基于电磁感应的移动机车位置检测方法研究

基于电磁感应的移动机车位置检测方法研究

1无线感应位置检测方法在工业生产中，正确识别大型移动车辆是非常重要的。无线感应技术是20世纪70年代末在日本发展起来的,主要是针对工业生产中大型移动机车的自动化而研制的。日本三菱公司、FULUKAWA公司、安川公司和美国AB公司对于移动机车的自动化均采用无线感应技术。国内最早开始研究应用无线感应技术的是岳阳市电子研究所,该研究所与上海电气自动化研究所等单位开展过该技术的研究。岳阳千盟电子有限公司在无线感应位置检测方面进行了深入研究,成功地解决了工业移动机车实现计算机集中管理控制的两大难题:中央控制室与移动机车间可靠的数据通信移动机车所在位置的位置检测。本文设计了新型无线感应位置检测方法,通过移动机车天线箱中的感应线圈与轨道旁编码电缆中传输对线间的电磁感应,得到移动机车的位置。无线感应位置检测的关键部件是编码电缆和天线箱,两者保持5~20cm的距离。新型无线感应位置检测具有以下特点:(1)可进行绝对位置检测,重复性好;(2)可进行连续位置检测,检测精度高;(3)可进行非接触式检测,安全性好;(4)检测方式多样,适用性强;(5)抗干扰性强,可靠性高。2新无线传感器系统的结构和原理2.1中央控制室及客车部分新型无线感应技术构成的系统,主要由中央控制室、移动机车和编码电缆3部分构成。中央控制室部分包括主控计算机和地面局;机车部分是机上局,感应天线箱安装在移动机车上随机车移动,且始终与编码电缆保持距离z(z≈10cm);编码电缆部分由编码电缆、连接电缆、匹配阻抗构成。无线感应系统模型如图1所示。2.2发送线圈间距天线箱线圈为矩形多圈线圈,编码电缆中任何一传输对线的一个网孔可看成矩形单圈线圈。当在发送线圈中通交变电流,则在靠近发送线圈的编码电缆中的每一个传输对线中会产生感应电动势;同理,若在编码电缆中任何一传输对线中通过交变电流,则在靠近编码电缆的天线箱线圈中也会产生感应电动势。通过检测感应电动势的相位和幅度,得到天线箱所在的位置。发送线圈宽度与传输对线两交叉间距相等,都为W(W=2r);传输对线横向间距为B。定义x为移动机车上发送线圈中心线对应位置;传输对线两交叉间的区域称为K区域(K=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,…);发送线圈中心线偏离所在K区域中心线距离为d。位置关系如图2所示。在图2中,发送线圈是指移动机车上的天线箱线圈,感应线圈是指编码电缆中的传输对线线圈。由于存在一个交叉,传输对线相邻两个区域产生的感应电动势相位相反。从端口得到的传输对线产生的感应电动势e是发送线圈所对着的相邻两个区域产生的感应电动势的合成,e的相位与感应线圈中心线所对着的区域产生的感应电动势相位相同。设发送线圈处于Ⅰ区域时,传输对线产生的感应电动势为eⅠ;令n为发送线圈中心线前传输对线交叉次数。若n为偶数,e与eⅠ相位相同;n为奇数时,e与eⅠ相位相反。若以eⅠ相位为基准,则e的相位系数为(-1)n。感应线圈产生的感应电动势e的幅度A与有效感应面积成正比。图2中,在位置1:d=0,有效感应面积S=Smax=W×B为最大,感应电动势的幅度A=Amax;位置3:d=r,有效感应面积S=0,A=0;位置2:有效感应面积S=(W-2d)×B,产生的感应电动势的幅度和大小分别为得3新型无线传感器位置的检测3.1g传输对线交叉点位置设计编码电缆中有R、G、G0′三类传输对线。1)R传输对线长距离检测时,需将标准长度为L的编码电缆连接起来,采用R传输对线分段技术:Ri对线仅在i段叉开(i=0,1,2…),在其余段双绞。2)G传输对线编码电缆内有若干对G传输对线G0,G1,…,Gn-1,按格雷码规则交叉编制,避免了发送线圈处在G传输对线交叉点时可能造成的误差。n的大小取决于R线的标准长度L和任意两G线最小交叉距离r。编码电缆结构图如图3所示。3)G0′传输对线如图3所示,编码电缆内有一对G0′传输对线,G0′传输对线与G0传输对线的交叉间距相同,但交叉处与G0传输对线错开距离r。3.2gj与ri传输的相位比较当通过发送线圈发送载波信号时,编码电缆各传输对线中会产生感应信号,若从Ri传输对线检测的信号幅度最大,则发送线圈位于第i段。由于Ri在i段不交叉,故以接收信号幅度最大的Ri传输对线感应的信号相位作为基准相位。