摘要：在有軌機(jī)車自動(dòng)控制中，需要對(duì)移動(dòng)機(jī)車位置進(jìn)行精確測(cè)量，為此設(shè)計(jì)了一套感應(yīng)無線位置檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于電磁感應(yīng)原理，通過檢測(cè)天線箱線圈與編碼電纜的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相位和幅度，得到移動(dòng)機(jī)車的位置。介紹了感應(yīng)無線位置檢測(cè)系統(tǒng)的基本框架，闡述了系統(tǒng)基本工作原理，推導(dǎo)了位置檢測(cè)公式，設(shè)計(jì)了位置檢測(cè)電路模型，并進(jìn)行了無線感應(yīng)位置檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：感應(yīng)無線位置檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)精度高，抗干擾能力強(qiáng)，可滿足移動(dòng)機(jī)車精確定位的要求。

0 引言

工業(yè)作業(yè)機(jī)車的自動(dòng)定位是機(jī)車自動(dòng)化操作的基礎(chǔ)，它要求檢測(cè)裝置能精確、快速、可靠地檢測(cè)機(jī)車行走位置。感應(yīng)無線技術(shù)是二十世紀(jì)七十年代末在日本發(fā)展起來的一項(xiàng)新的工業(yè)應(yīng)用技術(shù)，主要是針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中大型移動(dòng)機(jī)車的自動(dòng)化而研制的。感應(yīng)無線位置檢測(cè)是通過安裝在移動(dòng)機(jī)車上的天線箱中的感應(yīng)線圈與敷設(shè)在地面軌道旁的編碼電纜中傳輸對(duì)線之間的電磁感應(yīng)，檢測(cè)感應(yīng)信號(hào)的相位與幅度，從而得到移動(dòng)機(jī)車的位置。感應(yīng)無線位置檢測(cè)的特點(diǎn)是重復(fù)性好、檢測(cè)精度高、安全性好、適用性強(qiáng)、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高。

1 感應(yīng)無線位置檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

自動(dòng)控制系統(tǒng)中，必須解決兩個(gè)基本問題：a.控制和受控雙方可靠的數(shù)據(jù)通信；b.移動(dòng)機(jī)車所在位置的位置檢測(cè)。感應(yīng)無線位置檢測(cè)系統(tǒng)，將感應(yīng)無線數(shù)據(jù)通信和位置檢測(cè)融合在一個(gè)系統(tǒng)中，它由位置信號(hào)發(fā)生器、編碼電纜、感應(yīng)天線、位置檢測(cè)器組成。其中感應(yīng)天線箱安裝在移動(dòng)機(jī)車上隨機(jī)車移動(dòng)，且始終與編碼電纜保持距離z；編碼電纜部分由編碼電纜、連接電纜、匹配阻抗構(gòu)成。感應(yīng)無線位置檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 感應(yīng)無線位置檢測(cè)系統(tǒng)框圖

2 感應(yīng)無線位置檢測(cè)方法研究

2.1 APD檢測(cè)

一般位置檢測(cè)（APD）原理：中控室地面局按一定順序，分時(shí)向編碼電纜中各檢測(cè)位置傳輸對(duì)線發(fā)送載波信號(hào)，天線箱中的感應(yīng)線圈作接收線圈，移動(dòng)機(jī)車上的位置檢測(cè)器檢測(cè)接收線圈收到的載波信號(hào)，進(jìn)而得到接收線圈的位置。APD檢測(cè)結(jié)構(gòu)平鋪圖如圖2所示。

