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高速磁浮列车传感器测试平台电路设计与实现

2022-10-14王明乾

许昌学院学报 2022年5期
关键词:上位电位线圈

邓 鹏,王明乾

(国防科技大学 信息通信学院,湖北 武汉 430030)

我国一直致力于常导高速磁浮技术的国产化和技术创新研究.“十三五”规划里提出将研制600 km/h的高速磁浮列车.常导高速磁浮(EMS)采用长定子轨道进行同步牵引[1-2],根据同步电机的原理,牵引系统需要准确地知道列车在长定子轨道上的位置才能对列车进行准确的牵引,磁浮列车的定位测速系统及其传感器对此起着关键作用[3].

由于国内尚未建成能以600 km/h运行的磁浮列车实验线,对定位测速系统相对位置传感器的工程化研究仅停留在理论意义上,无法进行600 km/h的实际验证.因此,研究一套能检验相对位置传感器在600 km/h下的实际工作能力,同时实现传感器日常检测的测试平台,对及时发现传感器故障、保障传感器工作可靠性以及实现传感器性能优化具有重要意义.

1 相对位置传感器工作原理

相对位置传感器是列车上最重要的传感器之一,它在列车低速运行时为列车牵引系统提供精度达4 mm的位置信息,保障列车的正常牵引.当列车高速运行时,它为列车提供齿槽计数信息[4-5].如图1所示为传感器在列车上的位置示意图,图2所示为传感器模型图.在传感器底部灌封着线圈板,传感器壳体内部装有一块模拟电路板和一块数字电路板,传感器采用485差分传输的SPI通信协议将信号输出到定位测速信号处理机箱进行处理[6].

图1 磁浮列车相对位置传感器示意图

图2 相对位置传感器模型图

传感器内部模拟电路板上由晶振产生高频载波信号,通过功率放大后输入到线圈板构成的谐振电路,如图3所示.由于长定子是由硅钢叠片制成,当传感器线圈在轨道上移动时,线圈的等效电感会因轨道齿槽结构发生改变,从而导致线圈板的谐振网络偏离谐振点[7].

图3 相对位置传感器工作原理

谐振网络偏离谐振点后,谐振输出将变为一个幅值随线圈等效电感改变而改变的高频电压信号.因此,经谐振电路输出的电压信号载有电感改变的信息,也就是传感器在齿槽上的位置信息,经过检波解调、放大、AD采样等即可提取位置信息.每个传感器线圈板有四个线圈,因此有四路谐振输出,如图4所示.

图4 传感器线圈板示意图

线圈板中的l=86 mm,为轨道的一个齿槽周期.四个线圈分为两组,线圈1、2和线圈3、4分别为一组,同一组线圈相距半个齿槽周期,将同一组线圈的检波输出信号进行作差和放大就可以得到图4中的正弦信号.于是,传感器在长定子齿槽上的位置信息就转化为了简单实用的正弦信号,经定位测速系统机箱处理后得到位置和速度信息.

2 测试平台设计

2.1 测试平台组成

相对位置传感器离线测试平台主要由三大部分组成,分别是上位机人机交互软件、控制箱以及测试台,如图5所示.

图5 相对位置传感器离线测试平台示意图

测试台上装有与传感器线圈对应的副边线圈,副边线圈与控制箱硬件电路上的可编程电位计串联,控制箱通过硬件程序控制作为电磁场负载的可编程电位计的电阻变化,从而改变相对位置传感器线圈的等效负载.在一定规律的电阻变化下,传感器等效负载的变化效果等同于传感器在列车轨道上移动时的变化效果,从而实现对传感器的离线模拟测试.控制箱同时从传感器通信接口实时地采集传感器信号,信号处理后实时发送给上位机,上位机对接收到的传感器信号进行实时显示、储存和实验分析.

2.2 测试平台等效负载检测原理

文献[3]提出了一种等效负载检测方法,如图6所示.

图6 等效负载原理示意图

图中左侧为传感器在长定子上的电路示意图,右侧为变负载法电路示意图,其中,RL0为可变电位计.列车在轨道上运行时,列车上的传感器输出信号Ud是一个周期变化的类正弦信号,而采用等效负载方法时传感器输出信号解析解为

(1)

其中,

(2)

因此,可令输出信号Uo为正弦信号来模拟传感器在列车上运行时的输出信号,采用描点法即可得到RL0的变化规律,从而实现传感器的离线模拟.

2.3 测试平台硬件电路设计

根据设计需求,测试平台硬件电路主要分为五部分:可编程电位计模块、FPGA模块、传感器数据采集模块、电源模块、上位机串口通信模块.所设计的电路结构框图见图7.

图7 测试平台硬件电路结构框图

图中,硬件电路实现的主要功能为控制可编程电位计改变电阻,与相对位置传感器进行通信并采集数据,与上位机通信,接收上位机指令并向上位机发送数据.

2.3.1 电路逻辑控制

由于相对位置传感器并行数据量大,并行控制的可编程电位计数量较多,因此具有并行控制优点的FPGA成为测试平台硬件主控芯片首选.根据对程序代码量、引脚数量等资源的评估,选择FPGA型号为altera的EP4CE1522I7,外围采取串行FLASH配置芯片EPCS4SI8N对程序进行存储和上电自烧录程序,晶振配置为24 MHz,同时配置电源指示灯和工作状态指示灯,方便实验人员掌握测试平台的工作状态.