各路G传输对线感应的信号与之进行相位比较,若Gj与Ri同相记Gj=0,反相记Gj=1。由于各路G对线按照格雷码规则交叉,相位比较的结果数据G2G1G0是一组格雷码(为分析方便只写3对G传输线),设格雷码G2G1G0对应的十进制数为g,可得APD位置公式为APD的检测精度为G线任意两交叉的间距r。3.3应力电动势测试设发送线圈中心线偏离G0和0G′两交叉中心的距离分别为d0、d1,显然r=d0+d1;A(G0)、A(G0′)分别为检测到的G0、G0′产生的感应电动势的幅度。由公式(1)可得令且有:1)线圈1的中心位于G0两交叉间左半部,如图3位置(1),此处检测出的APD位置数据g为奇数(g=1),则有:HRPD=d1=P0×r。2)发送线圈的中心位于0G′两交叉间左半部,如图3位置(2),此处检测出来的APD位置数据g为偶数(g=4),则有:HRPD=d0=P1×r。综合(1)(2),得HRPD为进而可得综合位置ADD为3.4发送线圈处于位置假定发送线圈位于第1段(i=1),R线的标准长度L=100m,r=10cm。发送线圈分别处于图3中的位置(1)、(2)、(3),则有:1)发送线圈处于位置(1)若测得传输对线G0、G0′的幅度为则由公式(7)~(10)得2)发送线圈处于位置(2)若测得传输对线G0、G0′的幅度分别为同理可得3)发送线圈处于位置(3)若A(G0)=0,0maxA(G′)=A,可得P0=0,P1=1。由于A(G0)=0,G0感应信号与基准R信号比较,相位相同(即为0)或相反(即为1)。所以,210GGG=100或210GGG=101。则有:1)选G2G1G0=100综上,均有:ADD=10070cm。4相位比较检测系统电路编码电缆中各传输对线经过连接电缆引到电路端口,通过变压器隔离后,各路R、G信号分别送到模拟开关1、2。当机上局通过发送线圈发送信号时,编码电缆中各地址对线也会感应耦合到发送线圈发送的信号,CPU控制模拟开关,选择其中一个R(G)信号经过放大、带通滤波后,一路经由波形变换电路变换成方波信号,由异或门进行相位比较;另一路经过整流滤波后送到A/D转换器,由CPU对该信号幅度采样。检测系统电路模型如图4所示。检测电路工作原理:CPU控制模拟开关1,分别选择R0,R1,…Rk,通过A/D1对各R信号幅度采样,找到幅度最大的信号Ri,得到段位置i,并将Ri作为相位比较基准信号;CPU控制模拟开关2,分别选择传输对线Gn-1,Gn-2,…,G1,G0的信号,所选择的Gj信号与Ri信号经过波形变换成方波后由异或门进行相位比较,CPU读取比较结果并进行运算而得到APD位置数据g;CPU控制模拟开关2,分别选择G0、G0′,通过A/2D对G0、G0′信号幅度采样,得到A(G0)、A(G0′);最后将各数据代入公式(7)~(10),可得移动机车位置。5实验数据分析实验条件:编码电缆长度6.4m,r=10cm,内有8对传输对线R,G5,G4,G3,G2,G1,G0,G0′;采用地面检测方式,A/D1与A/D2采用12位A/D转换器;天线箱与编码电缆保持5cm的距离。实验方法:测得A(G0)=30,A(G0′)=3645,g=11,以此点作为绝对位置ADD=1100mm。并往大位置每隔2mm移动一次,并记录所检测的A(G0)和A(G0′),一直移到x=1300mm处(ADD=1300mm),共测得101组数据。表1给出了部分检测数据和计算结果。将101组实验检测数据用描点法画出来,得位置检测实验数据对应图形如图5所示。在图5中,原点对应的横坐标位置数据为1100mm纵轴对应实测数据A(G0)和A(G0′),为观察清晰将P0扩大了5000倍,即P0=1对应纵轴5000。实验结果说明:1)位置检测值与实际地址位置偏差较小;2)位置检测精度高,分辨率为2mm。为了减小误差,实际应用中将多次实验的数据制成表格,计算出HRPD,并进行修正。用来进行高精度位置检测的方式还有拉绳式传感器、激光测距和条形码等技术。这些检测技术存在的普遍问题是测量距离短,不适合工业生产中大型移动机车长距离位置检测和定位要求。各位置检测技术综合指标如表2所示。由表2可知,与其他位置检测方式相比,新型无线感应位置检测综合指标较高,在大型工业有轨机车长距离位置检测和精确定位中优势明显。6基于无线感应的位置检测方法在焦炉工业本文设计的新型无线感应位置检测系统,是利用编码电缆中传输对线和天线箱线圈的电磁感应来实现移动机车位置检测的,采