直線電機(jī)氣隙檢測裝置

李 鑫

(廣州市地下鐵道總公司,511436,廣州∥助理工程師)

直線電機(jī)是一種新型電機(jī),近年來應(yīng)用日益廣泛。廣州地鐵4號(hào)線車輛采用直線電機(jī),其感應(yīng)板固定于地面,相當(dāng)于電機(jī)的轉(zhuǎn)子,跟導(dǎo)軌一起延伸到遠(yuǎn)處;而直線電機(jī)的定子安裝在列車上,通以電流,列車就沿導(dǎo)軌前進(jìn)。直線電機(jī)的定子跟感應(yīng)板之間的氣隙有嚴(yán)格要求,氣隙大了會(huì)使車的牽引力不足,增加電耗;氣隙小了,容易燒壞電機(jī)。為了減少人工測量氣隙的誤差,降低勞動(dòng)強(qiáng)度,開發(fā)了直線電機(jī)氣隙檢測裝置。目前該裝置已在廣州地鐵4號(hào)線投入使用,性能較穩(wěn)定,并且測量精度基本符合要求。由于此項(xiàng)目屬科研項(xiàng)目,在使用的過程中會(huì)對(duì)設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的改善。

1 工作原理

直線電機(jī)氣隙檢測裝置能夠通過在線動(dòng)態(tài)檢測車輛直線電機(jī)相對(duì)于檢測點(diǎn)處軌平面的高度,經(jīng)系統(tǒng)軟件處理及分析計(jì)算出相應(yīng)的氣隙高度。為適應(yīng)通過列車及檢測工況的要求,裝置能夠自動(dòng)判別列車運(yùn)行方向、自動(dòng)測量及計(jì)算車輛軸速、自動(dòng)記錄軸數(shù),并根據(jù)設(shè)定的直線電機(jī)氣隙判別模型,實(shí)現(xiàn)氣隙高度值超限的預(yù)警、報(bào)警。該裝置的下位機(jī)整體安裝見圖1。

圖1 整體安裝圖

1.1 基本工作原理

當(dāng)直線電機(jī)氣隙檢測裝置識(shí)別出車輛將進(jìn)入到檢測區(qū),即列車第一軸經(jīng)過1號(hào)車輪傳感器時(shí),裝置自動(dòng)進(jìn)入接車準(zhǔn)備程序狀態(tài),系統(tǒng)初始化所有變量,并啟動(dòng)探測箱內(nèi)氣路吹去激光位移傳感器表面灰塵;確認(rèn)列車進(jìn)入檢測區(qū)間后(即車輛第1軸經(jīng)過2號(hào)車輪傳感器),系統(tǒng)啟動(dòng)天線及探測箱的保護(hù)門,開始加載激光位移傳感器電源,準(zhǔn)備采集電機(jī)高度數(shù)據(jù)和車號(hào)信息(當(dāng)有標(biāo)簽經(jīng)過天線上方時(shí),車號(hào)采集單元讀取標(biāo)簽信息);當(dāng)列車經(jīng)過激光傳感器上方時(shí),系統(tǒng)開始自動(dòng)計(jì)算車速、采集高度數(shù)據(jù);同時(shí)有標(biāo)簽經(jīng)過天線上方時(shí),則開始采集車號(hào)信息;當(dāng)判斷列車完全通過后,即列車的最后一軸經(jīng)過3號(hào)車輪傳感器時(shí),經(jīng)過一段延時(shí)時(shí)間,裝置關(guān)閉保護(hù)門、關(guān)閉天線并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理包括：截取電機(jī)高度數(shù)據(jù),計(jì)算高度數(shù)據(jù)及相關(guān)值,計(jì)軸,計(jì)輛,標(biāo)簽的重簽和錯(cuò)簽的處理,標(biāo)簽的定位,高度警報(bào)識(shí)別,存盤并形成過車報(bào)文傳送到數(shù)據(jù)管理及發(fā)布中心。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

直線電機(jī)氣隙檢測裝置共有2個(gè)探測站,一個(gè)數(shù)據(jù)管理發(fā)布中心。探測站1被安裝在廣州地鐵4號(hào)線洗車線上,探測站2被安裝在4號(hào)線檢修庫內(nèi),探測站1、探測站2的數(shù)據(jù)傳輸給DCC(車廠調(diào)度)中的數(shù)據(jù)管理發(fā)布中心。系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.3 各主要部件工作原理

