Кіріспе

Тахометрдің түрі Доңғалақтың жылдамдық датчигі (WSS) немесе көліктің жылдамдық датчигі (VSS) – тахометрдің бір түрі. Ол көліктің дөңгелегінің айналу жылдамдығын өлшеуге арналған құрылғы. Ол әдетте тісті сақина мен сенсордан тұрады.

Мақсаты

Дөңгелектің жылдамдық датчигі бастапқыда дөңгелектерден жылдамдық көрсеткішке дейінгі механикалық байланысты алмастыру үшін қолданылды, бұл кабельдің жұлынуын болдырмады және қозғалмалы бөлшектерді жою арқылы көрсеткіштің құрылымын жеңілдетті. Бұл датчиктер сондай-ақ АБС сияқты автоматтандырылған жүргізу көмекші құралдарының жұмыс істеуіне қажетті деректерді де шығарады.

Құрылыс

Дөңгелектің жылдамдығын анықтаудың ең көп таралған жүйесі ферромагниттік тісті релюктор сақинасынан (тон дөңгелегі) және сенсордан (пассивті немесе белсенді болуы мүмкін) тұрады. Тон дөңгелегі әдетте болаттан жасалады және ашық конструкцияда немесе жабық болуы мүмкін (мысалы, біріктірілген подшипниктерде). Тіс санының таңдалуы төмен жылдамдық сенсорлау/дәлдігі мен жоғары жылдамдық сенсорлау/құны арасындағы тепе-теңдікке байланысты. Көп тіс саны үшін көбірек өңдеу операциялары қажет, және (пассивті сенсорлар үшін) қабылдаушы жағында оңай интерпретацияланбауы мүмкін жоғары жиілікті шығу сигналын тудырады, бірақ жақсы ажыратымдылық пен сигнал жаңарту жылдамдығын қамтамасыз етеді. Күрделі жүйелерде тістер асимметриялық пішіндес болуы мүмкін, бұл сенсорға дөңгелектің алға және кері айналуын ажыратуға мүмкіндік береді. Пассивті сенсор әдетте тон дөңгелегінен радиалды бағытта созылатын ферромагниттік таяқтан және оның қарама-қарсы жағында орналасқан тұрақты магниттен тұрады. Таяқ жұқа сыммен оралған, ал тон дөңгелегі айналғанда тістердің магнит өрісіне әсер етуі нәтижесінде индукцияланған айнымалы кернеу пайда болады. Пассивті сенсорлар дөңгелектің жылдамдығымен пропорционалды амплитудасы және жиілігі жоғарылайтын синусоидалық сигнал шығарады. Пассивті сенсордың бір түріне магниттің қажеті болмайды, оның орнына айнымалы магниттік полюстерден тұратын тон дөңгелегі айнымалы кернеуді тудырады. Бұл сенсордың шығысы синусоида емес, көбінесе тіктөртбұрышты толқынға ұқсайды, бірақ дөңгелектің жылдамдығы артқан сайын амплитудасы да артады. Белсенді сенсор – құрылғыға енгізілген сигналды кондициялау схемасы бар пассивті сенсор. Бұл сигналды кондициялау сигналдың амплитудасын күшейтуді, сигналдың пішінін PWM, тіктөртбұрышты толқын немесе басқа формаларға өзгертуді, немесе деректерді беру алдында оларды байланыс протоколына кодтауды қамтиды.

Вариациялар

Көлік жылдамдығы датчигі (VSS) шын мәнінде дөңгелек жылдамдығы датчигі болуы мүмкін, бірақ әрқашан солай болмайды. Мысалы, Ford AOD берілісінде VSS артқы осьтің кеңейтім корпусына орнатылған және өздігінен тон сақинасы мен датчиктері бар. Бұл дөңгелектің нақты жылдамдығын көрсетпесе де (дифференциалы бар осьтегі әр дөңгелек әртүрлі жылдамдықпен айналуы мүмкін, және олардың соңғы жылдамдығы тек жетек білігіне ғана байланысты емес), қалыпты жүргізу жағдайларында жылдамдық өлшегіш сигналын беру үшін жеткілікті және 1987 жылғы және одан кейінгі Ford F Series көліктеріндегі артқы дөңгелектің ABS жүйелерінде, ABS-пен жабдықталған алғашқы пикаптарда қолданылды.

