휠 속도 센서
Wheel speed sensor | 이 글은 검증을 위해 인용구가 추가로 필요하다.휠– · · 책· · (2009년 4월)(이 |
휠 속도 센서 또는 차량 속도 센서(VSS)는 타코미터의 일종이다. 차량의 휠 회전 속도를 판독하는 데 사용되는 송신기다. 그것은 보통 톱니바퀴와 픽업으로 구성되어 있다.
자동차 휠 속도 센서
목적
휠 속도 센서는 처음에 휠에서 속도계까지의 기계적 연결을 교체하는 데 사용되어 케이블 파손을 없애고 움직이는 부품을 제거하여 게이지 구조를 단순화하였다. 이 센서들은 또한 ABS와 같은 자동 운전 보조장치가 작동할 수 있는 데이터를 생산한다.
건설
가장 일반적인 휠 속도 센서 시스템은 강자성 토치 릴럭터 링(톤 휠)과 센서(패시브 또는 액티브)로 구성된다.
톤 휠은 일반적으로 강철로 만들어지며, 개방 설계 또는 밀봉(단위화된 베어링 어셈블리의 경우처럼)될 수 있다. 치아의 수는 저속 감지/정확도와 고속 감지/비용 사이에서 절충으로 선택된다. 더 많은 수의 톱니는 더 많은 가공 작업이 필요할 것이며 (패시브 센서의 경우) 더 높은 주파수 출력 신호를 생성하여 수신 엔드에서 쉽게 해석할 수는 없지만 더 나은 분해능과 더 높은 신호 업데이트 속도를 제공한다. 보다 발전된 시스템에서는 센서가 휠의 전방과 후방 회전을 구별할 수 있도록 톱니를 비대칭적으로 형성할 수 있다.
패시브 센서는 일반적으로 반대쪽 끝에 영구 자석이 있는 톤 휠에서 방사상으로 투사되도록 방향을 잡은 강자성 로드로 구성된다. 로드는 미세한 와이어로 감겨 있으며, 이는 톱니가 자기장을 간섭하기 때문에 톤 휠이 회전할 때 유도된 교대 전압을 경험한다. 수동형 센서는 휠 속도에 따라 크기와 주파수가 증가하는 사인파 신호를 출력한다.
수동형 센서의 변화에는 그것을 뒷받침하는 자석이 없고, 오히려 자석 극이 교대로 구성된 톤 휠이 교대 전압을 생성한다. 이 센서의 출력은 사인파보다는 사각파를 닮은 경향이 있지만, 휠 속도가 증가함에 따라 여전히 크기가 증가한다.
능동형 센서는 신호 조절 회로가 장치에 내장된 수동형 센서다. 이 신호 조절은 신호의 크기를 증폭시키거나, 신호의 형태를 PWM, 사각파 등으로 바꾸거나, 전송 전에 그 값을 통신 프로토콜로 인코딩하는 것일 수 있다.
변형
차량 속도 센서(VSS)는 진정한 휠 속도 센서일 수 있지만 항상은 아니다. 예를 들어, Ford AOD 변속기에서 VSS는 테일축 연장 하우징에 장착되며, 자급식 톤 링과 센서다. 이것이 휠 속도를 제공하지는 않지만(차동 차축의 각 휠이 다른 속도로 회전할 수 있고 최종 속도의 구동축에만 의존하지 않기 때문에), 일반적인 주행 조건에서 이것은 속도계 신호를 제공할 수 있을 만큼 충분히 가깝고 1987년 및 신형 Ford의 리어 휠 ABS 시스템에 사용되었다.ABS가 탑재된 첫 번째 픽업인 F-Series.
특수 용도 속도 센서
도로차량
철도 차량용 로터리 속도 센서
기관차나 복수 장치와 같은 철도 차량의 많은 서브시스템은 신뢰할 수 있고 정밀한 회전 속도 신호에 의존하며, 경우에 따라서는 속도나 속도의 변화를 측정한다. 이는 특히 트랙션 제어에 적용되지만 휠 슬라이드 보호, 등록, 열차 제어, 도어 제어 등에도 적용된다. 이러한 작업은 차량의 다양한 부품에서 찾을 수 있는 다수의 회전 속도 센서에 의해 수행된다.
