Un sensor de velocidad de la rueda o un sensor de velocidad del vehículo (VSS) es un tipo de tacómetro . Es un dispositivo emisor que se utiliza para leer la velocidad de rotación de las ruedas de un vehículo . Por lo general, consta de un anillo dentado y una pastilla.
Sensores de velocidad de ruedas para automóviles
Propósito
El sensor de velocidad de la rueda se usó inicialmente para reemplazar el varillaje mecánico de las ruedas al velocímetro , eliminando la rotura del cable y simplificando la construcción del medidor al eliminar las partes móviles. Estos sensores también producen datos que permiten que funcionen las ayudas a la conducción automatizadas como el ABS .
Construcción
El sistema de sensor de velocidad de rueda más común consiste en un anillo reluctor dentado ferromagnético (rueda fónica) y un sensor (que puede ser pasivo o activo).
La rueda fónica generalmente está hecha de acero y puede tener un diseño al aire libre o sellada (como en el caso de los conjuntos de cojinetes unificados). El número de dientes se elige como una compensación entre detección / precisión de baja velocidad y detección / costo de alta velocidad. Un mayor número de dientes requerirá más operaciones de mecanizado y (en el caso de los sensores pasivos) producirá una señal de salida de frecuencia más alta que puede no ser tan fácil de interpretar en el extremo receptor, pero proporcionará una mejor resolución y una mayor tasa de actualización de la señal. En sistemas más avanzados, los dientes pueden tener una forma asimétrica para permitir que el sensor distinga entre la rotación hacia adelante y hacia atrás de la rueda.
Un sensor pasivo generalmente consiste en una varilla ferromagnética que está orientada para proyectarse radialmente desde la rueda fónica con un imán permanente en el extremo opuesto. La varilla está enrollada con un alambre fino que experimenta un voltaje alterno inducido a medida que gira la rueda fónica, ya que los dientes interfieren con el campo magnético. Los sensores pasivos emiten una señal sinusoidal que crece en magnitud y frecuencia con la velocidad de la rueda.
Una variación del sensor pasivo no tiene un imán que la respalde, sino una rueda de tono que consiste en polos magnéticos alternos que producen el voltaje alterno. La salida de este sensor tiende a parecerse a una onda cuadrada , en lugar de a una sinusoide, pero aún aumenta en magnitud a medida que aumenta la velocidad de las ruedas.
Un sensor activo es un sensor pasivo con circuitos de acondicionamiento de señal integrados en el dispositivo. Este acondicionamiento de la señal puede estar amplificando la magnitud de la señal; cambiar la forma de la señal a PWM , onda cuadrada u otras; o codificar el valor en un protocolo de comunicación antes de la transmisión.
Variaciones
El sensor de velocidad del vehículo (VSS) puede ser, pero no siempre, un verdadero sensor de velocidad de la rueda. Por ejemplo, en la transmisión Ford AOD , el VSS está montado en la carcasa de extensión del eje de cola y es un sensor y anillo de tono autónomo. Aunque esto no da la velocidad de la rueda (ya que cada rueda en un eje con un diferencial puede girar a diferentes velocidades, y ninguna de las dos depende únicamente del eje de transmisión para su velocidad final), en condiciones de conducción típicas, esto es lo suficientemente cerca para proporcionar la velocidad final. señal del velocímetro, y se usó para los sistemas ABS de las ruedas traseras en 1987 y posteriores Ford F-Series , las primeras camionetas con ABS.
Sensores de velocidad de propósito especial
Vehiculos de carretera
Los sensores de velocidad de las ruedas están en sistemas de frenos antibloqueo.
Sensores de velocidad giratorios para vehículos ferroviarios
Muchos de los subsistemas en un vehículo ferroviario, como una locomotora o una unidad múltiple , dependen de una señal de velocidad de rotación confiable y precisa, en algunos casos como una medida de la velocidad o cambios en la velocidad. Esto se aplica en particular al control de tracción , pero también a la protección de deslizamiento de las ruedas , el registro, el control del tren, el control de las puertas, etc. Estas tareas se realizan mediante una serie de sensores de velocidad giratoria que se pueden encontrar en varias partes del vehículo.