Жол көліктері

Дөңгелек айналу жылдамдығын сезетін сенсорлар – құлыптауға қарсы тежегіш жүйенің маңызды бөлігі болып табылады.

Темір жол көліктерінің айналу жылдамдығын өлшегіштері

Теміржол көлігінің, мысалы локомотивтің немесе бірнеше вагонды құрастың көптеген жүйелері кейбір жағдайларда жылдамдықты немесе жылдамдықтың өзгеруін өлшеу үшін сенімді және дәл айналу жылдамдығы сигналына тәуелді. Бұл әсіресе жетекті басқаруға, сондай-ақ дөңгелектердің сырғанауын қорғауға, тіркеуге, пойызды басқаруға, есіктерді басқаруға және тағы да басқаларға қатысты. Осы міндеттерді көлік құралының әртүрлі бөліктерінде орналасқан бірнеше айналу жылдамдығын сезетін құрылғылар орындайды. Жылдамдық датчиктерінің бұзылуы жиі кездеседі және олар негізінен теміржол көлігіндегі өте қиын жұмыс жағдайларына байланысты. Тиісті стандарттарда сынақ критерийлері егжей-тегжейлі көрсетілген, бірақ іс жүзінде кездесетін жағдайлар көбінесе одан да қиын (мысалы, соққы/діріл және әсіресе электромагниттік үйлесімділік (ЭМҮ)).

