào)節(jié)指令使用，也可以輕而易舉地得到連續(xù)多個(gè)周期的總計(jì)數(shù)結(jié)果，即較長(zhǎng)時(shí)間間隔內(nèi)的采樣值，供顯示和記錄之用。取樣時(shí)間擴(kuò)大了，量化誤差相應(yīng)減小，較好地滿足了對(duì)顯示精度的要求。
2．2 機(jī)車(chē)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量
　　機(jī)車(chē)上的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為500~1500轉(zhuǎn)/分，被測(cè)脈沖的頻率僅為500/60s(8.3Hz)~1500/60s(25Hz)，采用計(jì)數(shù)法進(jìn)行頻率測(cè)量顯然不合適。由于對(duì)測(cè)量精度的要求不是很高，可以采用模擬方法。

　　圖2(a)所示是使用LM2917對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行模擬式測(cè)量的一個(gè)電路。LM2917是一款專(zhuān)門(mén)用于轉(zhuǎn)速測(cè)量和控制的集成電路頻率-電壓轉(zhuǎn)換芯片。它依照電荷泵的原理工作，與普通的電荷泵電路相比，該芯片集成了具有浮動(dòng)輸入的比較器輸入級(jí)和可靈活進(jìn)行再設(shè)計(jì)的輸出級(jí)，因而大大減少了芯片投入應(yīng)用時(shí)需要外接的元器件數(shù)量。輸入級(jí)的輸入浮動(dòng)特性使用戶可以調(diào)整信號(hào)輸入的閾值，提高電路的抗干擾能力；在其內(nèi)部還構(gòu)建了一個(gè)幅度為15mV的滯環(huán)，從而可進(jìn)一步提高電路的抗噪聲干擾能力。芯片的輸出級(jí)由比較器和一個(gè)浮動(dòng)三極管組成，用戶可以設(shè)計(jì)成比例輸出或限值比較的輸出，輸出形式可為電壓或電流，以滿足不同的控制需求。圖2(a)所示電路提供比例電壓輸出。圖中的電容C1為電荷泵的充電電容，C2為積分電容。按圖中所選參數(shù)，輸入脈沖與輸出電壓之間的變換關(guān)系為：
　　
　　圖2(b)為圖2(a)所示電路的測(cè)試結(jié)果。圖中，下部的曲線為F/V轉(zhuǎn)換的結(jié)果，上部的曲線為包含了線性光電隔離器及后續(xù)的Adam-4017+模塊的采集數(shù)據(jù)。
　　除了上述模擬式方法，也嘗試了挖掘PLC控制器的潛力，采用DI輸入、按照等精度方法對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。使用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)預(yù)取樣窗口的寬度控制，以1ms高速定時(shí)器充當(dāng)高頻參考量化脈沖。圖3所示為實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程的軟件流程和波形示意圖。

　　圖中，T1為確定預(yù)設(shè)取樣窗口寬度的定時(shí)器，T2為1ms定時(shí)器，Smp為取樣標(biāo)志，N為被測(cè)脈沖計(jì)數(shù)值。
　　每當(dāng)讀到一個(gè)輸入脈沖的上升沿，CPU首先查詢?nèi)訕?biāo)志，如為0，則置1，啟動(dòng)一次取樣過(guò)程。取樣過(guò)程的預(yù)定寬度由定時(shí)器T1確定。T1定時(shí)未到時(shí)，做兩件事：一方面，1ms定時(shí)器持續(xù)進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)；另一方面，PLC對(duì)輸入脈沖計(jì)數(shù)(N=N+1)，直至T1定時(shí)到后遇到新的脈沖上升沿為止。如一次取樣結(jié)束時(shí)，從1ms定時(shí)器得出的ms累計(jì)值為n，輸入脈沖的計(jì)數(shù)值為N，則可得信號(hào)頻率為:
　　
　　由于PLC在一次程序循環(huán)后才集中進(jìn)行一次I/O刷新，因此很難做到取樣窗口與被測(cè)脈沖同步。為了盡量減小這一因素帶來(lái)的影響，采取了兩條措施：(1)對(duì)脈沖輸入信號(hào)的跳變采用立即刷新方式進(jìn)行檢測(cè)。(2)在整個(gè)PLC程序中，分散地插入不止一個(gè)輸入脈沖檢測(cè)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證明，這些措施是行之有效的，該測(cè)量方案也可以滿足試驗(yàn)要求，而且硬件成本很低(僅使用PLC的一個(gè)DI輸入)。當(dāng)然，如果采用中斷單元，按中斷方式工作，取樣窗口的起始時(shí)間與被測(cè)脈沖的同步會(huì)變得很簡(jiǎn)單，測(cè)量準(zhǔn)確度也會(huì)提高，代價(jià)是硬件成本增加。
　　在機(jī)車(chē)定置試驗(yàn)系統(tǒng)中，對(duì)于不同的測(cè)量需求，具體分析，區(qū)別對(duì)待，采取了不同的頻率測(cè)量方法和設(shè)備，有針對(duì)性地采取了減小測(cè)量誤差的措施，盡可能地挖掘已有測(cè)控設(shè)備的潛力，做好技術(shù)設(shè)計(jì)工作。這些努力已得到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，效果令人滿意。