Sensore velocità ruota - Wheel speed sensor
Un sensore di velocità della ruota o sensore di velocità del veicolo (VSS) è un tipo di tachimetro . È un dispositivo mittente utilizzato per leggere la velocità di rotazione delle ruote di un veicolo . Di solito è costituito da un anello dentato e da un pickup.
Sensore di velocità della ruota automobilistica
Scopo
Il sensore di velocità della ruota è stato inizialmente utilizzato per sostituire il collegamento meccanico dalle ruote al tachimetro , eliminando la rottura del cavo e semplificando la costruzione del calibro eliminando le parti in movimento. Questi sensori producono anche dati che consentono il funzionamento di ausili alla guida automatizzati come l' ABS .
Costruzione
Il sistema di sensori di velocità della ruota più comune è costituito da un anello di rinvio dentato ferromagnetico (ruota fonica) e da un sensore (che può essere passivo o attivo).
La ruota fonica è tipicamente realizzata in acciaio e può essere un design a cielo aperto o sigillato (come nel caso dei gruppi di cuscinetti unificati). Il numero di denti viene scelto come compromesso tra rilevamento/precisione a bassa velocità e rilevamento/costo ad alta velocità. Un numero maggiore di denti richiederà più operazioni di lavorazione e (nel caso di sensori passivi) produrrà un segnale di uscita a frequenza più elevata che potrebbe non essere facilmente interpretabile all'estremità ricevente, ma fornire una migliore risoluzione e una maggiore velocità di aggiornamento del segnale. Nei sistemi più avanzati, i denti possono essere sagomati asimmetricamente per consentire al sensore di distinguere tra rotazione in avanti e indietro della ruota.
Un sensore passivo è tipicamente costituito da un'asta ferromagnetica che è orientata a sporgere radialmente dalla ruota fonica con un magnete permanente all'estremità opposta. L'asta è avvolta con filo sottile che sperimenta una tensione alternata indotta mentre la ruota fonica ruota, poiché i denti interferiscono con il campo magnetico. I sensori passivi emettono un segnale sinusoidale che cresce in ampiezza e frequenza con la velocità della ruota.
Una variazione del sensore passivo non ha un magnete dietro, ma piuttosto una ruota fonica che consiste in poli magnetici alternati che producono la tensione alternata. L'uscita di questo sensore tende ad assomigliare a un'onda quadra , piuttosto che a una sinusoide, ma aumenta ancora di grandezza all'aumentare della velocità delle ruote.
Un sensore attivo è un sensore passivo con circuiti di condizionamento del segnale integrati nel dispositivo. Questo condizionamento del segnale può amplificare l'ampiezza del segnale; cambiare la forma del segnale in PWM , onda quadra o altro; o codificare il valore in un protocollo di comunicazione prima della trasmissione.
Variazioni
Il sensore di velocità del veicolo (VSS) può essere, ma non è sempre, un vero sensore di velocità della ruota. Ad esempio, nella trasmissione Ford AOD , il VSS è montato sull'alloggiamento dell'estensione dell'albero di coda ed è un anello acustico e un sensore autonomi. Sebbene ciò non dia la velocità della ruota (poiché ogni ruota in un asse con un differenziale è in grado di girare a velocità diverse e nessuna delle due dipende esclusivamente dall'albero di trasmissione per la sua velocità finale), in condizioni di guida tipiche questa è abbastanza vicina da fornire la segnale del tachimetro, ed è stato utilizzato per i sistemi ABS della ruota posteriore del 1987 e della più recente Ford F-Series , i primi pickup con ABS.
Sensori di velocità speciali
Veicoli stradali
I sensori di velocità delle ruote sono un componente fondamentale dei sistemi di frenatura antibloccaggio .