Моторлардың айналу жылдамдығын өлшегіштері

Темір жол көліктері кейде сенсорсыз жетектерді қолданса да, көпшілігіне реттегіш жүйесі үшін айналу жылдамдығы сенсоры қажет. Ең көп таралған түрі – қозғалтқыш білігінде немесе беріліс қорабында тісті дөңгелекті сканерлейтін екі каналды сенсор, ол осы мақсатқа арналған немесе жетек жүйесінде болған болуы мүмкін. Қазіргі заманғы Холл эффекті сенсорлары магнит өрісінің модуляциясы принципі бойынша жұмыс істейді және m = 1 мен m = 3,5 арасындағы модулі бар ферромагниттік мақсатты дөңгелектерге (D.P.=25 – D.P.=7) арналған. Тіс пішіні екінші реттік маңызды; инволютті немесе тікбұрышты тістіліктері бар мақсатты дөңгелектерді сканерлеуге болады. Дөңгелектің диаметрі мен тістеріне байланысты айналымға 60 мен 300 импульс алуға болады, бұл төменгі және орташа тартымдылық күші бар жетектер үшін жеткілікті. Бұл типтегі сенсор әдетте екі Холл сенсорынан, сирек кездесетін жер магнитінен және тиісті бағалау электроникасынан тұрады. Магниттің өрісі мақсатты тістердің өтуімен модуляцияланады. Бұл модуляцияны Холл сенсорлары тіркейді, салыстырғыш сатысымен шаршы толқын сигналына айналдырады және күшейткіш сатысында күшейтеді. Холл эффекті температураға байланысты өте өзгеріп отырады. Сенсорлардың сезімталдығы және сигналдың ауытқуы ауа аралығына ғана емес, сонымен қатар температураға да байланысты. Бұл сенсор мен мақсатты дөңгелек арасындағы рұқсат етілген ауа аралығын да азайтады. Бөлме температурасында 2–3 мм ауа аралығын модуль m = 2 типті мақсатты дөңгелек үшін қиындықсыз қабылдауға болады, бірақ қажетті температура диапазонында –40 °C – 120 °C тиімді сигналды тіркеу үшін ең үлкен аралық 1,3 мм-ге дейін төмендейді. Модулі m = 1 кішігірім қадамды мақсатты дөңгелектер көбінесе уақыт ажыратылуын арттыру немесе құрылысты ықшам ету үшін қолданылады. Бұл жағдайда ауаның ең үлкен мүмкін арақашықтығы 0,5–0,8 мм-ге дейін ғана. Жобалаушы инженер үшін сенсордың аяқтаған көрінетін ауа аралығы, ең алдымен, нақты машинаның дизайнының нәтижесі, бірақ айналу жылдамдығын тіркеу үшін қандай шектеулер қажет болса, соған бағынады. Егер бұл ауаның ықтимал арақашықтығы өте кіші аралықта болуы керек дегенді білдірсе, онда бұл қозғалтқыш корпусының және мақсатты дөңгелектің механикалық толеранттарын шектейді, бұл жұмыс кезінде сигналдың жоғалуын болдырмайды. Бұл тәжірибеде, әсіресе модуль m = 1 кішірек қадамды мақсатты дөңгелектерде және толеранттар мен экстремалды температуралардың қолайсыз комбинацияларында проблемалар болуы мүмкін. Сондықтан мотор өндірушінің, тіпті пайдаланушының көзқарасы бойынша жылдамдық сенсорларын ауа аралығының кең ауқымымен іздеу жақсы. Холл сенсорларының негізгі сигналы ауа аралығы ұлғая түскен сайын амплитудасын күрт жоғалтады. Холл сенсорларын өндірушілер үшін бұл Холл сигналының физикалық түрде пайда болған ауытқулары үшін барынша мүмкін болатын өтемақыны қамтамасыз етуі керек дегенді білдіреді. Бұны істеудің дәстүрлі тәсілі – сенсордағы температураны өлшеу және осы ақпаратты ауытқуды өтеуге пайдалану, бірақ бұл екі себеппен сәтсіз: біріншіден, ауытқу температурамен сызықтық өзгермейді, ал екіншісі, тіпті ауытқудың белгісі де барлық сенсорлар үшін бірдей емес. Кейбір сенсорлар қазір интеграцияланған сигнал процессорын ұсынады, ол Холл сенсор сигналдарының ауытқуын және амплитудасын түзетуге тырысады. Бұл түзету жылдамдық сенсорінде рұқсат етілген ең үлкен ауа аралығын кеңейтеді. Модульді m = 1 мақсатты дөңгелекте бұл жаңа сенсорлар 1,4 мм ауа аралығына төтеп бере алады, бұл m = 2 мақсатты дөңгелектердегі дәстүрлі жылдамдық сенсорларына қарағанда кеңірек. Модульді m = 2 мақсатты дөңгелекте жаңа жылдамдық сенсорлары 2,2 мм-ге дейінгі арақашықтықты қабылдауға болады. Сонымен қатар сигнал сапасын айтарлықтай арттыруға мүмкіндік болды. Екі арна арасындағы жұмыс циклі мен фазалық орын ауыстыруы ауаның ауытқуы мен температураның ауытқуына қарамастан кем дегенде үш есе тұрақты. Сонымен қатар, күрделі электроникаға қарамастан, жаңа жылдамдық сенсорлары үшін ақаулар арасындағы орташа уақытты 3–4 есеге ұлғайту мүмкін болды. Олар тек қана нақты сигнал беріп қана қоймай, сонымен қатар сигналдың қол жетімділігі де айтарлықтай жақсарады. Гейрлі Холл эффекті сенсорларға балама ретінде [магниттік кедергілерді] пайдаланатын сенсорлар немесе кодтаушылар қолданылады. Мақсатты дөңгелек белсенді, көп полюсті магнит болғандықтан, ауа саңылаулары одан да үлкен, 4,0 мм-ге дейін болуы мүмкін. Магниттік кедергі сенсорлары бұрышқа сезімтал және амплитудаға сезімсіз болғандықтан, ауа аралығының өзгеруіне байланысты Холл сенсорларына қарағанда сигнал сапасы артады. Сонымен қатар сигнал сапасы жоғары, сенсор/кодтаушыда немесе сыртқы тізбекте [интерполяциялауға] мүмкіндік береді.

