APM車輛接地檢測電路的研究

劉東亮 趙俊鵬 朱冬進(jìn) 包佳健 王振

摘 要：軌道交通車輛良好的接地狀態(tài)是保證車輛運(yùn)行的安全條件之一。APM膠輪系統(tǒng)與鋼輪系統(tǒng)的輪對(duì)型式不同，為了保持膠輪系統(tǒng)的接地，通過接地靴滑觸接地保證接地的連續(xù)性，另外，APM車輛接地和回流分開，因此為了獲得接地靴的接地狀態(tài)，研究了一種專門檢測接地靴接地狀態(tài)的電路檢測接地狀況，本文研究了一種軌道交通領(lǐng)域APM膠輪系統(tǒng)車輛的接地靴狀態(tài)檢測裝置，并對(duì)所實(shí)現(xiàn)的電路進(jìn)行了陳述。

關(guān)鍵詞：接地;APM;膠輪;檢測

地鐵車輛一般為鋼輪運(yùn)行系統(tǒng)，整個(gè)車輛的接地系統(tǒng)通過鋼輪直接和大地接地，由于APM膠輪系統(tǒng)不通過輪對(duì)保持接地，而通過單獨(dú)設(shè)置接地靴保持接地狀態(tài)良好，而接地靴是通過滑觸的方式和接地軌進(jìn)行接觸并且和回流是分開的，動(dòng)態(tài)接觸的過程是動(dòng)態(tài)的，需要對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行檢測，因此研究了一種接地靴和接地軌接觸狀態(tài)檢測的電路來獲得APM車輛接地靴接地的狀態(tài)，此狀態(tài)可以作為車輛控制策略的輸入以確保車輛的安全運(yùn)行。

1 接地環(huán)路分析

APM車輛接地回路通過車輛的2個(gè)接地靴（GROUND SHOE 1 和GROUND SHOE 2）、接地板（GROUND PAD 1 和GROUND PAD 2）、剛性接地軌（RIGID GROUND RAIL）接地行成一個(gè)環(huán)路，接地板和車體（VEHICLE BODY）連接，通過在接地環(huán)路上產(chǎn)生一個(gè)7 kHz電流信號(hào)來實(shí)現(xiàn)電流回路的狀態(tài)檢測。如下圖所示設(shè)置一個(gè)接地檢測電路板（GSLDB）來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的觸發(fā)，并且通過變壓器實(shí)現(xiàn)將電流信號(hào)反饋到接地回路中，如上圖1所示。每個(gè)接地檢測裝置有一個(gè)GSLDB和有一個(gè)外部變壓器（TRANSFORMER）組成，每輛車設(shè)置兩套接地檢測裝置。

單車接地回路中的電流信號(hào)方向如下圖2所示。

多條回路對(duì)接地檢測電路板同樣有效，接地檢測電路因此對(duì)連掛的車輛有效，為了更清晰的理解，可以參見圖3的4個(gè)接地檢測裝置的兩個(gè)電流路徑（藍(lán)色和紫色），紅色和橙色的電流路徑類似。例如：當(dāng)去掉或者接地電阻大于4 Ω并大于5 s，藍(lán)色接地檢測裝置對(duì)應(yīng)的接地靴將會(huì)導(dǎo)致藍(lán)色的接地檢測裝置報(bào)警。

2 接地檢測控制電路原理

利用PWM控制器芯片UC1842驅(qū)動(dòng)MOS開關(guān)管，使印刷電路板（PCB）上反激式變壓器正常工作，連接至外部電流互感器原邊;外部電流互感器的副邊接到列車車輪與鐵軌兩端，當(dāng)外部電流互感器副邊兩端的阻值RG發(fā)生變化時(shí)，使電流互感器副邊的電流發(fā)生變化，根據(jù)變壓器的基本原理，電流互感器的原邊電流也發(fā)生變化，然后利用電流檢測電阻R11，通過R11電壓值的變化來檢測其電流的變化，然后通過利用兩個(gè)運(yùn)算放大器控制電壓的變化，實(shí)現(xiàn)LED的點(diǎn)亮熄滅及繼電器的閉合斷開控制。

當(dāng)電阻RG>4 Ω時(shí)，互感器副邊電流減小，原邊電流增大，R11電壓值增大，通過QA1A積分運(yùn)算放大器電路和QA1B比較器，最終輸出低電平（R14與R15之間電壓），因此LED延遲5 s后熄滅，繼電器斷開;

當(dāng)電阻RG<4 Ω時(shí)，互感器副邊電流增大，原邊電流減小，R11電壓值減小，通過QA1A積分運(yùn)算放大器電路和QA1B比較器，最終輸出高電平（R14與R15之間電壓），因此LED延遲5 s后點(diǎn)亮，繼電器閉合;