圖2 APD檢測(cè)結(jié)構(gòu)平鋪圖

在t0、t1、t2、t3、t4時(shí)間段，分別向傳輸對(duì)線R、R’、G2、G1、G0發(fā)送載波信號(hào)，在t5時(shí)間段不發(fā)送。車上天線箱中有兩個(gè)接收線圈：接收線圈0和接收線圈1。APD檢測(cè)是從接收線圈0感應(yīng)信號(hào)的相位中得到APD位置。在t0時(shí)間段，線圈0感應(yīng)的是R線發(fā)送的信號(hào)，稱為R信號(hào)；在t1時(shí)間段，線圈0感應(yīng)的是R’信號(hào)，R’信號(hào)與R信號(hào)反相，記為=1，作為起始位；在t2時(shí)間段，線圈0感應(yīng)的是G2線發(fā)送的信號(hào)，G2=0或1，取決于接收線圈0的位置。若接收線圈0的中線分別在①、②、③、④的位置，則接收線圈0的接收信號(hào)的相位如圖3所示。

圖3 接收信號(hào)相位示意圖

由于各路G對(duì)線按照格雷碼規(guī)則交叉，所以相位比較的結(jié)果數(shù)據(jù)G2 G1 G0是一組格雷碼，設(shè)格雷碼G2 G1 G0對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為g，即g為APD位置數(shù)據(jù)。對(duì)圖3中的二進(jìn)制絕對(duì)相移鍵控（2PSK）調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并以=1作為起始位，則有：在圖2的位置①， G2 G1 G0=000，g=0；在位置②，G2 G1 G0=010，g=3；在位置③，G2 G1 G0=110，g=4；在位置④， G2 G1 G0=111或101，g=5或6。可得到APD位置公式為：

2.2 HRPD檢測(cè)

高分辨率位置檢測(cè)（HRPD）原理：位置信號(hào)發(fā)生器分別對(duì)傳輸對(duì)線G0、發(fā)送載波，檢測(cè)接收天線線圈1感應(yīng)信號(hào)幅度，通過運(yùn)算得到HR-PD位置。以線圈1中心線為移動(dòng)機(jī)車的位置，傳輸對(duì)線兩交叉間的區(qū)域稱為K區(qū)域K=I,II,III…）；線圈1中心線偏離G0、傳輸對(duì)線所在區(qū)域中心線距離分別為d0、d1，顯然d0+d1=r。HRPD位置檢測(cè)如圖4所示。

圖4 HRPD檢測(cè)平鋪圖

在t6時(shí)間段，位置信號(hào)發(fā)生器對(duì)G0傳輸對(duì)線發(fā)送載波時(shí)，G0的III區(qū)域?qū)€圈1的感應(yīng)面積為：S=（W-d0）xB，G0的II區(qū)域?qū)€圈1的感應(yīng)面積為S=d0×B，由于II、III區(qū)域?qū)€圈1產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)相位相反，所以線圈1有效感應(yīng)面積S=（W-d0）×B-d0×B=2（r-d0）×B。設(shè)線圈1最大感應(yīng)面積Smax=W×B=2r×B，對(duì)應(yīng)感應(yīng)信號(hào)最大幅度為Amax（y,z），則有：

在t7時(shí)間段，位置信號(hào)發(fā)生器對(duì)傳輸對(duì)線發(fā)送載波時(shí)，對(duì)線圈1感應(yīng)信號(hào)作相同的分析，得：

令

且有：

（1）線圈1的中心位于G0兩交叉間左半部（圖4位置①），此處檢測(cè)出來的APD位置數(shù)據(jù)g為奇數(shù)，則HRPD=d1=P0×r。

（2）發(fā)送線圈的中心位于兩交叉間左半部（圖4位置②），此處檢測(cè)出來的APD位置數(shù)據(jù)g為偶數(shù)，則HRPD=d0=P1×r。

