中心議題：

• 感應無(wú)線(xiàn)位置檢測系統總體結構
• 感應無(wú)線(xiàn)位置檢測方法研究
• 感應無(wú)線(xiàn)位置檢測電路

解決方案：

• APD檢測和HRPD檢測
• 感應無(wú)線(xiàn)位置檢測實(shí)例分析
• 感應無(wú)線(xiàn)位置檢測實(shí)驗

工業(yè)作業(yè)機車(chē)的自動(dòng)定位是機車(chē)自動(dòng)化操作的基礎，它要求檢測裝置能精確、快速、可靠地檢測機車(chē)行走位置。感應無(wú)線(xiàn)技術(shù)是二十世紀七十年代末在日本發(fā)展起來(lái)的一項新的工業(yè)應用技術(shù)，主要是針對工業(yè)生產(chǎn)中大型移動(dòng)機車(chē)的自動(dòng)化而研制的。感應無(wú)線(xiàn)位置檢測是通過(guò)安裝在移動(dòng)機車(chē)上的天線(xiàn)箱中的感應線(xiàn)圈與敷設在地面軌道旁的編碼電纜中傳輸對線(xiàn)之間的電磁感應，檢測感應信號的相位與幅度，從而得到移動(dòng)機車(chē)的位置。感應無(wú)線(xiàn)位置檢測的特點(diǎn)是重復性好、檢測精度高、安全性好、適用性強、抗干擾性強、可靠性高。

1 感應無(wú)線(xiàn)位置檢測系統總體結構

自動(dòng)控制系統中，必須解決兩個(gè)基本問(wèn)題：a.控制和受控雙方可靠的數據通信；b.移動(dòng)機車(chē)所在位置的位置檢測。感應無(wú)線(xiàn)位置檢測系統，將感應無(wú)線(xiàn)數據通信和位置檢測融合在一個(gè)系統中，它由位置信號發(fā)生器、編碼電纜、感應天線(xiàn)、位置檢測器組成。其中感應天線(xiàn)箱安裝在移動(dòng)機車(chē)上隨機車(chē)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、匹配阻抗構成。感應無(wú)線(xiàn)位置檢測系統框圖如圖1所示。

圖1 感應無(wú)線(xiàn)位置檢測系統框圖

2 感應無(wú)線(xiàn)位置檢測方法研究

2.1 APD檢測
一般位置檢測（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位置傳輸對線(xiàn)發(fā)送載波信號，天線(xiàn)箱中的感應線(xiàn)圈作接收線(xiàn)圈，移動(dòng)機車(chē)上的位置檢測器檢測接收線(xiàn)圈收到的載波信號，進(jìn)而得到接收線(xiàn)圈的位置。APD檢測結構平鋪圖如圖2所示。

圖2 APD檢測結構平鋪圖

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在t0、t1、t2、t3、t4時(shí)間段，分別向傳輸對線(xiàn)R、R’、G2、G1、G0發(fā)送載波信號，在t5時(shí)間段不發(fā)送。車(chē)上天線(xiàn)箱中有兩個(gè)接收線(xiàn)圈：接收線(xiàn)圈0和接收線(xiàn)圈1。APD檢測是從接收線(xiàn)圈0感應信號的相位中得到APD位置。在t0時(shí)間段，線(xiàn)圈0感應的是R線(xiàn)發(fā)送的信號，稱(chēng)為R信號；在t1時(shí)間段，線(xiàn)圈0感應的是R’信號，R’信號與R信號反相，記為=1，作為起始位；在t2時(shí)間段，線(xiàn)圈0感應的是G2線(xiàn)發(fā)送的信號，G2=0或1，取決于接收線(xiàn)圈0的位置。若接收線(xiàn)圈0的中線(xiàn)分別在①、②、③、④的位置，則接收線(xiàn)圈0的接收信號的相位如圖3所示。

圖3 接收信號相位示意圖

由于各路G對線(xiàn)按照格雷碼規則交叉，所以相位比較的結果數據G2 G1 G0是一組格雷碼，設格雷碼G2 G1 G0對應的十進(jìn)制數為g，即g為APD位置數據。對圖3中的二進(jìn)制絕對相移鍵控（2PSK）調制信號進(jìn)行解調，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?？傻玫紸PD位置公式為： APD=g X r

2.2 HRPD檢測
高分辨率位置檢測（HRPD）原理：位置信號發(fā)生器分別對傳輸對線(xiàn)G0、發(fā)送載波，檢測接收天線(xiàn)線(xiàn)圈1感應信號幅度，通過(guò)運算得到HR-PD位置。以線(xiàn)圈1中心線(xiàn)為移動(dòng)機車(chē)的位置，傳輸對線(xiàn)兩交叉間的區域稱(chēng)為K區域K=I,II,III…）；線(xiàn)圈1中心線(xiàn)偏離G0、傳輸對線(xiàn)所在區域中心線(xiàn)距離分別為d0、d1，顯然d0+d1=r。HRPD位置檢測如圖4所示。