Sensori di velocità rotanti per veicoli ferroviari
Molti dei sottosistemi in un veicolo ferroviario, come una locomotiva o un'unità multipla , dipendono da un segnale di velocità di rotazione affidabile e preciso, in alcuni casi come misura della velocità o variazioni della velocità. Ciò vale in particolare per il controllo della trazione , ma anche per la protezione contro lo slittamento delle ruote , la registrazione, il controllo del treno, il controllo delle porte e così via. Questi compiti sono eseguiti da una serie di sensori di velocità rotanti che possono essere trovati in varie parti del veicolo.
I guasti del sensore di velocità sono frequenti e sono principalmente dovuti alle condizioni operative estremamente difficili incontrate nei veicoli ferroviari. Le norme pertinenti specificano criteri di prova dettagliati, ma nel funzionamento pratico le condizioni incontrate sono spesso ancora più estreme (come urti / vibrazioni e soprattutto compatibilità elettromagnetica (EMC)).
Sensori di velocità rotanti per motori
Sebbene i veicoli ferroviari utilizzino occasionalmente azionamenti senza sensori, la maggior parte necessita di un sensore di velocità rotativo per il loro sistema di regolazione. Il tipo più comune è un sensore a due canali che scansiona una ruota dentata sull'albero motore o sul cambio che può essere dedicato a questo scopo o essere già presente nel sistema di azionamento.
I moderni sensori ad effetto Hall di questo tipo sfruttano il principio della modulazione del campo magnetico e sono adatti per ruote bersaglio ferromagnetiche con un modulo compreso tra m =1 e m = 3,5 (DP=25 a DP=7). La forma dei denti è di secondaria importanza; possono essere scansionate ruote target con dentatura evolvente o rettangolare. A seconda del diametro e della dentatura della ruota è possibile ottenere tra 60 e 300 impulsi per giro, sufficienti per azionamenti di bassa e media prestazione di trazione.
Questo tipo di sensore è normalmente costituito da due sensori ad effetto hall , un magnete in terre rare e un'elettronica di valutazione appropriata. Il campo del magnete è modulato dai denti bersaglio passanti. Questa modulazione viene registrata dai sensori di Hall, convertita da uno stadio comparatore in un segnale ad onda quadra e amplificata in uno stadio pilota.
Sfortunatamente, l'effetto Hall varia molto con la temperatura. La sensibilità dei sensori e anche l'offset del segnale dipendono quindi non solo dal traferro ma anche dalla temperatura. Ciò riduce notevolmente anche il traferro massimo consentito tra il sensore e la ruota bersaglio. A temperatura ambiente un traferro da 2 a 3 mm può essere tollerato senza difficoltà per una tipica ruota bersaglio del modulo m = 2, ma nell'intervallo di temperatura richiesto da -40 °C a 120 °C il massimo spazio per un'efficace registrazione del segnale scende a 1,3 mm. Ruote bersaglio a passo più piccolo con modulo m = 1 sono spesso utilizzate per ottenere una maggiore risoluzione temporale o per rendere la costruzione più compatta. In questo caso il traferro massimo possibile è solo da 0,5 a 0,8 mm.
Per il progettista, il traferro visibile con cui il sensore finisce è principalmente il risultato del design specifico della macchina, ma è soggetto a tutti i vincoli necessari per registrare la velocità di rotazione. Se ciò significa che l'eventuale traferro deve rientrare in un intervallo molto piccolo, ciò ridurrà anche le tolleranze meccaniche dell'alloggiamento del motore e delle ruote target per evitare la perdita di segnale durante il funzionamento. Ciò significa che in pratica possono esserci problemi, in particolare con ruote bersaglio con passo più piccolo del modulo m = 1 e combinazioni svantaggiose di tolleranze e temperature estreme. Dal punto di vista del costruttore del motore, e ancor più dell'operatore, è quindi meglio cercare sensori di velocità con un range di traferro più ampio.