當(dāng)按下測試按鈕SW1時(shí)，因?yàn)閁C1842的反饋電壓VFB變小，導(dǎo)致UC1842的輸出脈沖方波寬度變大，使反激式變壓器兩端電壓增大，最終導(dǎo)致R11兩端的電壓增大，通過QA1A積分運(yùn)算放大器電路和QA1B比較器，最終輸出低電平（R14與R15之間電壓），因此LED延遲5 s后熄滅，繼電器斷開。

電路板主要電流回路和輸入在圖4中顯示，電路板在一款“1842”脈沖寬度調(diào)制控制芯片上運(yùn)行。芯片設(shè)定在7 Hz最大占空比為50%。一個(gè)0.2 Ω的電阻用來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)Q1開關(guān)的電流。電路使用兩個(gè)變壓器，一個(gè)用來產(chǎn)生一個(gè)固定的電阻給接地檢測電路，另一個(gè)位于接地檢測裝置上的變壓器。每個(gè)變壓器都提供額外的線圈接到二極管上，二極管可以將電流反饋回電路后將能量消耗。

其中，點(diǎn)位1和2分別為控制電源DC24V的正和負(fù)，點(diǎn)位4、5、6為變壓器原邊輸出，點(diǎn)位10、11為內(nèi)部繼電器K1的輸出，點(diǎn)位7和8短接，點(diǎn)位3和9短接。

檢測是在雙運(yùn)放電路上完成的，圖4所示。QA1A積分運(yùn)算放大器電路作為一個(gè)積分電路和連接到0.2 Ω的感應(yīng)電阻（R11，圖4）。當(dāng)前端檢測電流環(huán)路檢測電阻接近4 Ω，電阻上的電壓和電路板上控制好的電壓進(jìn)行比較以使QA1A積分運(yùn)算放大器電路的狀態(tài)改變。

當(dāng)前端電流回路電阻小于4 Ω，QA1A積分運(yùn)算放大器電路的輸出是有效的，并且穩(wěn)壓二極管調(diào)節(jié)器通過一個(gè)時(shí)間常數(shù)輸出一個(gè)恒定的10 V電壓給QA1B。選擇合適的電阻和電容值來保證QA1B能夠有5 s的延遲改變狀態(tài)。QA1B用來通過晶閘管Q2提供一個(gè)開關(guān)信號(hào)輸出給繼電器K1。相反的，當(dāng)電流回路電阻超過4 Ω，過程是相反的，時(shí)間常數(shù)保證輸出繼電器K1保持4 s～6 s。

第二個(gè)變壓器安裝在電路板上產(chǎn)生一個(gè)固定的電阻給第一個(gè)變壓器作為一個(gè)短路接地環(huán)路電阻來斷開電路。通過Q1的峰值電流是5 A，當(dāng)?shù)碗娮锠顟B(tài)，電流比較大，“1842”芯片會(huì)限制占空比小于50%，并保持5 A的最大電流。當(dāng)電能量從接地回路返回，壓敏電阻TZ1和TZ2一起使用并聯(lián)在電阻CR3上用來限制Q1上的電壓。在最惡劣的情況下Q1短路，熔斷器F1用來提供故障安全保護(hù)。這確保電路在斷電并且繼電器不被激活，并指示故障。

如果每個(gè)單獨(dú)的電流環(huán)路的電阻小于4 Ω，每個(gè)接地檢測電路板將會(huì)發(fā)出一個(gè)24 V的電壓信號(hào)。如果接地檢測裝置的24 V輸入電源消失或者接地環(huán)路電阻大于4 Ω大于5 s，接地檢測電路板將會(huì)斷開輸出觸點(diǎn)。每輛車上的兩個(gè)接地檢測輸出的觸點(diǎn)串聯(lián)，只要有一個(gè)斷開，就給車輛控制系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信號(hào)。并設(shè)置5 s的延遲時(shí)間保證車輛接地靴在運(yùn)行過程中有可能發(fā)生跳動(dòng)而產(chǎn)生誤報(bào)警，保證給車輛控制系統(tǒng)報(bào)警的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)的接地檢測電路只檢測接地狀態(tài)的通斷，不檢測接地電路的接觸電阻，但是由于接地靴在接地軌上有可能跳動(dòng)導(dǎo)致接觸不良，僅僅通過檢測開關(guān)量有可能給車輛誤報(bào)警，因而設(shè)計(jì)了一種可以檢測接地電阻大小并且設(shè)置延遲的電路，通過將接地狀態(tài)7 kHz電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路檢測電阻值改變晶閘管控制繼電器狀態(tài)信號(hào)發(fā)送到車輛控制系統(tǒng)，此電路應(yīng)用在以APM車輛為代表的膠輪系統(tǒng)中，可以很好的為車輛提供了接地狀態(tài)檢測，為車輛安全運(yùn)行提供信號(hào)輸入。

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