Las fallas del sensor de velocidad son frecuentes y se deben principalmente a las condiciones de funcionamiento extremadamente duras que se encuentran en los vehículos ferroviarios. Los estándares relevantes especifican criterios de prueba detallados, pero en la operación práctica, las condiciones encontradas son a menudo incluso más extremas (como choque / vibración y especialmente compatibilidad electromagnética (EMC)).
Sensores de velocidad rotativos para motores
Aunque los vehículos ferroviarios ocasionalmente usan transmisiones sin sensores, la mayoría necesita un sensor de velocidad giratoria para su sistema regulador. El tipo más común es un sensor de dos canales que escanea una rueda dentada en el eje del motor o caja de cambios que puede estar dedicada a este propósito o puede estar ya presente en el sistema de transmisión.
Los sensores de efecto Hall modernos de este tipo utilizan el principio de modulación del campo magnético y son adecuados para ruedas de destino ferromagnéticas con un módulo entre m = 1 ym = 3,5 (DP = 25 a DP = 7). La forma de los dientes es de importancia secundaria; Se pueden escanear ruedas de destino con dentado evolvente o rectangular. Dependiendo del diámetro y los dientes de la rueda es posible obtener entre 60 y 300 pulsos por revolución, lo que es suficiente para accionamientos de baja y media potencia de tracción.
Este tipo de sensor normalmente consta de dos sensores de efecto Hall , un imán de tierras raras y una electrónica de evaluación adecuada. El campo del imán es modulado por los dientes de destino que pasan. Esta modulación es registrada por los sensores Hall, convertida por una etapa de comparación en una señal de onda cuadrada y amplificada en una etapa de controlador.
Desafortunadamente, el efecto Hall varía mucho con la temperatura. Por lo tanto, la sensibilidad de los sensores y también la compensación de la señal dependen no solo del entrehierro sino también de la temperatura. Esto también reduce en gran medida el espacio de aire máximo permitido entre el sensor y la rueda de destino. A temperatura ambiente, se puede tolerar sin dificultad un espacio de aire de 2 a 3 mm para una rueda objetivo típica del módulo m = 2, pero en el rango de temperatura requerido de −40 ° C a 120 ° C, el espacio máximo para un registro de señal efectivo cae a 1,3 mm. Las ruedas de destino de paso más pequeño con módulo m = 1 se utilizan a menudo para obtener una resolución de tiempo más alta o para hacer que la construcción sea más compacta. En este caso, el espacio de aire máximo posible es solo de 0,5 a 0,8 mm.
Para el ingeniero de diseño, el espacio de aire visible con el que termina el sensor es principalmente el resultado del diseño específico de la máquina, pero está sujeto a las restricciones necesarias para registrar la velocidad de rotación. Si esto significa que el posible entrehierro tiene que estar dentro de un rango muy pequeño, esto también restringirá las tolerancias mecánicas de la carcasa del motor y las ruedas de destino para evitar pérdidas de señal durante el funcionamiento. Esto significa que en la práctica puede haber problemas, particularmente con ruedas objetivo de menor paso de módulo m = 1 y combinaciones desventajosas de tolerancias y temperaturas extremas. Desde el punto de vista del fabricante del motor, y más aún del operador, es mejor buscar sensores de velocidad con un rango de aire más amplio.
La señal principal de un sensor Hall pierde amplitud bruscamente a medida que aumenta el espacio de aire. Para los fabricantes de sensores Hall, esto significa que deben proporcionar la máxima compensación posible para la desviación de compensación inducida físicamente de la señal Hall. La forma convencional de hacer esto es medir la temperatura en el sensor y usar esta información para compensar el offset, pero esto falla por dos razones: en primer lugar porque la deriva no varía linealmente con la temperatura, y en segundo lugar porque ni siquiera el signo de la deriva es la misma para todos los sensores.