Қосалқы подшипниктері бар моторлы кодтаушылар

Интеграцияланған подшипниктері жоқ Холл сенсорларының қамтамасыз ете алатын импульстар саны шектеулі: 300 мм диаметрлі мақсатты дөңгелекпен әдетте айналымға 300 импульстан аспайды. Бірақ көптеген локомотивтер мен электрлік көп бірліктерге (ЭМБ) тарту конвертерінің дұрыс жұмыс істеуі үшін, мысалы, төмен жылдамдықтарда тарту реттегішіне қатысты қатаң шектеулер болғанда, импульстардың жоғары саны қажет. Мұндай Холл эффекті сенсорларын қолдану құрамындағы кішірек ауа саңылауына төзімділік беретін кіріктірілген подшипниктерден пайда көруі мүмкін, себебі нақты сенсордың бос орынға ие болуы мотор подшипнігіне қарағанда әлдеқайда төмен. Бұл өлшеу шкаласы үшін m = 0,22 модуліне дейін әлдеқайда кішігірім қадамды таңдауға мүмкіндік береді. Сол сияқты, магниттік кедеріс сенсорлары интеграцияланған подшипниктері бар моторлық кодтаушыларда қолданылғанда Холл сенсорларына қарағанда тіпті жоғары ажыратымдылық және дәлдік ұсынады. Сигналдың одан да үлкен дәлдігі үшін дәлдік кодтаушыны қолдануға болады. Екі кодтаушының жұмыс принциптері ұқсас: көп арналы магниттік кедеріс сенсоры 256 тісті мақсатты дөңгелекті сканерлеп, синус және косинус сигналдарын жасайды. Синус/косинус сигналдарының кезеңдерінен тікбұрышты импульстарды жасау үшін арктангенстік интерполяция қолданылады. Дәлдік кодтаушы сондай-ақ амплитуда және смещение түзету функцияларына ие. Бұл сигнал сапасын одан әрі жақсартуға мүмкіндік береді, бұл тартуды реттеуді едәуір жақсартады.

Тікұшақсыз дөңгелекті жылдамдық сенсорлары

Желілік көліктің көптеген дөңгелек жиынтықтарында қозғалтқышсыз жылдамдық сенсорлары кездеседі. Олар негізінен дөңгелектің сырғуынан қорғау үшін қолданылады және әдетте дөңгелектің сырғуынан қорғау жүйесін өндірушімен бірге жеткізіледі. Бұл сенсорлар жеткілікті кішкентай ауа саңылауын қажет етеді және өте сенімді болуы керек. Дөңгелектің сырғуынан қорғауға арналған айналмалы жылдамдық сенсорларының ерекшелігі – олардың кіріктірілген бақылау функциялары. Сынық кабельдерді анықтау үшін 7 мА/14 мА ток шығаратын екі сымды сенсорлар қолданылады. Басқа конструкциялар сигнал жиілігі 1 Гц-тен төмен түскен кезде шамамен 7 В шығыс кернеуін қамтамасыз етеді. Тағы бір әдіс – қуат көзі 50 МГц жиілігімен кезеңдік түрде модуляцияланғанда сенсордан 50 МГц шығыс сигналын анықтау. Көптеген екі арналы сенсорлар электрлік оқшауланған арналармен жабдықталған. Кейде дөңгелектің сырғуына қарсы қорғаныш сигналын тартылым қозғалтқышынан алу қажет болады, онда шығыс жиілігі дөңгелектің сырғуына қарсы қорғаныш электроникасы үшін тым жоғары болуы мүмкін. Мұндай жағдайларда жиілікті бөлетін немесе энкодері бар жылдамдық сенсорын пайдалануға болады.

