机车电动刮雨器同步控制装置的研究

中图分类号：TU文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）01-0020-02

摘要：针对目前机车电动刮雨器存在的缺陷，本文阐述了一种机车电动刮雨器同步控制装置的设计原理、功能结构及技术创新点。

关键词：电动刮雨器；反射式光电传感器；同步控制装置；PWM调制信号；红外线雨量传感器；单片机系统；雨刮片

1 概述

铁路机车同端司机室前窗玻璃外侧一般设置两套刮雨电机，现有技术中采用两套完全独立的控制装置。这种控制方式存在以下三方面的不足：（1）由于刮雨电机参数及雨刮片阻力差异等因素影响，导致刮雨器的两套雨刮片在运行时动作难以协调一致，容易造成司机视觉上的疲劳；（2）由于雨刮片摆动位置采用了接触式检测方式，接触区域容易磨损，虽然改善可延缓磨损，但造成接触电阻增大，信号容易丢失；（3）雨刮片的摆动速度不能随环境雨量变化而自动调控。

针对上述现有机车电动刮雨器技术存在的缺陷，需要设计一种机车电动刮雨器同步控制装置，该装置要解决的技术问题是提供一种与机车使用环境相适应、控制接口与原设备一致、可靠性高、使用寿命长的机车电动刮雨器同步控制装置，以提升刮雨器的运行品质。

2 总体原理结构

带同步功能的机车电动刮雨器包括刮雨电机1、刮雨电机2、反射式光电传感器3、反射式光电传感器4、红外线雨量传感器5、同步控制装置6、喷水电机7、水位传感器8、操作面板9（如图1所示）。刮雨器工作时通过反射式光电传感器实时采集刮雨器的雨刮片位置信号及刮雨电机转速信号，两路雨刮片位置信号及刮雨电机转速信号进入同步控制装置进行分析处理，同步控制装置输出相应的PWM调制信号，来控制刮雨电机。作为进一步改进，采用红外线雨量传感器来监测环境雨量变化数据，同步控制装置根据此数据自动调控雨刮片摆动速度。司机对刮雨器工作状态的操作是通过操作面板来实现。启动喷水电机可将水箱中的水进行喷淋，水位传感器用来检测水箱水位。

图1带同步功能的机车电动刮雨器原理结构框图

3 同步功能

刮雨器的同步功能从两个方面来实现：一是两刮雨电机转速（雨刮片摆动速度）和两雨刮片摆动位置在视觉上保持同步（即雨刮片之间同步），二是雨刮片摆动速度能根据环境雨量变化而自动调控（即雨刮片与雨量同步）。

如图2所示，同步控制装置包括单片机系统1、PWM调制及刮雨电机驱动2、信号滤波放大整形3、喷水电机驱动4、DC-DC电源5。单片机系统负责所有数据的输入、处理和控制信号输出，对反射式光电传感器、水位传感器、红外线雨量传感器信号进行判别，产生PWM调制信号和喷水电机控制信号，并协调同步控制装置的正常工作；PWM调制及刮雨电机驱动电路将产生的PWM调制信号，用光耦隔离后进行电流放大，为刮雨电机提供脉冲驱动电压，控制两台刮雨电机的转动，并提供过压过流保护；信号滤波放大整形电路将反射式光电传感器信号及红外线雨量传感器信号进行整形、高频滤波及放大，传输给单片机系统进行处理；喷水电机驱动电路对喷水电机控制信号用光耦隔离后进行电流放大，驱动喷水电机工作；DC-DC电源负责为同步控制装置提供所需电源，包括直流滤波器、电压转换电路及稳压模块，将稳定的工作电压输入到单片机系统等各个单元。

图2 同步控制装置原理

3.1雨刮片之间同步

工作时安装在刮雨电机上的反射式光电传感器实时采集刮雨器的两刮雨电机转速信号及雨刮片位置信号。每路反射式光电传感器输出一路方波信号，其中方波的上升沿对应雨刮片位置，方波的频率对应刮雨电机转速。两路方波信号进入单片机系统进行比对处理后，通过封锁PWM调制信号的脉冲个数来控制雨刮片位置，通过调整相应PWM调制信号的脉宽来控制刮雨电机转速。就这样经过不断的调控，使得反射式光电传感器输出方波信号的相位差接近零、频率基本相等，来确保两雨刮片同步。

为了保证两雨刮片在视觉上同步，一方面单片机系统读取反射式光电传感器的两路方波信号，进行分析比对，从而调整PWM调制信号；另一方面两刮雨电机转速（雨刮片摆动速度）及两雨刮片摆动位置通过反射式光电传感器反馈到单片机系统。同步控制装置通过读取雨刮片位置信号及刮雨电机转速信号，并调控PWM调制信号，从而实现两雨刮片之间的同步。

3.2 雨刮片与雨量同步

红外线雨量传感器是用来监测环境雨量变化，环境雨量越大输出的信号相应越强。单片机系统读取到红外线雨量传感器信号，获知环境雨量大小，然后调整PWM调制信号的脉宽来控制刮雨电机转速（雨刮片摆动速度）。这样同步控制装置就能根据环境雨量的大小，来自动调控刮雨电机转速（雨刮片摆动速度），从而实现雨刮片与雨量的同步。

4 技术创新点

带同步功能的机车电动刮雨器相比现有机车电动刮雨器具有以下几点技术创新：（1）实现了两雨刮片的摆动速度及摆动位置在视觉上同步，减轻了司机的视觉疲劳；（2）雨刮片的摆动速度可以根据环境雨量的大小进行自动调控，无需人为控制，实现了雨刮片与环境雨量的同步；（3）改进了采取的接触式位置检测方式存在接触区域容易磨损、信号容易丢失的缺陷，使用反射式光电传感器对雨刮片摆动位置进行检测，大大提高了位置检测的可靠性。

参考文献：

[1] 乔宝莲. 电力机车电器[M].北京:中国铁道出版社，2007(12).

[2] TBT3021-2001, 铁路机车车辆电子装置[S] .

[3] IEC60077-1, 铁路应用-机车车辆电气设备第1部分：一般使用条件和通用规则[S] .

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。