綜上（1）（2），可得高分辨率位置HRPD和綜合位置ADD分別為：

2.3 感應(yīng)無線位置檢測(cè)實(shí)例分析

假定r=10cm。對(duì)天線箱線圈1分別處于圖4中的位置①、②、③，為分析方便只寫三對(duì)G傳輸線，則有：

（1）線圈1處于位置①

若G2 G1 G0=010，即g=3，則APD=2×r=30cm。

若測(cè)得傳輸對(duì)線G0、的幅度為：A（G0）=0.38Amax，A（）=0.62Amax，

則由式（7）～（10）得：P0=0.38，P1=0.62，HRPD=P0×r=3.8cm；ADD=APD+HRPD=33.8cm。

（2）線圈1處于位置②

若G2 G1 G0=011，即g=4，則APD=g×r=40cm。

若測(cè)得傳輸對(duì)線G0、的幅度為：A（G0）=A（）=0.5Amax，

同理可得：P0=P1=0.5，HRPD=P1×r=0.5×10cm=5cm；ADD=APD+HRPD=45cm。

（3）線圈1處于位置③

A（G0）=Amax，A（）=0，可得P0=1，P1=0。由于A（G0）=0，G1感應(yīng)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)比較，相位相同（即為0）或相反（即為1）。所以，G2 G1 G0=111或G2 G1G0=101，即g=5或6。則有：

1）取g=5，則APD=g×r=5×10cm=50cm，HRPD=P0×r=1×10cm=10cm，ADD=APD+HRPD=50cm+10cm=60cm。

2）取g=6，則APD=g×r=6×10cm=60cm，HRPD=P1×r=0×10cm=0cm，ADD=APD+HRPD=60cm+0cm=60cm。

綜上1）、2），均得：ADD=60cm。

3 感應(yīng)無線位置檢測(cè)電路

感應(yīng)無線位置檢測(cè)系統(tǒng)電路框圖如圖5所示。當(dāng)中控室地面局開始發(fā)送載波信號(hào)時(shí)，DCD=1；CPU檢測(cè)到DCD后，對(duì)2PSK解調(diào)輸出檢測(cè)，將第1個(gè)1作為起始位進(jìn)行串行數(shù)據(jù)接收，得到APD位置數(shù)據(jù)g；在檢測(cè)G0的時(shí)間段，啟動(dòng)A/D1和A/D2，從A/D1和A/D2讀出接收線圈0接收的信號(hào)幅度A（AN0）和接收線圈1接收的信號(hào)幅度A（AN1），將各數(shù)據(jù)代入公式（5）～（8），可得移動(dòng)機(jī)車位置ADD。

圖5 感應(yīng)無線位置檢測(cè)電路框圖

4 感應(yīng)無線位置檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方法：在編碼電纜任找一處反復(fù)移動(dòng)天線箱，直至檢測(cè)到A（）為最小，此時(shí)顯示地址為29.000m，以此處作為實(shí)際的29.000m。然后將天線箱在此附近每隔2mm移動(dòng)一次，記錄每次所檢測(cè)的A（G0）和A（），并根據(jù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)計(jì)算出位置數(shù)據(jù)：HRPD、ADD。同理，在30.000m處作同樣測(cè)試。部分檢測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 位置檢測(cè)部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果
 

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明：a.實(shí)測(cè)位置與理論上對(duì)應(yīng)位置偏差較小；b.位置檢測(cè)精度高，分辨率為2mm。為了減小誤差，實(shí)際應(yīng)用中將多次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)制成表格，計(jì)算出HRPD，并進(jìn)行修正。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的感應(yīng)無線位置檢測(cè)系統(tǒng)，是利用編碼電纜中傳輸對(duì)線和天線箱線圈的電磁感應(yīng)來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)車位置檢測(cè)的，采用的是非接觸式的絕對(duì)位置檢測(cè)方式，克服了傳統(tǒng)有線和無線位置檢測(cè)的缺陷，可滿足移動(dòng)機(jī)車精確定位的要求。目前，感應(yīng)無線位置檢測(cè)技術(shù)已被應(yīng)用到焦?fàn)t工業(yè)移動(dòng)機(jī)車位置檢測(cè)中，用于對(duì)推焦車、熄焦車、裝煤車和除塵車的自動(dòng)控制，實(shí)際應(yīng)用效果良好，基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。