속도 센서 고장은 빈번하게 발생하며, 주로 철도 차량에서 부딪히는 극도로 가혹한 작동 조건 때문이다. 관련 표준은 상세한 시험 기준을 명시하지만, 실제 운용에서 접하는 조건은 훨씬 더 극단적인 경우가 많다(충격/진동 및 특히 전자기 호환성(EMC)).
모터용 로터리 속도 센서
레일 차량은 때때로 센서가 없는 드라이브를 사용하지만, 대부분은 레귤레이터 시스템을 위한 회전 속도 센서가 필요하다. 가장 일반적인 유형은 모터 샤프트 또는 변속 장치의 톱니바퀴를 스캔하는 2채널 센서로, 이 용도로 전용되거나 구동 시스템에 이미 있을 수 있다.
이러한 유형의 현대 홀 효과 센서는 자기장 변조의 원리를 사용하며 m =1과 m = 3.5(D.P.=25~D.P.=7) 사이의 모듈을 가진 강자성 대상 휠에 적합하다. 치아의 형태는 2차적으로 중요하다; 무의식적이거나 직사각형의 토핑이 있는 대상 바퀴를 스캔할 수 있다. 휠의 직경 및 톱니에 따라 회전당 60~300펄스를 얻을 수 있으며, 이는 낮은 및 중간 트랙션 성능의 드라이브로 충분하다.
이 유형의 센서는 일반적으로 희토류 자석과 적절한 평가 전자장치인 두 개의 홀 효과 센서로 구성된다. 자석의 장은 지나가는 표적 톱니에 의해 조절된다. 이 변조는 홀 센서에 의해 등록되고 비교기 단계에 의해 사각파 신호로 변환되어 드라이버 단계에서 증폭된다.
불행히도 홀 효과는 온도에 따라 크게 달라진다. 따라서 센서의 감도와 신호 오프셋은 공극뿐만 아니라 온도에 따라 달라진다. 이는 또한 센서와 대상 휠 사이의 최대 허용 공극도 매우 많이 감소시킨다. 상온에서는 모듈 m = 2의 일반적인 대상 휠에 대해 2~3mm의 공극을 어렵지 않게 허용할 수 있지만, -40°C ~ 120°C의 필요한 온도 범위에서 유효 신호 등록을 위한 최대 간격은 1.3mm로 감소한다. 모듈 m = 1을 가진 더 작은 피치 대상 휠은 종종 더 높은 시간 분해능을 얻기 위해 사용된다. 건축을 좀 더 촘촘하게 하기 위해서. 이 경우 가능한 최대 공극은 0.5 ~ 0.8 mm에 불과하다.
설계 엔지니어의 경우 센서가 도달하는 가시적 공극은 주로 특정 기계 설계의 결과물이지만 회전 속도를 등록하기 위해 필요한 제약 조건이 무엇이든 적용된다. 이것이 가능한 공극이 매우 작은 범위 내에 있어야 한다는 것을 의미한다면, 이는 또한 작동 중 신호의 하차를 방지하기 위해 모터 하우징과 대상 휠의 기계적 공차를 제한한다. 이는 실제로 특히 모듈 m = 1의 작은 피칭 대상 휠과 공차 및 극한 온도 조합에 불리한 문제가 발생할 수 있음을 의미한다. 그러므로 모터 제조업체의 관점에서, 그리고 심지어 운영자의 관점에서도, 공극의 범위가 넓은 속도 센서를 찾는 것이 더 낫다.
홀 센서의 1차 신호는 공극이 증가함에 따라 진폭이 급격히 감소한다. 홀 센서 제조업체의 경우 이는 홀 신호의 물리적으로 유도된 오프셋 드리프트에 대해 가능한 최대 보상을 제공해야 함을 의미한다. 일반적인 방법은 센서의 온도를 측정하고 이 정보를 사용하여 오프셋을 보정하는 것이지만, 이는 두 가지 이유로 실패한다. 첫째, 드리프트가 온도에 선형적으로 변화하지 않기 때문이다. 둘째, 드리프트의 신호조차 모든 센서에 동일하지 않기 때문이다.