Algunos sensores ofrecen ahora un procesador de señales integrado que intenta corregir el desplazamiento y la amplitud de las señales del sensor Hall. Esta corrección permite un entrehierro máximo permisible más grande en el sensor de velocidad. En una rueda de destino del módulo m = 1, estos nuevos sensores pueden tolerar un espacio de aire de 1,4 mm, que es más ancho que el de los sensores de velocidad convencionales en las ruedas de destino del módulo m = 2. En una rueda objetivo de módulo m = 2, los nuevos sensores de velocidad pueden tolerar un espacio de hasta 2,2 mm. También ha sido posible aumentar notablemente la calidad de la señal. Tanto el ciclo de trabajo como el desplazamiento de fase entre los dos canales son al menos tres veces más estables frente al entrehierro fluctuante y la variación de temperatura. Además, a pesar de la compleja electrónica, también ha sido posible aumentar el tiempo medio entre fallos de los nuevos sensores de velocidad en un factor de tres a cuatro. Por lo tanto, no solo brindan señales más precisas, sino que su disponibilidad de señal también es significativamente mejor.
Una alternativa a los sensores de efecto Hall con engranajes son los sensores o codificadores que utilizan [magnetorresistencia]. Debido a que la rueda de destino es un imán multipolar activo, los espacios de aire pueden ser aún mayores, hasta 4.0 mm. Debido a que los sensores magnetorresistivos son sensibles al ángulo e insensibles a la amplitud, la calidad de la señal aumenta con respecto a los sensores Hall en aplicaciones de espacios fluctuantes. Además, la calidad de la señal es mucho mayor, lo que permite la [interpolación] dentro del sensor / codificador o mediante un circuito externo.
Encoders de motor con cojinetes integrados
Existe un límite en el número de pulsos que pueden alcanzar los sensores Hall sin cojinetes integrados: con una rueda objetivo de 300 mm de diámetro, normalmente no es posible superar los 300 pulsos por revolución. Pero muchas locomotoras y unidades eléctricas múltiples (EMU) necesitan un mayor número de pulsos para el funcionamiento adecuado del convertidor de tracción, por ejemplo, cuando existen limitaciones estrictas en el regulador de tracción a bajas velocidades.
Estas aplicaciones de sensores de efecto Hall pueden beneficiarse de los cojinetes incorporados, que pueden tolerar un entrehierro de muchos órdenes de magnitud más pequeño debido al juego muy reducido en el sensor real en comparación con el cojinete del motor. Esto permite elegir un paso mucho más pequeño para la escala de medición, hasta el módulo m = 0,22. Asimismo, los sensores magnetorresistivos ofrecen una resolución y precisión aún mayores que los sensores Hall cuando se implementan en codificadores de motor con cojinetes integrados.
Para una precisión de señal aún mayor, se puede utilizar un codificador de precisión.
Los principios funcionales de los dos codificadores son similares: un sensor magnetorresistivo multicanal escanea una rueda de destino con 256 dientes, generando señales de seno y coseno . La interpolación arcoingente se utiliza para generar pulsos rectangulares a partir de los períodos de señal seno / coseno. El codificador de precisión también posee funciones de corrección de amplitud y desplazamiento. Esto permite mejorar aún más la calidad de la señal, lo que mejora en gran medida la regulación de la tracción.