Il segnale primario di un sensore Hall perde ampiezza bruscamente all'aumentare del traferro. Per i produttori di sensori Hall ciò significa che devono fornire la massima compensazione possibile per la deriva dell'offset indotta fisicamente dal segnale di Hall. Il modo convenzionale per farlo è misurare la temperatura al sensore e utilizzare questa informazione per compensare l'offset, ma questo fallisce per due motivi: in primo luogo perché la deriva non varia linearmente con la temperatura, e in secondo luogo perché nemmeno il segno di la deriva è la stessa per tutti i sensori.
Alcuni sensori ora offrono un processore di segnale integrato che tenta di correggere l'offset e l'ampiezza dei segnali del sensore Hall. Questa correzione consente un maggiore traferro massimo consentito sul sensore di velocità. Su un modulo m = 1 ruota bersaglio questi nuovi sensori possono tollerare un traferro di 1,4 mm, che è più ampio di quello dei sensori di velocità convenzionali su modulo m = 2 ruote bersaglio. Su una ruota bersaglio con modulo m = 2 i nuovi sensori di velocità possono tollerare un gap fino a 2,2 mm. È stato anche possibile aumentare notevolmente la qualità del segnale. Sia il ciclo di lavoro che lo sfasamento tra i due canali sono almeno tre volte più stabili di fronte a traferro fluttuante e deriva termica. Inoltre, nonostante l'elettronica complessa, è stato anche possibile aumentare il tempo medio tra i guasti per i nuovi sensori di velocità di un fattore da tre a quattro. Quindi non solo forniscono segnali più precisi, ma anche la loro disponibilità del segnale è significativamente migliore.
Un'alternativa ai sensori ad effetto Hall con ingranaggi sono i sensori o gli encoder che utilizzano la [magnetoresistenza]. Poiché la ruota bersaglio è un magnete multipolare attivo, i traferri possono essere anche più grandi, fino a 4,0 mm. Poiché i sensori magnetoresistivi sono sensibili all'angolo e all'ampiezza, la qualità del segnale è aumentata rispetto ai sensori Hall nelle applicazioni con gap fluttuante. Anche la qualità del segnale è molto più elevata, abilitando [l'interpolazione] all'interno del sensore/encoder o da un circuito esterno.
Encoder motore con cuscinetti integrati
Esiste un limite al numero di impulsi realizzabili dai sensori Hall senza cuscinetti integrati: con una ruota bersaglio di 300 mm di diametro normalmente non è possibile superare i 300 impulsi per giro. Ma molte locomotive e unità elettriche multiple (EMU) necessitano di un numero maggiore di impulsi per il corretto funzionamento del convertitore di trazione, ad esempio quando ci sono stretti vincoli sul regolatore di trazione a basse velocità.
Tali applicazioni con sensori a effetto Hall possono trarre vantaggio da cuscinetti incorporati, che possono tollerare un traferro di molti ordini di grandezza inferiore a causa del gioco notevolmente ridotto sul sensore effettivo rispetto a quello del cuscinetto del motore. Ciò consente di scegliere un passo molto più piccolo per la scala di misura, fino al modulo m = 0,22. Allo stesso modo, i sensori magnetoresistivi offrono una risoluzione e una precisione ancora più elevate rispetto ai sensori Hall quando implementati in encoder motore con cuscinetti integrati.
Per una precisione del segnale ancora maggiore è possibile utilizzare un encoder di precisione.
I principi di funzionamento dei due encoder sono simili: un sensore magnetoresistivo multicanale scansiona una ruota bersaglio con 256 denti, generando segnali seno e coseno . L' interpolazione arcotangente viene utilizzata per generare impulsi rettangolari dai periodi del segnale seno/coseno. L'encoder di precisione possiede anche funzioni di correzione dell'ampiezza e dell'offset. Ciò consente di migliorare ulteriormente la qualità del segnale, che migliora notevolmente la regolazione della trazione.