1.3.1 激光位移傳感器

激光位移傳感器是整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中最重要的部件之一,被安裝在探測箱內(nèi)部,用來測量直線電機(jī)高度。每個(gè)探測箱內(nèi)安裝有2個(gè)激光傳感器,橫向排開,從而檢測直線電機(jī)的傾斜程度。傳感器測量示意圖如圖3。傳感器利用了激光三角反射原理：由傳感器探頭發(fā)射出的激光,通過特殊的透鏡被匯聚成一個(gè)直徑極小的光束;此光束被直線電機(jī)測量表面漫反射到一個(gè)分辨率極高的CCD(電荷耦合元件)圖像傳感器上;通過CCD所感應(yīng)到光束位置的不同,可精確測量被測物體位置的變化。傳感器在本系統(tǒng)中的工作原理如圖4。

圖3 傳感器測量示意圖

1.3.2 車輪傳感器工作原理

車輪傳感器在系統(tǒng)中的作用是作為車輛信號(hào)觸發(fā)、測量軸速以及控制系統(tǒng)的邏輯動(dòng)作。車輪傳感器的測量原理是：傳感器能夠以非接觸的方式識(shí)別鐵磁物質(zhì);當(dāng)鐵磁物質(zhì)即車輛輪對(duì)進(jìn)入傳感器測量范圍內(nèi)時(shí),傳感器產(chǎn)生信號(hào),當(dāng)鐵磁物質(zhì)離開傳感器測量范圍時(shí)信號(hào)消失,從而形成對(duì)車輪的識(shí)別。

1.3.3 微波天線

微波天線在本系統(tǒng)中的作用是識(shí)別車載標(biāo)簽。車號(hào)識(shí)別采用的是微波反射調(diào)制技術(shù)。地面天線發(fā)射微波并接收標(biāo)簽返回信息,解調(diào)反射回的微波信號(hào),實(shí)時(shí)地分析微波信號(hào),解讀車號(hào)信息。車號(hào)信息被存儲(chǔ)在車號(hào)標(biāo)簽內(nèi)。車號(hào)標(biāo)簽是一種RFID(電子標(biāo)簽),其內(nèi)部Flash(內(nèi)存)中存儲(chǔ)20位ASCII碼信息。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入到天線測量范圍內(nèi),微波的能量激活標(biāo)簽內(nèi)的電路;工作的電路將標(biāo)簽內(nèi)信息、車號(hào)標(biāo)簽安裝在地鐵車輛底部,當(dāng)車輛經(jīng)過天線上部時(shí),天線即讀取標(biāo)簽內(nèi)的信息。

圖4 傳感器測量示意圖

圖5 探測站主電柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.3.4 探測站結(jié)構(gòu)

軌旁設(shè)備是系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理的核心之一,主要有氣泵柜及主機(jī)柜。氣泵柜內(nèi)由空壓機(jī)及相關(guān)氣動(dòng)控制開關(guān)組成。主機(jī)柜內(nèi)包括傳感器輸入輸出控制用的電源及信號(hào)控制箱,提供系統(tǒng)AC(交流)電源的遠(yuǎn)程電源控制箱和UPS(備用電源),用于傳感器信號(hào)計(jì)算及處理的工控機(jī)等。圖5所示為主機(jī)柜組成示意圖。系統(tǒng)中各類傳感器信號(hào)通過分線箱進(jìn)入電源及信號(hào)控制箱,再轉(zhuǎn)入主機(jī)中,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。詳細(xì)信號(hào)傳輸原理如圖6。

圖6 主電柜內(nèi)信號(hào)傳輸原理

2 系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)軟件采用Microsoft公司的Vc++6.0工具開發(fā)。系統(tǒng)檢測程序主流程圖如圖7。

圖7 軟件流程圖

3 結(jié)語

直線電機(jī)氣隙檢測裝置是利用激光傳感器來測量直線電機(jī)與感應(yīng)板之間的間隙,并將每一列車的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器上,檢修人員可以直觀、準(zhǔn)確地觀察到氣隙距離。當(dāng)出現(xiàn)任何問題,該裝置將會(huì)發(fā)出警告,并通知檢修人員及時(shí)地處理。這種遠(yuǎn)程監(jiān)控模式給工作帶來了極大的方便：檢修人員可以在同一時(shí)間觀測到多臺(tái)車的直線電機(jī)情況,如有故障,可以在第一時(shí)間進(jìn)行搶修,避免了特殊事件的發(fā)生。這套系統(tǒng)還擁有遠(yuǎn)程操作功能,當(dāng)檢修人員需要關(guān)閉或重啟某一套系統(tǒng)時(shí),可以通過電話線進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,非常方便地將電源打開或者關(guān)閉。

[1] 王俊峰,孟令啟.傳感器應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[2] 郎為民.射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.