이제 일부 센서는 홀 센서 신호의 오프셋과 진폭을 보정하는 통합 신호 프로세서를 제공한다. 이 보정을 통해 속도 센서에서 최대 허용 공극이 더 커지게 된다. 모듈 m = 1 타깃 휠에서 이 새로운 센서는 모듈 m = 2 타깃 휠의 기존 속도 센서보다 넓은 1.4 mm의 공극을 허용할 수 있다. 모듈 m = 2 대상 휠에서 새 속도 센서는 2.2 mm의 간격을 허용할 수 있다. 신호 품질을 현저하게 높이는 것도 가능했다. 두 채널 사이의 듀티 사이클과 위상 변위는 모두 기차가 변동하고 온도가 변동하는 상황에서 최소한 3배 이상 안정적이다. 게다가, 복잡한 전자 장치에도 불구하고, 새로운 속도 센서의 고장 사이의 평균 시간을 3~4배 증가시킬 수 있었다. 그래서 그들은 더 정밀한 신호를 제공할 뿐만 아니라, 그들의 신호 가용성도 훨씬 더 좋다.
기어가 장착된 홀 효과 센서의 대안으로는 [자기저항]을 사용하는 센서나 인코더가 있다. 대상 휠은 활성 다중 홀 자석이기 때문에 공기 갭은 최대 4.0mm까지 더 클 수 있다. 자기저항 센서는 각도에 민감하고 진폭에 민감하지 않기 때문에 변동하는 갭 애플리케이션에서 홀 센서에 걸쳐 신호 품질이 향상된다. 또한 신호 품질이 훨씬 높아 센서/인코더 내부 또는 외부 회로에 의한 [인터폴레이션]이 가능하다.
베어링이 통합된 모터 인코더
통합 베어링이 없는 홀 센서로 얻을 수 있는 펄스 수에는 한계가 있다. 300mm 직경의 대상 휠로는 보통 회전당 300펄스를 초과할 수 없다. 그러나 많은 기관차와 전기 복수 장치(EMU)는 트랙션 컨버터의 적절한 작동을 위해 더 많은 수의 펄스를 필요로 한다. 예를 들어, 저속에서 트랙션 조절기에 엄격한 제약이 있는 경우.
이러한 홀 효과 센서 적용은 모터 베어링과 반대로 실제 센서의 유격이 크게 감소하기 때문에 다수의 공기 갭을 견딜 수 있는 내장형 베어링의 이점을 얻을 수 있다. 이를 통해 모듈 m = 0.22까지 훨씬 더 작은 피치를 측정할 수 있다. 마찬가지로 자기저항 센서는 베어링이 통합된 모터 인코더에서 구현될 때 홀 센서보다 훨씬 높은 분해능과 정확도를 제공한다.
더 큰 신호 정확도를 위해 정밀 인코더를 사용할 수 있다.
두 인코더의 기능 원리는 유사하다. 다채널 자기저항 센서가 톱니 256개로 대상 휠을 스캔해 사인 및 코사인 신호를 생성한다. 아크탄젠트 보간술은 사인/코사인 신호 주기로부터 직사각형 펄스를 생성하는 데 사용된다. 정밀 인코더는 진폭과 오프셋 보정 기능도 가지고 있다. 이를 통해 신호 품질을 더욱 향상시킬 수 있어 트랙션 조절이 크게 개선된다.
