Sensor de velocidade da roda - Wheel speed sensor
Um sensor de velocidade da roda ou sensor de velocidade do veículo (VSS) é um tipo de tacômetro . É um dispositivo emissor usado para ler a velocidade de rotação das rodas de um veículo . Geralmente consiste em um anel dentado e um captador.
Sensor de velocidade da roda automotiva
Propósito
O sensor de velocidade da roda foi inicialmente usado para substituir a ligação mecânica das rodas ao velocímetro , eliminando a quebra do cabo e simplificando a construção do medidor, eliminando partes móveis. Esses sensores também produzem dados que permitem que os auxiliares de direção automatizados, como o ABS, funcionem.
Construção
O sistema de sensor de velocidade de roda mais comum consiste em um anel relutor dentado ferromagnético (roda de tom) e um sensor (que pode ser passivo ou ativo).
A roda de tom é normalmente feita de aço e pode ser um projeto ao ar livre ou vedado (como no caso de conjuntos de rolamentos unificados). O número de dentes é escolhido como uma compensação entre detecção / precisão de baixa velocidade e detecção / custo de alta velocidade. Um número maior de dentes exigirá mais operações de usinagem e (no caso de sensores passivos) produzirá um sinal de saída de frequência mais alta que pode não ser tão facilmente interpretado na extremidade receptora, mas oferece uma resolução melhor e uma taxa de atualização de sinal mais alta. Em sistemas mais avançados, os dentes podem ter formato assimétrico para permitir que o sensor distinga entre a rotação para frente e para trás da roda.
Um sensor passivo normalmente consiste em uma haste ferromagnética que é orientada para se projetar radialmente da roda de tons com um ímã permanente na extremidade oposta. A haste é enrolada com um fio fino que experimenta uma tensão alternada induzida conforme a roda de tom gira, conforme os dentes interferem no campo magnético. Os sensores passivos emitem um sinal sinusoidal que aumenta em magnitude e frequência com a velocidade da roda.
Uma variação do sensor passivo não tem um ímã por trás, mas sim uma roda de tons que consiste em pólos magnéticos alternados que produzem a voltagem alternada. A saída deste sensor tende a se assemelhar a uma onda quadrada , em vez de uma sinusóide, mas ainda aumenta em magnitude à medida que a velocidade das rodas aumenta.
Um sensor ativo é um sensor passivo com circuito de condicionamento de sinal embutido no dispositivo. Este condicionamento de sinal pode estar ampliando a magnitude do sinal; alterar a forma do sinal para PWM , onda quadrada ou outros; ou codificar o valor em um protocolo de comunicação antes da transmissão.
Variações
O sensor de velocidade do veículo (VSS) pode ser, mas nem sempre, um verdadeiro sensor de velocidade da roda. Por exemplo, na transmissão Ford AOD , o VSS é montado na caixa de extensão do eixo traseiro e é um anel de tom e sensor autônomo. Embora isso não forneça a velocidade da roda (como cada roda em um eixo com um diferencial é capaz de girar em velocidades diferentes, e nem depende exclusivamente do eixo de transmissão para sua velocidade final), em condições de condução típicas, é perto o suficiente para fornecer o sinal de velocímetro, e foi usado para os sistemas ABS da roda traseira em 1987 e mais recente Ford F-Series , as primeiras pickups com ABS.
Sensores de velocidade para fins especiais
Veículos rodoviários
Os sensores de velocidade das rodas são um componente crítico dos sistemas de frenagem antibloqueio .
Sensores de velocidade rotativos para veículos ferroviários
Muitos dos subsistemas em um veículo ferroviário, como uma locomotiva ou unidade múltipla , dependem de um sinal de velocidade rotativa confiável e preciso, em alguns casos como uma medida da velocidade ou mudanças na velocidade. Isso se aplica em particular ao controle de tração , mas também à proteção deslizante das rodas , registro, controle do trem, controle da porta e assim por diante. Essas tarefas são realizadas por uma série de sensores de velocidade rotativos que podem ser encontrados em várias partes do veículo.
As falhas do sensor de velocidade são frequentes e devem-se principalmente às condições operacionais extremamente adversas encontradas nos veículos ferroviários. Os padrões relevantes especificam critérios de teste detalhados, mas na operação prática as condições encontradas são frequentemente ainda mais extremas (como choque / vibração e especialmente compatibilidade eletromagnética (EMC)).
Sensores de velocidade rotativa para motores
Embora veículos ferroviários ocasionalmente usem acionamentos sem sensores, a maioria precisa de um sensor de velocidade rotativo para seu sistema regulador. O tipo mais comum é um sensor de dois canais que faz a varredura de uma roda dentada no eixo do motor ou caixa de engrenagens que pode ser dedicada a este propósito ou pode já estar presente no sistema de acionamento.
