機車(chē)測試系統中的轉速測量

　　試驗系統的結構如圖1所示。待試機車(chē)被驅動(dòng)到試驗床上，機車(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)機械式同步，然后分別驅動(dòng)兩臺測功機(勵磁發(fā)電機組)。測功機的輸出接到大小可控的水阻陣列上，模擬機車(chē)負載，消耗機車(chē)功率。試驗時(shí)，在一定條件下啟動(dòng)機車(chē)，調整測功機的負載和轉速，可以使機車(chē)按照與線(xiàn)路上類(lèi)似的工況(運行速度和拖動(dòng)力)運行。試驗中任何時(shí)刻，兩臺測功機的轉速必須保持一致。
　　與一般的控制對象相比，對測功機的轉速控制要求速度較快，特別是在加入內環(huán)電流反饋之后；對轉速的顯示精度要求也較高，希望在測量轉速上限時(shí)相對誤差不大于0.2%。本系統中設計的電流環(huán)調節周期為0.1秒，用于顯示和記錄的轉速測量周期為1秒，試驗系統設計的轉速測量范圍為200~1000轉/分。測功機的轉速測量性能對于整個(gè)系統的運行起著(zhù)決定性的作用。
　　另外在試驗中需要在車(chē)下的控制室內對機車(chē)上的重要參數進(jìn)行監控，包括車(chē)上發(fā)電機的電壓、電動(dòng)機電流和柴油機的轉速。對于柴油機轉速，車(chē)上通常只提供每轉一次的電脈沖信號，轉速范圍為500~1500轉/分。由于這些測量參數只是用于對機車(chē)運行狀態(tài)進(jìn)行監控，因此對測量精度和測量速度的要求不高，不大于1%的相對誤差和1~3秒的測量周期即可。
　　考慮到對測功機的測量和控制速度要求較高及提高測控系統的抗干擾能力，試驗系統采用OMRON的CJ1-M型PLC控制器作為下位機，執行絕大部分測量和控制任務(wù)；機車(chē)上的數據則通過(guò)以Adam-4017+八通道模擬量輸入模塊為核心構成的便攜式車(chē)上數據采集裝置進(jìn)行采集，采集的結果經(jīng)RS-485總線(xiàn)傳送到上位監控機。
　　本文只討論測功機和柴油機的轉速測量問(wèn)題。
2 機車(chē)測試系統中的轉速測量
2．1 測功機的轉速測量
　　可編程控制器CJ1系列中有一個(gè)特殊單元是高速計數單元CT021。每塊CT021具有兩個(gè)高速計數器，每個(gè)計數器的容量為二進(jìn)制32位，可接受頻率高達50kHz的輸入脈沖，以實(shí)現快速運動(dòng)的精確控制。兩個(gè)輸入通道分別用于兩臺測功機的轉速測量。
　　CT021采用計數法測量輸入信號的頻率。選用分辨率為1024的光電編碼器實(shí)現轉速-電信號頻率轉換。在轉速下限(200轉/分)時(shí)，實(shí)際輸出的脈沖頻率為1024200/60s=3400/s，即3400Hz。為實(shí)現周期為0.1秒的快速調節，應配以周期為0.1秒的高速采樣，此時(shí)每周期可采脈沖為340個(gè)，相對誤差不超過(guò)0.3%，可以滿(mǎn)足轉速控制要求。
　　在轉速上限時(shí)，計數法的測量精度會(huì )有改善，但需核對計數單元對于輸入脈沖頻率的上限限制。轉速為1000轉/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(mǎn)足系統測速要求，為保有一定的余量，系統實(shí)際采用差相輸入方式，使輸入脈沖的頻率提高一倍，測量誤差再減小一半。
　　做完上述核對工作、確定測量所需硬件之后，軟件上要做的工作相對較簡(jiǎn)單，只要按照廠(chǎng)家提供的技術(shù)資料在程序中對CT021的工作方式進(jìn)行正確地初始化設置，上電后程序就會(huì )在每個(gè)循環(huán)中將計數結果存放到指定的內存地址中?？梢詫⑦@些數據轉移到數據存儲區，供實(shí)現轉速調節的指令使用。