Sensores de velocidad en el juego de ruedas
Sensores de velocidad de juego de ruedas sin cojinetes
Los sensores de velocidad sin cojinetes se pueden encontrar en casi todos los juegos de ruedas de un vehículo ferroviario. Se utilizan principalmente para la protección contra el deslizamiento de las ruedas y generalmente los suministra el fabricante del sistema de protección contra el deslizamiento de las ruedas. Estos sensores requieren un espacio de aire suficientemente pequeño y deben ser particularmente confiables. Una característica especial de los sensores de velocidad giratorios que se utilizan para la protección contra el deslizamiento de las ruedas son sus funciones de monitoreo integradas. Los sensores de dos hilos con una salida de corriente de 7 mA / 14 mA se utilizan para detectar cables rotos. Otros diseños proporcionan un voltaje de salida de alrededor de 7 V tan pronto como la frecuencia de la señal cae por debajo de 1 Hz. Otro método utilizado es detectar una señal de salida de 50 MHz del sensor cuando la fuente de alimentación se modula periódicamente a 50 MHz. También es común que los sensores de dos canales tengan canales eléctricamente aislados.
De vez en cuando es necesario eliminar la señal de protección contra el deslizamiento de la rueda en el motor de tracción , y la frecuencia de salida suele ser demasiado alta para la electrónica de protección contra el deslizamiento de las ruedas. Para esta aplicación, se puede utilizar un sensor de velocidad con un codificador o divisor de frecuencia integrado.
Generador de impulsos de ruedas con rodamiento integrado
Un vehículo ferroviario, particularmente una locomotora , posee numerosos subsistemas que requieren señales de velocidad separadas eléctricamente aisladas. Por lo general, no hay suficientes lugares de montaje ni suficiente espacio donde se puedan instalar generadores de impulsos separados. Los generadores de impulsos multicanal que se montan con bridas en los cojinetes o cubiertas de los juegos de ruedas ofrecen una solución. El uso de una serie de sensores de velocidad sin cojinetes también implicaría cables adicionales, que deberían evitarse preferiblemente para los equipos de exterior porque son muy susceptibles a daños, por ejemplo, por el balasto de la vía en vuelo .
Sensor óptico
Se pueden implementar de uno a cuatro canales, cada canal tiene un fotosensor que escanea una de como máximo dos pistas de señal en un disco ranurado. La experiencia demuestra que el número posible de canales que se pueden conseguir con esta técnica todavía no es suficiente. Por lo tanto, varios subsistemas tienen que conformarse con señales en bucle de la electrónica de protección contra el deslizamiento de las ruedas y, por lo tanto, se ven obligados a aceptar, por ejemplo, el número de pulsos disponible, aunque una señal de velocidad separada podría tener algunas ventajas.
El uso de sensores ópticos está muy extendido en la industria. Desafortunadamente, tienen dos debilidades fundamentales que siempre han dificultado que funcionen de manera confiable durante varios años, a saber, los componentes ópticos son extremadamente susceptibles a la suciedad y la fuente de luz envejece demasiado rápido.
Incluso los rastros de suciedad reducen en gran medida la cantidad de luz que atraviesa la lente y pueden provocar la pérdida de señal. Por lo tanto, se requiere que estos codificadores estén muy bien sellados. Se encuentran más problemas cuando los generadores de impulsos se utilizan en entornos en los que pasa el punto de rocío: las lentes se empañan y la señal se interrumpe con frecuencia.
Las fuentes de luz utilizadas son diodos emisores de luz (LED). Pero los LED siempre están sujetos al envejecimiento, lo que durante unos años conduce a un haz notablemente reducido. Se intenta compensar esto mediante el uso de reguladores especiales que aumentan gradualmente la corriente a través del LED, pero desafortunadamente esto acelera aún más el proceso de envejecimiento.
Sensor magnético
El principio utilizado para escanear magnéticamente una escala de medición ferromagnética no presenta estas deficiencias. Durante muchos años de experiencia en el uso de codificadores magnéticos, ha habido ocasiones en las que un sello ha fallado y un generador de impulsos está completamente cubierto por una capa gruesa de polvo de frenos y otra suciedad, pero estos generadores de impulsos siguen funcionando perfectamente.