Os modernos sensores de efeito Hall deste tipo utilizam o princípio da modulação do campo magnético e são adequados para alvos ferromagnéticos com um módulo entre m = 1 e m = 3,5 (DP = 25 a DP = 7). A forma dos dentes é de importância secundária; rodas-alvo com dentes evolventes ou retangulares podem ser escaneadas. Dependendo do diâmetro e dos dentes da roda, é possível obter entre 60 e 300 pulsos por rotação, o que é suficiente para acionamentos de desempenho de tração médio e baixo.
Este tipo de sensor normalmente consiste em dois sensores de efeito Hall , um ímã de terras raras e componentes eletrônicos de avaliação apropriados. O campo do ímã é modulado pela passagem dos dentes alvo. Essa modulação é registrada pelos sensores Hall, convertidos por um estágio comparador em um sinal de onda quadrada e amplificada em um estágio driver.
Infelizmente, o efeito Hall varia muito com a temperatura. A sensibilidade dos sensores e também o deslocamento do sinal, portanto, dependem não apenas do entreferro, mas também da temperatura. Isso também reduz muito a folga de ar máxima permitida entre o sensor e a roda-alvo. À temperatura ambiente, uma lacuna de ar de 2 a 3 mm pode ser tolerada sem dificuldade para uma roda-alvo típica de módulo m = 2, mas na faixa de temperatura necessária de −40 ° C a 120 ° C a lacuna máxima para registro de sinal eficaz cai para 1,3 mm. Rodas alvo de passo menor com módulo m = 1 são freqüentemente usadas para obter uma resolução de tempo maior ou para tornar a construção mais compacta. Neste caso, o entreferro máximo possível é de apenas 0,5 a 0,8 mm.
Para o engenheiro de projeto, o entreferro visível com o qual o sensor termina é principalmente o resultado do projeto específico da máquina, mas está sujeito a quaisquer restrições necessárias para registrar a velocidade de rotação. Se isso significa que o possível entreferro deve estar dentro de uma faixa muito pequena, então isso também restringirá as tolerâncias mecânicas da carcaça do motor e das rodas-alvo para evitar quedas de sinal durante a operação. Isso significa que na prática pode haver problemas, particularmente com rodas-alvo com inclinação menor do módulo m = 1 e combinações desvantajosas de tolerâncias e temperaturas extremas. Do ponto de vista do fabricante do motor, e ainda mais do operador, é melhor procurar sensores de velocidade com uma faixa mais ampla de entreferro.
O sinal primário de um sensor Hall perde amplitude abruptamente à medida que o entreferro aumenta. Para os fabricantes de sensores Hall, isso significa que eles precisam fornecer a compensação máxima possível para o desvio de deslocamento fisicamente induzido do sinal Hall. A maneira convencional de fazer isso é medir a temperatura no sensor e usar essa informação para compensar o deslocamento, mas isso falha por dois motivos: primeiro porque a deriva não varia linearmente com a temperatura e, segundo, porque nem mesmo o sinal de a deriva é a mesma para todos os sensores.
Alguns sensores agora oferecem um processador de sinal integrado que tenta corrigir o deslocamento e a amplitude dos sinais do sensor Hall. Esta correção permite um maior intervalo de ar máximo permitido no sensor de velocidade. Em um módulo m = 1 roda-alvo, esses novos sensores podem tolerar um entreferro de 1,4 mm, que é mais amplo do que para os sensores de velocidade convencionais no módulo m = 2 rodas-alvo. Em um módulo m = 2 roda-alvo, os novos sensores de velocidade podem tolerar lacunas de até 2,2 mm. Também foi possível aumentar significativamente a qualidade do sinal. Tanto o ciclo de trabalho quanto o deslocamento de fase entre os dois canais são pelo menos três vezes mais estáveis em face de entreferro flutuante e desvio de temperatura. Além disso, apesar da eletrônica complexa, também foi possível aumentar o tempo médio entre falhas para os novos sensores de velocidade por um fator de três a quatro. Portanto, eles não apenas fornecem sinais mais precisos, como também a disponibilidade do sinal é significativamente melhor.
Uma alternativa aos sensores de efeito Hall com engrenagens são os sensores ou codificadores que usam [magnetorresistência]. Como a roda alvo é um ímã multipolar ativo, os entreferros podem ser ainda maiores, de até 4,0 mm. Como os sensores magnetorresistivos são sensíveis ao ângulo e insensíveis à amplitude, a qualidade do sinal é melhorada em relação aos sensores Hall em aplicações de intervalo flutuante. Além disso, a qualidade do sinal é muito maior, permitindo [interpolação] dentro do sensor / codificador ou por um circuito externo.