圖4 HRPD檢測平鋪圖

在t6時(shí)間段，位置信號發(fā)生器對G0傳輸對線(xiàn)發(fā)送載波時(shí)，G0的III區域對線(xiàn)圈1的感應面積為：S=（W-d0）xB，G0的II區域對線(xiàn)圈1的感應面積為S=d0×B，由于II、III區域對線(xiàn)圈1產(chǎn)生的感應信號相位相反，所以線(xiàn)圈1有效感應面積S=（W-d0）×B-d0×B=2（r-d0）×B。設線(xiàn)圈1最大感應面積Smax=W×B=2r×B，對應感應信號最大幅度為Amax（y,z），則有：

在t7時(shí)間段，位置信號發(fā)生器對傳輸對線(xiàn)發(fā)送載波時(shí)，對線(xiàn)圈1感應信號作相同的分析，得：

令

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且有：
（1）線(xiàn)圈1的中心位于G0兩交叉間左半部（圖4位置①），此處檢測出來(lái)的APD位置數據g為奇數，則HRPD=d1=P0×r。
（2）發(fā)送線(xiàn)圈的中心位于兩交叉間左半部（圖4位置②），此處檢測出來(lái)的APD位置數據g為偶數，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 感應無(wú)線(xiàn)位置檢測實(shí)例分析
假定r=10cm。對天線(xiàn)箱線(xiàn)圈1分別處于圖4中的位置①、②、③，為分析方便只寫(xiě)三對G傳輸線(xiàn)，則有：

（1）線(xiàn)圈1處于位置①

若G2 G1 G0=010，即g=3，則APD=2×r=30cm。
若測得傳輸對線(xiàn)G0、的幅度為：A（G0）=0.38Amax，A（G''0）=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(xiàn)圈1處于位置②

若G2 G1 G0=011，即g=4，則APD=g×r=40cm。
若測得傳輸對線(xiàn)G0、的幅度為：A（G0）=A（G''0）=0.5Amax，
同理可得：P0=P1=0.5，HRPD=P1×r=0.5×10cm=5cm；ADD=APD+HRPD=45cm。

（3）線(xiàn)圈1處于位置③

A（G0）=Amax，A（G''0）=0，可得P0=1，P1=0。由于A(yíng)（G0）=0，G1感應信號與基準信號比較，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 感應無(wú)線(xiàn)位置檢測電路

感應無(wú)線(xiàn)位置檢測系統電路框圖如圖5所示。當中控室地面局開(kāi)始發(fā)送載波信號時(shí)，DCD=1；CPU檢測到DCD后，對2PSK解調輸出檢測，將第1個(gè)1作為起始位進(jìn)行串行數據接收，得到APD位置數據g；在檢測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(xiàn)圈0接收的信號幅度A（AN0）和接收線(xiàn)圈1接收的信號幅度A（AN1），將各數據代入公式（5）～（8），可得移動(dòng)機車(chē)位置ADD。

圖5 感應無(wú)線(xiàn)位置檢測電路框圖

4 感應無(wú)線(xiàn)位置檢測實(shí)驗

實(shí)驗方法：在編碼電纜任找一處反復移動(dòng)天線(xiàn)箱，直至檢測到A（G''0）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(xiàn)箱在此附近每隔2mm移動(dòng)一次，記錄每次所檢測的A（G0）和A（G''0），并根據檢測的數據計算出位置數據：HRPD、ADD。同理，在30.000m處作同樣測試。部分檢測數據和計算結果如表1所示.

表1 位置檢測部分實(shí)測數據和計算結果

實(shí)驗結果說(shuō)明：a.實(shí)測位置與理論上對應位置偏差較??；b.位置檢測精度高，分辨率為2mm。為了減小誤差，實(shí)際應用中將多次實(shí)驗的數據制成表格，計算出HRPD，并進(jìn)行修正。

5 結論

本文設計的感應無(wú)線(xiàn)位置檢測系統，是利用編碼電纜中傳輸對線(xiàn)和天線(xiàn)箱線(xiàn)圈的電磁感應來(lái)實(shí)現移動(dòng)機車(chē)位置檢測的，采用的是非接觸式的絕對位置檢測方式，克服了傳統有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)位置檢測的缺陷，可滿(mǎn)足移動(dòng)機車(chē)精確定位的要求。目前，感應無(wú)線(xiàn)位置檢測技術(shù)已被應用到焦爐工業(yè)移動(dòng)機車(chē)位置檢測中，用于對推焦車(chē)、熄焦車(chē)、裝煤車(chē)和除塵車(chē)的自動(dòng)控制，實(shí)際應用效果良好，基本實(shí)現了自動(dòng)化。