电路中FPGA通过USB转串口接收上位机下发的各种指令,根据指令自动控制可编程电位计按照相应的模态有规律地变化,同时采集传感器数据,并将数据进行一定的处理和转换后实时发送至上位机软件.经查可编程电位计的接口主要为I2C和SPI协议,I2C通信速率最高为400 kHz,以I2C协议更改一个电位计寄存器的值需要29个时钟周期,即为

400 kHz÷29≈13.793 1 kHz.

(3)

时速600 km/h的相对位置传感器输出电压正弦波频率为

600 km/h÷0.086 m≈1.938 kHz.

(4)

则一个正弦周期最多取样点数为

13.793 1÷1.938≈7.

(5)

一个周期只能对负载改变7次会导致传感器线圈等效负载变化平滑度太差,而SPI通信速率一般可达2 MHz,能大大提升一个周期对负载改变的次数.但在实际选型过程中发现,拥有SPI通信接口的电位计其标称电阻都是10 kΩ以上的,经理论计算电阻大于10 kΩ后传感器线圈等效负载变化极小,低速下负载周期变化平滑度同样很差.经分析最终采用低于300 km/h的低速模拟用I2C电位计AD5252,高速模拟用SPI电位计AD5142的方案来实现,并利用基于模拟开关芯片电路来进行高速与低速之间的自动切换.

2.3.2 数据传输

传感器数据采集部分采用485差分双绞线接口,利用SPI协议进行数据的读取.电路中采用光电耦合将传感器上的电源与测试台硬件电路的电源相隔离,保障各个传感器之间的独立性以及保护机箱的安全.类似的隔离电路也用在了FPGA和电位计芯片之间,采用Si8441和Si8440的数字隔离芯片实现隔离的同时还实现了FPGA的3.3 V数字电压和电位计2.5 V数字电压的通信.

经计算,要保证两个传感器共4路AD信号能实时传输到上位机软件,数据的传输速率应达到1.32 Mb/s,常用的USB转串口芯片CH340G最高波特率可达2 MHz,满足传输需求,且使用方便,无需转接口,因此测试平台选择CH340G作为传输芯片.

2.3.3 电源模块

考虑到传感器数据采集部分需3.3 V电源供电,可编程电位计需±2.5 V隔离电源供电,测试台采用3.3 V主电源和±2.5 V隔离电源的方式供电.隔离电源选取国内金升阳公司的WRA0505ZP芯片,其效率高达86%,隔离电压1500 VDC,并且能实现短路保护和自恢复,能将+5 V电源隔离输出为±5 V电压.±2.5 V、3.3 V以及1.2 V电压则由负输出低压差线性稳压器和低压差线性调节器芯片来提供.

相对位置传感器需要+24 V供电,为了避免额外增加电源线,在测试台硬件电路上提供了+24 V电源直接为传感器供电.为了输出电源的使用方便,且综合考虑功耗之后,选择了一款220 V转5 V/5 A和24 V/1.5 A双输出的电源集成模块.

3 测试平台的FPGA程序设计

FPGA程序采用Verilog HDL语言编写,主要分为5个模块:低速电位计控制模块、高速电位计控制模块、UART串口通信模块、传感器SPI通信模块以及锁相环时钟控制模块.程序框图如图8所示.

图8 FPGA硬件电路程序框图

AD5252低速电位计共8个,每4个对应一个传感器.4个电位计的电阻改变依次相差四分之一个周期,分别对应传感器在列车运行方向上的位置关系.根据模拟传感器的不同运行模式,每个电位计的变化幅值有所不同;根据模拟列车运行速度的不同,电位计的变化周期有所不同.AD5142高速电位计和低速电位计控制的变化规律是相同的,在输出端的模拟开关由I2C协议单独根据模拟列车运行速度而自动切换.

机箱采用SPI协议通过寻址方法主动读取传感器上的信号.接收到的信号通过寄存器的方式暂存起来以便发送给上位机电脑.

UART串口协议默认状态下以一定的周期不断向上位机发送数据,发送的数据自定义两字节的包头以便上位机识别数据包.同时上位机将会向硬件电路发送改变运行模式和模拟列车运行速度的指令,根据自定义协议判断出速度或模式后发送给电位计控制模块改变控制规律.

锁相环时钟控制模块为其他所有模块提供所需要的精准时钟,保障通信的准确性.

4 实验验证

将设计实现的测试平台对两个传感器同时进行测试,测试时参考传感器在列车上实际工作时所采集到的数据,两个传感器模拟一前一后间隔一个轨道齿槽周期,测试到的数据发送到上位机软件进行实时显示,结果如图9所示.从图中可以看出,采集到的传感器信号呈现出基本的正弦特征,图中的波形幅值大小不同是模拟的实际传感器数据,实际传感器由于相邻线圈的激励频率不同,所以信号幅值会有差异.

图9 测试平台对传感器测试结果

5 结语

基于FPGA对高速磁浮列车相对位置传感器测试平台硬件电路进行了设计,电路的设计核心是对可编程电位计进行控制实现传感器的运行模拟,事实上,由于列车运行过程中有许多不可控因素,实际的传感器信号并不规整,因此要完全模拟传感器的工作是极其困难的.实验证明,所设计的测试平台能很好地模拟一般情况下的传感器运行,后续还需要能进一步模拟各种复杂工况下的传感器运行.

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