Codificadores de motor com rolamentos integrados
Há um limite para o número de pulsos alcançáveis por sensores Hall sem rolamentos integrados: com uma roda-alvo de 300 mm de diâmetro, normalmente não é possível ir além de 300 pulsos por revolução. Mas muitas locomotivas e unidades elétricas múltiplas (EMUs) precisam de um número maior de pulsos para a operação adequada do conversor de tração, por exemplo, quando há restrições rígidas no regulador de tração em baixas velocidades.
Essas aplicações de sensor de efeito Hall podem se beneficiar de rolamentos embutidos, que podem tolerar um entreferro muitas ordens de magnitude menor por causa da folga muito reduzida no sensor real em oposição ao rolamento do motor. Isso torna possível escolher um passo muito menor para a escala de medição, até o módulo m = 0,22. Da mesma forma, os sensores magnetorresistivos oferecem resolução e precisão ainda maiores do que os sensores Hall quando implementados em encoders de motor com mancais integrados.
Para uma precisão de sinal ainda maior, um codificador de precisão pode ser usado.
Os princípios funcionais dos dois codificadores são semelhantes: um sensor magneto-resistivo multicanal faz a varredura de uma roda-alvo com 256 dentes, gerando sinais de seno e cosseno . A interpolação arco-tangente é usada para gerar pulsos retangulares dos períodos de sinal de seno / cosseno. O codificador de precisão também possui funções de correção de amplitude e deslocamento. Isso torna possível melhorar ainda mais a qualidade do sinal, o que melhora muito a regulação da tração.
Sensores de velocidade no rodado
Sensores de velocidade do rodado sem rolamentos
Sensores de velocidade sem rolamentos podem ser encontrados em quase todos os rodados de um veículo ferroviário. Eles são usados principalmente para proteção de deslizamento de roda e geralmente fornecidos pelo fabricante do sistema de proteção de deslizamento de roda. Esses sensores requerem um espaço de ar suficientemente pequeno e precisam ser particularmente confiáveis. Um recurso especial dos sensores de velocidade rotativos usados para proteção de deslizamento das rodas são suas funções de monitoramento integradas. Sensores de dois fios com saída de corrente de 7 mA / 14 mA são usados para detectar cabos rompidos. Outros projetos fornecem uma tensão de saída de cerca de 7 V assim que a frequência do sinal cair abaixo de 1 Hz. Outro método usado é detectar um sinal de saída de 50 MHz do sensor quando a fonte de alimentação é modulada periodicamente em 50 MHz. Também é comum que sensores de dois canais tenham canais eletricamente isolados.
Ocasionalmente, é necessário remover o sinal de proteção de deslizamento da roda no motor de tração , e a frequência de saída é então freqüentemente muito alta para a eletrônica de proteção de deslizamento da roda. Para esta aplicação, pode ser utilizado um sensor de velocidade com um divisor de frequência integrado ou codificador.
Gerador de pulso de rodado com rolamento integrado
Um veículo ferroviário, particularmente uma locomotiva , possui vários subsistemas que requerem sinais de velocidade separados e eletricamente isolados. Normalmente não há locais de montagem suficientes nem espaço suficiente onde geradores de pulso separados possam ser instalados. Os geradores de impulsos multicanais montados com flange nos casquilhos ou tampas dos rodados oferecem uma solução. O uso de vários sensores de velocidade sem rolamentos também envolveria cabos adicionais, que devem ser evitados de preferência para equipamentos externos porque são muito suscetíveis a danos, por exemplo, de lastro de pista flutuante .
Sensor óptico
Podem ser implementados de um a quatro canais, cada canal tendo um fotossensor que varre uma de no máximo duas trilhas de sinal em um disco com fenda. A experiência mostra que o número possível de canais alcançáveis por esta técnica ainda não é suficiente. Vários subsistemas, portanto, têm que se contentar com sinais em loop da eletrônica de proteção de deslizamento da roda e, portanto, são forçados a aceitar, por exemplo, o número disponível de pulsos, embora um sinal de velocidade separado possa muito bem ter algumas vantagens.
O uso de sensores ópticos é amplamente difundido na indústria. Infelizmente, eles têm duas fraquezas fundamentais que sempre dificultaram o seu funcionamento confiável ao longo de vários anos, a saber - os componentes ópticos são extremamente suscetíveis à sujeira e - a fonte de luz envelhece muito rapidamente.