Históricamente, los sistemas de sensores magnéticos cuestan más que los sistemas ópticos, pero esta diferencia se está reduciendo rápidamente. Los sistemas de sensores magnéticos y magnetorresistivos se pueden incrustar en plástico o material de encapsulado , lo que aumenta la confiabilidad mecánica y elimina los daños causados por el agua y la grasa.
Los sensores de velocidad de las ruedas también pueden incluir histéresis . Esto suprime cualquier pulso extraño mientras el vehículo está parado.
Los generadores de impulsos construidos de acuerdo con este principio han sido probados con éxito en campo por varios operadores ferroviarios desde principios de 2005. La prueba de tipo especificada en EN 50155 [1] también se ha completado con éxito, por lo que estos generadores de impulsos ahora pueden entregarse.
Generadores de impulsos de ruedas con cojinetes integrados para bogies con muñones interiores
Los bogies con muñones interiores plantean exigencias especiales al diseñador del generador de impulsos porque no tienen una cubierta de cojinete en el extremo que sirva de base a partir de la cual se pueda registrar la rotación del eje del juego de ruedas. En este caso, el generador de impulsos debe montarse en un muñón del eje unido al juego de ruedas y equipado con un convertidor de par conectado al bastidor del bogie para evitar que gire.
La vibración extrema en esta ubicación conduce a una carga considerable en el cojinete del generador de impulsos, que, con este método de instalación, tiene que soportar no solo la masa relativamente pequeña del eje del generador de impulsos, sino la de todo el generador de impulsos. Cuando consideramos que la vida útil del rodamiento se reduce con al menos la tercera potencia de la carga, podemos ver que un generador de impulsos confiable y duradero para tal situación no puede simplemente adaptarse del generador de impulsos estándar más común para bogies con muñones externos simplemente ajustando y ajustando brida intermedia o construcción similar. Realmente es necesario tener un generador de impulsos con un diseño modificado adaptado a los requisitos de dicha ubicación.
Sensores de velocidad para ruedas de destino no magnéticas o aplicaciones que producen virutas
Algunas empresas de transporte se enfrentan a un problema especial: el aire circulante que mantiene fríos los motores transporta virutas de las ruedas y los rieles. Esto se acumula en las cabezas de los sensores magnéticos. También hay cada vez más motores en los que los sensores tienen que escanear ruedas de destino de aluminio , por ejemplo, porque los impulsores están hechos de una aleación de aluminio y el fabricante no desea tener que encoger en una llanta de engranaje ferromagnético separada .
Para estas aplicaciones, hay sensores de velocidad disponibles que no requieren un imán de destino. [2] Se utilizan varias bobinas de transmisión y recepción para generar un campo eléctrico alterno con una frecuencia del orden de 1 MHz y luego se evalúa la modulación del acoplamiento entre emisores y receptores. Este sensor es compatible con la instalación y la señal de los sensores magnéticos; para los módulos de rueda de destino más comunes, las unidades pueden simplemente reemplazarse sin que sea necesario tomar otras medidas.
Sensores de velocidad con interpolación
Los clientes a menudo quieren un mayor número de pulsos por revolución que el que se puede lograr en el espacio disponible y con el módulo más pequeño m = 1. Para lograr este objetivo, hay sensores disponibles que ofrecen interpolación. Estos ofrecen una salida de 2-64 veces el número original de dientes de engranaje o polos magnéticos en la rueda de destino. La precisión depende de la calidad de la entrada del sensor: los sensores Hall son de menor costo, pero de menor precisión, los sensores magnetorresistivos son de mayor costo, pero mayor precisión.
Referencias
- ^ Norma EN 50155. Equipos electrónicos en vehículos ferroviarios . selectron.ch
- ^ "Detección de Geartooth" . phareselectronics.com . Consultado el 26 de mayo de 2015 .
enlaces externos
- Sensores de velocidad de las ruedas en vehículos de motor: función, diagnóstico y resolución de problemas, Hella
- Equipo de seguridad para vehículos "Drive Safer America"