APM车辆接地检测电路的研究

刘东亮 赵俊鹏 朱冬进 包佳健 王振

摘 要：轨道交通车辆良好的接地状态是保证车辆运行的安全条件之一。APM胶轮系统与钢轮系统的轮对型式不同，为了保持胶轮系统的接地，通过接地靴滑触接地保证接地的连续性，另外，APM车辆接地和回流分开，因此为了获得接地靴的接地状态，研究了一种专门检测接地靴接地状态的电路检测接地状况，本文研究了一种轨道交通领域APM胶轮系统车辆的接地靴状态检测装置，并对所实现的电路进行了陈述。

关键词：接地;APM;胶轮;检测

地铁车辆一般为钢轮运行系统，整个车辆的接地系统通过钢轮直接和大地接地，由于APM胶轮系统不通过轮对保持接地，而通过单独设置接地靴保持接地状态良好，而接地靴是通过滑触的方式和接地轨进行接触并且和回流是分开的，动态接触的过程是动态的，需要对其状态进行检测，因此研究了一种接地靴和接地轨接触状态检测的电路来获得APM车辆接地靴接地的状态，此状态可以作为车辆控制策略的输入以确保车辆的安全运行。

1 接地环路分析

APM车辆接地回路通过车辆的2个接地靴（GROUND SHOE 1 和GROUND SHOE 2）、接地板（GROUND PAD 1 和GROUND PAD 2）、刚性接地轨（RIGID GROUND RAIL）接地行成一个环路，接地板和车体（VEHICLE BODY）连接，通过在接地环路上产生一个7 kHz电流信号来实现电流回路的状态检测。如下图所示设置一个接地检测电路板（GSLDB）来实现信号的触发，并且通过变压器实现将电流信号反馈到接地回路中，如上图1所示。每个接地检测装置有一个GSLDB和有一个外部变压器（TRANSFORMER）组成，每辆车设置两套接地检测装置。

单车接地回路中的电流信号方向如下图2所示。

多条回路对接地检测电路板同样有效，接地检测电路因此对连挂的车辆有效，为了更清晰的理解，可以参见图3的4个接地检测装置的两个电流路径（蓝色和紫色），红色和橙色的电流路径类似。例如：当去掉或者接地电阻大于4 Ω并大于5 s，蓝色接地检测装置对应的接地靴将会导致蓝色的接地检测装置报警。

2 接地检测控制电路原理

利用PWM控制器芯片UC1842驱动MOS开关管，使印刷电路板（PCB）上反激式变压器正常工作，连接至外部电流互感器原边;外部电流互感器的副边接到列车车轮与铁轨两端，当外部电流互感器副边两端的阻值RG发生变化时，使电流互感器副边的电流发生变化，根据变压器的基本原理，电流互感器的原边电流也发生变化，然后利用电流检测电阻R11，通过R11电压值的变化来检测其电流的变化，然后通过利用两个运算放大器控制电压的变化，实现LED的点亮熄灭及继电器的闭合断开控制。

当电阻RG>4 Ω时，互感器副边电流减小，原边电流增大，R11电压值增大，通过QA1A积分运算放大器电路和QA1B比较器，最终输出低电平（R14与R15之间电压），因此LED延迟5 s后熄灭，继电器断开;

当电阻RG<4 Ω时，互感器副边电流增大，原边电流减小，R11电压值减小，通过QA1A积分运算放大器电路和QA1B比较器，最终输出高电平（R14与R15之间电压），因此LED延迟5 s后点亮，继电器闭合;

当按下测试按钮SW1时，因为UC1842的反馈电压VFB变小，导致UC1842的输出脉冲方波宽度变大，使反激式变压器两端电压增大，最终导致R11两端的电压增大，通过QA1A积分运算放大器电路和QA1B比较器，最终输出低电平（R14与R15之间电压），因此LED延迟5 s后熄灭，继电器断开。

电路板主要电流回路和输入在图4中显示，电路板在一款“1842”脉冲宽度调制控制芯片上运行。芯片设定在7 Hz最大占空比为50%。一个0.2 Ω的电阻用来产生驱动Q1开关的电流。电路使用两个变压器，一个用来产生一个固定的电阻给接地检测电路，另一个位于接地检测装置上的变压器。每个变压器都提供额外的线圈接到二极管上，二极管可以将电流反馈回电路后将能量消耗。

其中，点位1和2分别为控制电源DC24V的正和负，点位4、5、6为变压器原边输出，点位10、11为内部继电器K1的输出，点位7和8短接，点位3和9短接。

检测是在双运放电路上完成的，图4所示。QA1A积分运算放大器电路作为一个积分电路和连接到0.2 Ω的感应电阻（R11，图4）。当前端检测电流环路检测电阻接近4 Ω，电阻上的电压和电路板上控制好的电压进行比较以使QA1A积分运算放大器电路的状态改变。

当前端电流回路电阻小于4 Ω，QA1A积分运算放大器电路的输出是有效的，并且稳压二极管调节器通过一个时间常数输出一个恒定的10 V电压给QA1B。選择合适的电阻和电容值来保证QA1B能够有5 s的延迟改变状态。QA1B用来通过晶闸管Q2提供一个开关信号输出给继电器K1。相反的，当电流回路电阻超过4 Ω，过程是相反的，时间常数保证输出继电器K1保持4 s～6 s。

第二个变压器安装在电路板上产生一个固定的电阻给第一个变压器作为一个短路接地环路电阻来断开电路。通过Q1的峰值电流是5 A，当低电阻状态，电流比较大，“1842”芯片会限制占空比小于50%，并保持5 A的最大电流。当电能量从接地回路返回，压敏电阻TZ1和TZ2一起使用并联在电阻CR3上用来限制Q1上的电压。在最恶劣的情况下Q1短路，熔断器F1用来提供故障安全保护。这确保电路在断电并且继电器不被激活，并指示故障。

如果每个单独的电流环路的电阻小于4 Ω，每个接地检测电路板将会发出一个24 V的电压信号。如果接地检测装置的24 V输入电源消失或者接地环路电阻大于4 Ω大于5 s，接地检测电路板将会断开输出触点。每辆车上的两个接地检测输出的触点串联，只要有一个断开，就给车辆控制系统发送报警信号。并设置5 s的延迟时间保证车辆接地靴在运行过程中有可能发生跳动而产生误报警，保证给车辆控制系统报警的准确性。

3 结论

传统的接地检测电路只检测接地状态的通断，不检测接地电路的接触电阻，但是由于接地靴在接地轨上有可能跳动导致接触不良，仅仅通过检测开关量有可能给车辆误报警，因而设计了一种可以检测接地电阻大小并且设置延迟的电路，通过将接地状态7 kHz电流信号驱动电路检测电阻值改变晶闸管控制继电器状态信号发送到车辆控制系统，此电路应用在以APM车辆为代表的胶轮系统中，可以很好的为车辆提供了接地状态检测，为车辆安全运行提供信号输入。

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