Mesmo vestígios de sujeira reduzem muito a quantidade de luz que passa através da lente e pode causar queda de sinal. Portanto, esses codificadores devem ser muito bem vedados. Outros problemas são encontrados quando os geradores de pulso são usados em ambientes nos quais o ponto de orvalho é ultrapassado: as lentes embaçam e o sinal é freqüentemente interrompido.
As fontes de luz utilizadas são diodos emissores de luz (LEDs). Mas os LEDs estão sempre sujeitos ao envelhecimento, o que, ao longo de alguns anos, leva a um feixe visivelmente reduzido. São feitas tentativas para compensar isso usando reguladores especiais que aumentam gradualmente a corrente através do LED, mas infelizmente isso acelera ainda mais o processo de envelhecimento.
Sensor magnético
O princípio usado na varredura de uma escala de medição ferromagnética magneticamente não exibe essas deficiências. Durante muitos anos de experiência no uso de codificadores magnéticos, houve ocasiões em que uma vedação falhou e um gerador de pulsos foi descoberto completamente coberto por uma espessa camada de poeira de freio e outras sujeiras, mas esses geradores de pulso ainda funcionavam perfeitamente.
Historicamente, os sistemas de sensores magnéticos custam mais do que os sistemas ópticos, mas essa diferença está diminuindo rapidamente. Os sistemas de Hall magnético e sensores magnetorresistivos podem ser embutidos em plástico ou material de envasamento , o que aumenta a confiabilidade mecânica e elimina danos por água e graxa.
Os sensores de velocidade da roda também podem incluir histerese . Isso suprime todos os pulsos estranhos enquanto o veículo está parado.
Os geradores de pulso construídos de acordo com este princípio foram testados com sucesso em campo por vários operadores ferroviários desde o início de 2005. O teste de tipo especificado na EN 50155 também foi concluído com sucesso, de modo que esses geradores de pulso agora podem ser entregues.
Geradores de pulso de rodado com rolamentos integrados para truques internos do munhão
Os truques do munhão interno impõem exigências específicas ao projetista do gerador de pulsos porque não possuem cobertura de rolamento na extremidade para servir como base a partir da qual a rotação do eixo do rodado pode ser registrada. Neste caso, o gerador de pulsos deve ser montado em uma ponta de eixo presa ao rodado e equipada com um conversor de torque conectado à estrutura do bogie para evitar que ele gire.
A vibração extrema neste local leva a uma carga considerável no mancal do gerador de pulsos, que, com este método de instalação, tem que carregar não apenas a massa relativamente pequena do eixo do gerador de pulsos, mas de todo o gerador de pulsos. Quando consideramos que a vida útil do rolamento reduz com pelo menos a terceira potência da carga, podemos ver que um gerador de pulso confiável e durável para tal situação não pode ser simplesmente adaptado do gerador de pulso padrão mais comum para bogies externos meramente encaixando e flange intermediário ou construção semelhante. É realmente necessário ter um gerador de pulsos com um design modificado adaptado às exigências de tal local.
Sensores de velocidade para rodas-alvo não magnéticas ou aplicações que produzem limalhas
Algumas empresas de transporte enfrentam um problema especial: a circulação de ar que mantém os motores resfriados carrega limalhas raspadas das rodas e dos trilhos. Isso se acumula nas cabeças dos sensores magnéticos. Também há cada vez mais motores nos quais os sensores precisam escanear as rodas-alvo de alumínio , por exemplo, porque os impulsores são feitos de uma liga de alumínio e o fabricante não deseja ter que encolher em um aro de engrenagem ferromagnético separado .
Para essas aplicações, existem sensores de velocidade disponíveis que não requerem um ímã alvo. Uma série de bobinas de transmissão e recepção são usadas para gerar um campo elétrico alternado com uma frequência da ordem de 1 MHz e a modulação do acoplamento entre emissores e receptores é então avaliada. Este sensor é de instalação e sinal compatível com os sensores magnéticos; para a maioria dos módulos de roda-alvo comuns, as unidades podem ser simplesmente substituídas sem que quaisquer outras medidas sejam necessárias.
Sensores de velocidade com interpolação
Os clientes geralmente desejam um número maior de pulsos por revolução do que pode ser alcançado no espaço disponível e com o menor módulo m = 1. Para atingir esse objetivo, estão disponíveis sensores que oferecem interpolação. Eles oferecem saída de 2 a 64 vezes o número original de dentes de engrenagem ou pólos magnéticos na roda alvo. A precisão depende da qualidade da entrada do sensor: os sensores Hall têm custo menor, mas menor precisão, os sensores magnetorresistivos têm custo mais alto, mas maior precisão.