Интеграцияланған подшипникті дөңгелекті импульстік генератор

Темір жол көлігі, әсіресе локомотив, жеке, электрлік оқшауланған жылдамдық сигналдарын қажет ететін көптеген жүйелерге ие. Көбінесе жеке импульс генераторларын орнатуға жеткілікті орнату орындары немесе кеңістік болмайды. Дөңгелек жиынтығының подшипник қабықшаларына немесе қақпақтарына фланец арқылы бекітілетін көп арналы импульс генераторлары бұл мәселені шешеді. Бағытсыз жылдамдық сенсорларын пайдалану қосымша кабельдерді талап етеді, олар сыртқы жабдықтар үшін қолайсыз, себебі, мысалы, ұшып келетін рельс балластынан зақымдануға осал.

Оптикалық сенсор

Бірден төрт арнаға дейін іске асырылуы мүмкін, әрбір арнада фотосенсор болады, ол тесіктелген дискідегі ең көп дегенде екі сигнал жолының біреуін сканерлейді. Тәжірибе көрсеткендей, осы техникамен қол жеткізілетін арналардың саны әлі де жеткіліксіз. Сондықтан, көптеген жүйелер дөңгелектің сырғанауын болдырмау электронды құрылғысынан циклмен берілетін сигналдармен қанағаттануға мәжбүр, демек, қол жетімді импульстардың санын қабылдауға шарасыз, бірақ жеке жылдамдық сигналының артықшылықтары болуы мүмкін. Оптикалық сенсорлар өнеркәсіпте кеңінен қолданылады. Олардың ұзақ жылдар бойы сенімді жұмыс істеуіне екі негізгі фактор кедергі келтіреді: оптикалық компоненттер ластануға өте сезімтал, ал жарық көзі тым жылдам тозады. Ластану линза арқылы өтетін жарық мөлшерін азайтып, сигналдың үзілуіне әкелуі мүмкін. Сондықтан, мұндай кодтаушылардың герметикалық жабылуы өте маңызды. Импульс генераторларын шұғына нүктесінен асып түсетін ортада қолданғанда қосымша қиындықтар туындайды: линзалар буланып, сигнал жиі үзіледі. Жарық көздері ретінде жарықдиодтар (LED) қолданылады. Бірақ LED-тер әрқашан тозуға ұшырайды, нәтижесінде бірнеше жылдан кейін сәуленің күші айтарлықтай төмендейді. Бұл мәселені шешу үшін LED арқылы өтетін токты біртіндеп арттыратын арнайы реттегіштер қолданылады, бірақ өкінішке орай, бұл тозу процесін одан әрі жылдамдатады.

Магниттік сенсор

Ферромагниттік өлшеуіш шкаланы магниттік түрде сканерлеуде қолданылатын принцип мұндай кемшіліктерге ұшырамайды. Магниттік кодтағыштарды көп жылдар бойы қолдану тәжірибесінде пломбаның бұзылуына және импульс генераторларының тежегіш тозаңы мен басқа да ластанулардың қалың қабатымен толығымен жабылуына куә болдық, бірақ мұндай генераторлар бәрібір өте жақсы жұмыс істеді. Дәстүрлі түрде, магниттік сенсорлық жүйелер оптикалық жүйелерге қарағанда қымбат болған, бірақ бұл айырмашылық қарқынды түрде азайып барады. Магниттік Холл және магниттік кедеріс сенсорлық жүйелерін пластик немесе толық құю материалдарына ендіруге болады, бұл механикалық сенімділікті арттырады және су мен майдан зақымданудың алдын алады. Дөңгелек айналу жылдамдығын өлшеу сенсорлары гистерезис сипаттамасына да ие болуы мүмкін. Бұл көлік тоқтаған кезде пайда болатын қосымша импульстарды жояды. Осы принципке сәйкес жасалған импульс генераторлары 2005 жылдың басынан бері бірнеше теміржол операторларымен сынақтан өтті. EN 50155 стандартында белгіленген типтік сынақтар да сәтті аяқталды, сондықтан бұл импульс генераторларын енді жеткізуге болады.