　　CT021還提供多種功能，例如可以實(shí)現雙向計數、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，對它們可以靈活配置，以滿(mǎn)足使用現場(chǎng)可能出現的特殊要求。值得一提的是，CT021提供的功能之一是可以自動(dòng)將連續若干次(最高可達64字)的速率測量結果記錄在一個(gè)地址連續的存儲區中，并隨時(shí)自動(dòng)刷新，這樣既可以在每個(gè)0.1秒循環(huán)周期內得到當時(shí)的采樣值供調節指令使用，也可以輕而易舉地得到連續多個(gè)周期的總計數結果，即較長(cháng)時(shí)間間隔內的采樣值，供顯示和記錄之用。取樣時(shí)間擴大了，量化誤差相應減小，較好地滿(mǎn)足了對顯示精度的要求。
2．2 機車(chē)柴油機轉速測量
　　機車(chē)上的柴油機轉速為500~1500轉/分，被測脈沖的頻率僅為500/60s(8.3Hz)~1500/60s(25Hz)，采用計數法進(jìn)行頻率測量顯然不合適。由于對測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對柴油機轉速進(jìn)行模擬式測量的一個(gè)電路。LM2917是一款專(zhuān)門(mén)用于轉速測量和控制的集成電路頻率-電壓轉換芯片。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和可靈活進(jìn)行再設計的輸出級，因而大大減少了芯片投入應用時(shí)需要外接的元器件數量。輸入級的輸入浮動(dòng)特性使用戶(hù)可以調整信號輸入的閾值，提高電路的抗干擾能力；在其內部還構建了一個(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。芯片的輸出級由比較器和一個(gè)浮動(dòng)三極管組成，用戶(hù)可以設計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(mǎn)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，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)所示電路的測試結果。圖中，下部的曲線(xiàn)為F/V轉換的結果，上部的曲線(xiàn)為包含了線(xiàn)性光電隔離器及后續的Adam-4017+模塊的采集數據。
　　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、按照等精度方法對柴油機轉速進(jìn)行測量。使用定時(shí)器實(shí)現預取樣窗口的寬度控制，以1ms高速定時(shí)器充當高頻參考量化脈沖。圖3所示為實(shí)現測量過(guò)程的軟件流程和波形示意圖。

　　圖中，T1為確定預設取樣窗口寬度的定時(shí)器，T2為1ms定時(shí)器，Smp為取樣標志，N為被測脈沖計數值。
　　每當讀到一個(gè)輸入脈沖的上升沿，CPU首先查詢(xún)取樣標志，如為0，則置1，啟動(dòng)一次取樣過(guò)程。取樣過(guò)程的預定寬度由定時(shí)器T1確定。T1定時(shí)未到時(shí)，做兩件事：一方面，1ms定時(shí)器持續進(jìn)行定時(shí)計數；另一方面，PLC對輸入脈沖計數(N=N+1)，直至T1定時(shí)到后遇到新的脈沖上升沿為止。如一次取樣結束時(shí)，從1ms定時(shí)器得出的ms累計值為n，輸入脈沖的計數值為N，則可得信號頻率為:
　　
　　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)對脈沖輸入信號的跳變采用立即刷新方式進(jìn)行檢測。(2)在整個(gè)PLC程序中，分散地插入不止一個(gè)輸入脈沖檢測點(diǎn)。實(shí)驗證明，這些措施是行之有效的，該測量方案也可以滿(mǎn)足試驗要求，而且硬件成本很低(僅使用PLC的一個(gè)DI輸入)。當然，如果采用中斷單元，按中斷方式工作，取樣窗口的起始時(shí)間與被測脈沖的同步會(huì )變得很簡(jiǎn)單，測量準確度也會(huì )提高，代價(jià)是硬件成本增加。
　　在機車(chē)定置試驗系統中，對于不同的測量需求，具體分析，區別對待，采取了不同的頻率測量方法和設備，有針對性地采取了減小測量誤差的措施，盡可能地挖掘已有測控設備的潛力，做好技術(shù)設計工作。這些努力已得到現場(chǎng)試驗證明，效果令人滿(mǎn)意。