휠셋의 속도 센서
베어링 없는 휠셋 속도 센서
무방향 속도 센서는 레일 차량의 거의 모든 바퀴에서 발견될 수 있다. 그것들은 주로 휠 슬라이드 보호에 사용되며 대개 휠 슬라이드 보호 시스템 제조업체에 의해 공급된다. 이러한 센서는 공극이 충분히 작아야 하며 특히 신뢰할 수 있어야 한다. 휠 슬라이드 보호에 사용되는 회전 속도 센서의 한 가지 특별한 특징은 통합 모니터링 기능이다. 전류 출력이 7mA/14mA인 2와이어 센서는 파손된 케이블을 감지하는 데 사용된다. 다른 설계에서는 신호 주파수가 1Hz 이하로 떨어지는 즉시 약 7V의 출력 전압을 제공한다. 또 다른 방법은 50 MHz에서 전원 공급기를 주기적으로 조절할 때 센서로부터 50 MHz의 출력 신호를 감지하는 것이다. 2채널 센서가 전기적으로 격리된 채널을 갖는 것도 일반적이다.
때때로 트랙션 모터에서 휠 슬라이드 보호 신호를 분리해야 하며, 출력 주파수가 휠 슬라이드 보호 전자 장치에 비해 너무 높은 경우가 많다. 이 애플리케이션에는 주파수 분할기 또는 인코더가 통합된 속도 센서를 사용할 수 있다.
통합 베어링이 있는 휠셋 펄스 발생기
철도 차량, 특히 기관차는 별도의 전기적으로 격리된 속도 신호가 필요한 수많은 서브시스템을 갖추고 있다. 일반적으로 별도의 펄스 발생기를 설치할 수 있는 공간이 충분하지 않거나 장착 장소가 충분하지 않다. 베어링 쉘 또는 휠셋 커버에 플랜지를 장착하는 멀티 채널 펄스 발생기가 솔루션을 제공한다. 다수의 무베어링 속도 센서를 사용하면 추가 케이블도 필요하며, 예를 들어 비행 트랙 밸러스트와 같이 손상되기 쉽기 때문에 실외 장비에는 가급적 피해야 한다.
광학 센서
1개에서 4개까지의 채널이 구현될 수 있으며, 각 채널은 슬롯 디스크에서 최대 2개의 신호 트랙 중 하나를 스캔하는 광센서를 가지고 있다. 경험에 따르면 이 기술로 달성 가능한 채널의 수는 여전히 충분하지 않다. 따라서 많은 하위 시스템은 휠 슬라이드 보호 전자 장치의 루프 스루 신호와 관련되어야 하며, 따라서 별도의 속도 신호가 일부 장점을 가질 수 있지만, 예를 들어 사용 가능한 펄스 수를 수용해야 한다.
광학 센서의 사용은 산업계에 널리 퍼져 있다. 불행하게도 그들은 광학 구성요소가 먼지에 매우 민감하고 광원은 너무 빨리 노화되기 때문에, 수년에 걸쳐 신뢰성 있게 기능하는 것을 항상 어렵게 만든 두 가지 근본적인 약점을 가지고 있다.
먼지의 흔적조차 렌즈를 통과하는 빛의 양을 크게 줄여 신호의 하차를 유발할 수 있다. 그러므로 이 암호기들은 매우 잘 밀봉되어야 한다. 이슬점이 통과하는 환경에서 펄스 발생기를 사용할 때 더 많은 문제가 발생한다: 렌즈 안개와 신호는 자주 중단된다.
사용되는 광원은 발광 다이오드(LED)이다. 그러나 LED는 항상 노화에 노출되어 몇 년 동안 눈에 띄게 빔이 감소한다. LED를 통해 점차 전류를 증가시키는 특수 조절기를 이용해 이를 보완하려는 시도가 이뤄지지만, 안타깝게도 이는 노화 과정을 더욱 가속화한다.
자기 센서
강자성 측정 척도를 자기적으로 스캔하는 데 사용되는 원리는 이러한 결함을 나타내지 않는다. 수년 동안 자기 인코더를 사용한 경험 동안 씰이 고장나 펄스 발생기가 브레이크 먼지와 기타 먼지의 두꺼운 층으로 완전히 덮인 것이 발견되는 경우가 있었지만, 그러한 펄스 발생기는 여전히 완벽하게 기능했다.