Ішкі-журналдық богинялар үшін интеграцияланған подшипниктері бар дөңгелекті импульс генераторлары

Ішкі журналдардағы доңғалақты тіреу құрылымдары импульс генераторын жобалаушыға ерекше талаптар қояды, себебі олардың соңында дөңгелек осінің айналуын тіркеуге арналған негіз ретінде қызмет ететін подшипник қақпағы болмайды. Осы жағдайда импульс генераторы дөңгелек жинағына бекітілген ось мүсініне орнатылуы керек, ал оның айналуын болдырмау үшін доңғалақты тіреу құрылымының қаңқасына айналым моментін беруге арналған құрылғы қосылуы тиіс. Бұл жердегі күшті діріл импульс генераторының подшипнигіне айтарлық жүктеме түсіреді, бұл орнату әдісімен импульс генераторының өзінің салыстырмалы түрде аз салмағын ғана емес, сонымен қатар бүкіл импульс генераторының салмағын көтеруге мәжбүр етеді. Подшипник қызмет ету мерзімі жүктеме күшінің кемінде үшінші дәрежесімен төмендейтінін ескерсек, мұндай жағдай үшін сенімді және берік импульс генераторын сыртқы журналдардағы доңғалақты тіреу құрылымдары үшін қолданылатын стандартты импульс генераторын аралық фланц немесе ұқсас конструкция орнату арқылы ғана бейімдеу мүмкін емес. Мұндай ортаға қатысты талаптарға бейімделген, өзгертілген конструкцияға ие импульс генераторының болуы қажет.

Магнитсіз мақсатты дөңгелектерге немесе swarf шығаратын қолданбаларға арналған жылдамдық сенсорлары

Кейбір көлік компаниялары ерекше мәселеге тап болады: қозғалтқыштарды салқындататын ауа айналымы дөңгелектер мен рельстерден тозаңды алып жүреді. Бұл тозаң магниттік сенсорлардың басына жиналады. Сонымен қатар, сенсорлар алюминийден жасалған мақсатты дөңгелектерді сканерлеуі тиіс, мысалы, импеллерлер алюминий қорытпасынан жасалғандықтан және өндіруші жеке ферромагниттік тісті қалыптастыруды қаламайды. Мұндай жағдайлар үшін мақсатты магнитті қажет етпейтін жылдамдық сенсорлары қолжетімді. Бірнеше жіберуші және қабылдаушы орамдар 1 МГц шамасындағы жиілікте ауыспалы электр өрісін жасау үшін пайдаланылады, содан кейін жіберушілер мен қабылдаушылар арасындағы байланыстың модуляциясы бағаланады. Бұл сенсор магниттік сенсорлармен орнату және сигнал бойынша үйлесімді; көптеген мақсатты дөңгелек модульдері үшін құрылғыларды басқа шаралар қолданбастан ауыстыруға болады.

Интерполяциямен жылдамдық сенсорлары

Клиенттер жиі қол жетімді кеңістікте және ең кіші модульмен m = 1 қол жеткізілетіннен гөрі айналымға импульстардың жоғары санын қалайды. Осы мақсатқа жету үшін интерполяция мүмкіндігі бар сенсорлар қолданылады. Олар бастапқы дөңгелектегі тістер мен магниттік полюстердің санын 264 есеге арттыратын шығыс береді. Дәлдік сенсордың кіріс сапасына байланысты: Холл сенсорлары төмен құнмен, бірақ төмен дәлдікте, ал магниттік резистивті сенсорлар жоғары құнмен, бірақ жоғары дәлдікте болады.