Sensori di velocità sulle ruote
Sensori di velocità delle ruote senza cuscinetti
I sensori di velocità senza cuscinetti possono essere trovati in quasi tutte le sale montate di un veicolo ferroviario. Sono principalmente utilizzati per la protezione contro il pattinamento delle ruote e solitamente forniti dal produttore del sistema di protezione contro lo slittamento delle ruote. Questi sensori richiedono un traferro sufficientemente piccolo e devono essere particolarmente affidabili. Una caratteristica speciale dei sensori di velocità rotanti utilizzati per la protezione dallo slittamento delle ruote sono le loro funzioni di monitoraggio integrate. I sensori a due fili con un'uscita di corrente di 7 mA/14 mA vengono utilizzati per rilevare la rottura dei cavi. Altri modelli prevedono una tensione di uscita di circa 7 V non appena la frequenza del segnale scende al di sotto di 1 Hz. Un altro metodo utilizzato è quello di rilevare un segnale in uscita a 50 MHz dal sensore quando l'alimentazione viene periodicamente modulata a 50 MHz. È anche comune che i sensori a due canali abbiano canali isolati elettricamente.
Occasionalmente è necessario togliere il segnale di protezione dal pattinamento della ruota al motore di trazione e la frequenza di uscita è spesso troppo alta per l'elettronica di protezione dal pattinamento della ruota. Per questa applicazione può essere utilizzato un sensore di velocità con divisore di frequenza integrato o encoder.
Generatore di impulsi per sale montate con cuscinetto integrato
Un veicolo ferroviario, in particolare una locomotiva , possiede numerosi sottosistemi che richiedono segnali di velocità separati ed isolati elettricamente. Di solito non ci sono posti di montaggio sufficienti né c'è spazio sufficiente per l'installazione di generatori di impulsi separati. I generatori di impulsi multicanale montati su flangia sui semicuscinetti o sui coperchi delle sale montate offrono una soluzione. L'uso di un numero di sensori di velocità senza cuscinetti comporterebbe anche cavi aggiuntivi, che dovrebbero essere preferibilmente evitati per le apparecchiature esterne perché sono così suscettibili di danni, ad esempio dalla zavorra del binario volante .
Sensore ottico
Possono essere implementati da uno a quattro canali, ciascun canale avendo un fotosensore che scansiona una delle al massimo due tracce di segnale su un disco fessurato. L'esperienza mostra che il numero possibile di canali realizzabili con questa tecnica non è ancora sufficiente. Alcuni sottosistemi devono quindi accontentarsi di segnali in loop provenienti dall'elettronica di protezione del pattino delle ruote e sono quindi costretti ad accettare, ad esempio, il numero di impulsi disponibile, anche se un segnale di velocità separato potrebbe avere alcuni vantaggi.
L'uso di sensori ottici è molto diffuso nell'industria. Sfortunatamente hanno due punti deboli fondamentali che hanno sempre reso molto difficile farli funzionare in modo affidabile per un certo numero di anni, vale a dire - i componenti ottici sono estremamente sensibili allo sporco e - la sorgente luminosa invecchia troppo rapidamente.
Anche le tracce di sporco riducono notevolmente la quantità di luce che passa attraverso l'obiettivo e possono causare la perdita del segnale. Questi encoder devono quindi essere molto ben sigillati. Ulteriori problemi si incontrano quando i generatori di impulsi vengono utilizzati in ambienti in cui il punto di rugiada è superato: le lenti si appannano e il segnale è frequentemente interrotto.
Le sorgenti luminose utilizzate sono diodi emettitori di luce (LED). Ma i LED sono sempre soggetti ad invecchiamento, che nel giro di pochi anni porta a un fascio notevolmente ridotto. Si cerca di compensare ciò utilizzando speciali regolatori che aumentano gradualmente la corrente attraverso il LED, ma purtroppo questo accelera ulteriormente il processo di invecchiamento.
Sensore magnetico
Il principio utilizzato nella scansione magnetica di una scala di misurazione ferromagnetica non presenta queste carenze. Durante molti anni di esperienza nell'uso di encoder magnetici, ci sono state occasioni in cui una guarnizione si è guastata e un generatore di impulsi è stato trovato completamente coperto da uno spesso strato di polvere dei freni e altra sporcizia, ma tali generatori di impulsi funzionavano ancora perfettamente.