역사적으로 마그네틱 센서 시스템은 광학 시스템보다 비용이 더 많이 들지만 이 차이는 빠르게 좁혀지고 있다. 마그네틱 홀과 자기저항 센서 시스템은 플라스틱이나 화분 재료로 임베딩할 수 있어 기계적 신뢰도를 높이고 물과 그리스로 인한 손상을 제거할 수 있다.
휠 속도 센서에는 이력(hysteresis)이 포함될 수 있다. 이는 차량이 정지해 있는 동안 관련 없는 펄스를 억제한다.
이 원칙에 따라 건설된 펄스 발생기는 2005년 초부터 여러 철도 사업자에 의해 현장 시험에 성공했다. EN 50155에[1] 명시한 형식시험도 성공적으로 완료되어 이러한 펄스 발생기가 이제 전달될 수 있다.
저널 내부 보지를 위한 베어링이 통합된 휠셋 펄스 발생기
저널 내부 보지는 휠셋 축 회전이 등록될 수 있는 기초가 될 수 있는 끝단에는 베어링 커버가 없기 때문에 펄스 발생기 설계자에게 특별히 요구된다. 이 경우 펄스 발생기는 휠셋에 부착된 샤프트 스터브에 장착하고 보기 프레임에 연결된 토크 컨버터를 장착하여 회전하지 않도록 해야 한다.
이 위치에서 극심한 진동은 펄스 발생기 베어링에 상당한 하중을 초래하며, 이 설치 방법으로 펄스 발생기 샤프트의 비교적 작은 질량뿐만 아니라 전체 펄스 발생기의 질량을 운반해야 한다. 최소한 하중의 세 번째 출력과 함께 베어링 수명이 감소한다고 고려할 때, 그러한 상황에 대한 신뢰할 수 있고 내구성 있는 펄스 발생기는 단지 장착 및 중간 플랜지 또는 유사한 구조만으로 외부 저널 보지에 대한 더 일반적인 표준 펄스 발생기로만 개조될 수 없다는 것을 알 수 있다. 그러한 위치의 요건에 맞게 수정된 설계를 가진 펄스 발생기가 정말로 필요하다.
비자기 대상 휠 또는 파편을 생성하는 응용 프로그램용 속도 센서
일부 운송 회사들은 특별한 문제에 직면해 있다: 모터를 시원하게 유지하는 순환 공기는 바퀴와 레일에서 벗겨진 파편을 운반한다. 이것은 자석 센서의 머리 위에 모인다. 임펠러가 알루미늄 합금으로 만들어지고 제조업체가 별도의 강자성 기어 림에서 수축하기를 원하지 않기 때문에 센서가 알루미늄 대상 휠을 스캔해야 하는 모터도 점점 늘어나고 있다.
이러한 응용 프로그램에는 대상 자석이 필요 없는 속도 센서가 있다.[2] 다수의 송수신 코일이 1 MHz의 주파수를 갖는 교류 전기장을 생성하기 위해 사용되며, 송신자와 수신자 사이의 커플링의 변조를 평가한다. 이 센서는 자기 센서와 설치 및 신호 호환이 가능하다. 대부분의 일반적인 대상 휠 모듈의 경우 다른 조치가 필요 없이 장치를 교체할 수 있다.
보간 기능이 있는 속도 센서
고객들은 종종 가용 공간과 가장 작은 모듈 m = 1로 얻을 수 있는 것보다 더 많은 회전당 펄스 수를 원한다. 이 목표를 달성하기 위해 보간법을 제공하는 센서를 사용할 수 있다. 이 제품은 대상 휠에 있는 기어 톱니 또는 자기 폴의 원래 개수의 2-64배 출력을 제공한다. 정확도는 센서 입력의 품질에 따라 달라진다. 홀 센서는 비용은 낮지만 정확도는 낮으며 자기저항 센서는 비용은 높지만 정확도는 더 높다.
참조
- ^ 표준 EN 50155. 철도 차량의 전자 장비. selectron.ch
- ^ "Geartooth Sensing". phareselectronics.com. Retrieved 26 May 2015.