Storicamente, i sistemi di sensori magnetici costano più dei sistemi ottici, ma questa differenza si sta riducendo rapidamente. I sistemi di sensori magnetici Hall e magnetoresistivi possono essere incorporati in plastica o materiale di riempimento , il che aumenta l'affidabilità meccanica ed elimina i danni causati da acqua e grasso.
I sensori di velocità delle ruote possono includere anche l' isteresi . In questo modo vengono soppresse le pulsazioni estranee quando il veicolo è fermo.
I generatori di impulsi costruiti secondo questo principio sono stati testati con successo sul campo da diversi operatori ferroviari dall'inizio del 2005. Anche il test di tipo specificato nella norma EN 50155 è stato completato con successo, in modo che questi generatori di impulsi possano ora essere consegnati.
Generatori di impulsi per sale montate con cuscinetti integrati per carrelli a rulli interni
I carrelli con perni interni richiedono particolari requisiti al progettista del generatore di impulsi perché non hanno un coperchio del cuscinetto all'estremità che funge da base da cui è possibile registrare la rotazione dell'albero della sala montata. In questo caso il generatore di impulsi deve essere montato su un mozzo d'albero fissato alla sala montata e dotato di un convertitore di coppia collegato al telaio del carrello per impedirne la rotazione.
L'estrema vibrazione in questa posizione comporta un carico considerevole sul cuscinetto del generatore di impulsi, il quale, con questo metodo di installazione, deve sostenere non solo la massa relativamente piccola dell'albero del generatore di impulsi, ma anche quella dell'intero generatore di impulsi. Se consideriamo che la durata del cuscinetto si riduce almeno con la terza potenza del carico, possiamo vedere che un generatore di impulsi affidabile e durevole per una situazione del genere non può essere semplicemente adattato dal più comune generatore di impulsi standard per carrelli esterni semplicemente adattando e flangia intermedia o costruzione simile. È davvero necessario disporre di un generatore di impulsi con un design modificato adattato ai requisiti di tale luogo.
Sensori di velocità per ruote bersaglio non magnetiche o applicazioni che producono trucioli
Alcune aziende di trasporto devono affrontare un problema particolare: l'aria in circolo che mantiene freschi i motori trasporta i trucioli abrasi dalle ruote e dalle rotaie. Questo si accumula sulle teste dei sensori magnetici. Ci sono anche sempre più motori in cui i sensori devono scansionare ruote target in alluminio , ad esempio perché le giranti sono realizzate in una lega di alluminio e il produttore non desidera doversi restringere su una corona dentata ferromagnetica separata .
Per queste applicazioni sono disponibili sensori di velocità che non richiedono un magnete target. Una serie di bobine trasmittenti e riceventi viene utilizzata per generare un campo elettrico alternato con una frequenza dell'ordine di 1 MHz e viene quindi valutata la modulazione dell'accoppiamento tra emettitore e ricevitore. Questo sensore è compatibile con l'installazione e il segnale dei sensori magnetici; per i moduli ruota bersaglio più comuni, le unità possono essere semplicemente sostituite senza che siano necessarie altre misure.
Sensori di velocità con interpolazione
I clienti spesso desiderano un numero di impulsi per giro superiore a quello ottenibile nello spazio disponibile e con il modulo più piccolo m = 1. Per raggiungere questo obiettivo, sono disponibili sensori che offrono l'interpolazione. Questi offrono un output di 2-64 volte il numero originale di denti di ingranaggio o poli magnetici sulla ruota bersaglio. La precisione dipende dalla qualità dell'input del sensore: i sensori Hall hanno un costo inferiore, ma una precisione inferiore, i sensori magnetoresistivi hanno un costo maggiore, ma una precisione maggiore.