Sensor de velocidad de la rueda

Un sensor de velocidad de rueda (WSS) 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. Suele estar formado por una corona dentada y un captador.

Sensor de velocidad de rueda de automóvil

Propósito

El sensor de velocidad de la rueda se utilizó inicialmente para reemplazar el enlace mecánico de las ruedas al velocímetro, eliminando la rotura del cable y simplificando la construcción del medidor al eliminar las piezas 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 consta de un anillo reluctor dentado ferromagnético (rueda fónica) y un sensor (que puede ser pasivo o activo).

La rueda fónica suele estar hecha de acero y puede tener un diseño al aire libre o estar sellada (como en el caso de los conjuntos de rodamientos unificados). El número de dientes se elige como un equilibrio entre detección/precisión de baja velocidad y detección/coste de alta velocidad. Un mayor número de dientes requerirá más operaciones de mecanizado y (en el caso de sensores pasivos) producirá una señal de salida de mayor frecuencia que puede no ser tan fácilmente interpretada en el extremo receptor, pero proporciona 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 de la rueda hacia adelante y hacia atrás.

Un sensor pasivo normalmente consta de una varilla ferromagnética orientada para sobresalir radialmente de 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 lo respalde, sino que una rueda fónica que consiste en polos magnéticos alternos produce el voltaje alterno. La salida de este sensor tiende a parecerse a una onda cuadrada, en lugar de una sinusoide, pero aún aumenta en magnitud a medida que aumenta la velocidad de las ruedas.

Un sensor activo es un sensor pasivo con un circuito de acondicionamiento de señal integrado en el dispositivo. Este acondicionamiento de 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 es, 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 trasero y es un anillo fonético y un sensor autónomos. Aunque esto no proporciona la velocidad de la rueda (ya que cada rueda en un eje con 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 cercano como para proporcionar la velocidad final. señal del velocímetro y se usó para los sistemas ABS de la rueda trasera en la Ford Serie F de 1987 y más reciente, las primeras camionetas con ABS.

Sensores de velocidad de uso especial

Vehículos de carretera

Los sensores de velocidad de las ruedas son un componente crítico de los sistemas de frenos antibloqueo.

Sensores de velocidad rotativos para vehículos ferroviarios

Muchos de los subsistemas de un vehículo ferroviario, como una locomotora o una unidad múltiple, dependen de una señal de velocidad de rotación fiable y precisa, en algunos casos como medida de la velocidad o cambios en la velocidad. Esto se aplica en particular al control de tracción, pero también a la protección contra deslizamiento de ruedas, registro, control de trenes, control de puertas, etc. Estas tareas las realizan varios sensores de velocidad giratorios que se pueden encontrar en varias partes del vehículo.

Las fallas en los sensores de velocidad son frecuentes y se deben principalmente a las condiciones de operación extremadamente duras que se encuentran en los vehículos ferroviarios. Las normas pertinentes especifican criterios de prueba detallados, pero en la práctica las condiciones encontradas suelen ser incluso más extremas (como golpes/vibraciones y especialmente compatibilidad electromagnética (EMC)).

Sensores de velocidad rotativos para motores

Aunque los vehículos ferroviarios ocasionalmente utilizan accionamientos sin sensores, la mayoría necesita un sensor de velocidad giratorio 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 en la caja de cambios, que puede estar dedicada a este propósito o puede estar ya presente en el sistema de transmisión.

Los modernos sensores de efecto Hall 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 y m = 3,5 (D.P.=25 a D.P.=7). La forma de los dientes tiene una importancia secundaria; Se pueden escanear ruedas de destino con dentado envolvente o rectangular. Dependiendo del diámetro y del diente de la rueda es posible obtener entre 60 y 300 impulsos por revolución, lo que es suficiente para transmisiones de rendimiento de tracción medio y bajo.

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 objetivo que pasan. Esta modulación es registrada por los sensores Hall, convertida mediante una etapa comparadora en una señal de onda cuadrada y amplificada en una etapa controladora.

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 sólo 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 objetivo. 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 efectivo de la señal cae a 1,3 mm. A menudo se utilizan ruedas objetivo de paso más pequeño con módulo m = 1 para obtener una mayor resolución temporal o para hacer la construcción más compacta. En este caso, el entrehierro máximo posible es de sólo 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 debe estar dentro de un rango muy pequeño, entonces esto también limitará las tolerancias mecánicas de la carcasa del motor y de las ruedas objetivo para evitar pérdidas de señal durante el funcionamiento. Esto significa que en la práctica pueden surgir problemas, especialmente con ruedas objetivo con un paso más pequeño del módulo m = 1 y combinaciones desventajosas de tolerancias y temperaturas extremas. Por lo tanto, desde el punto de vista del fabricante del motor, y más aún del operador, es mejor buscar sensores de velocidad con un rango de entrehierro más amplio.

La señal primaria 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 la compensación, 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 ahora ofrecen un procesador de señal integrado que intenta corregir el desplazamiento y la amplitud de las señales del sensor Hall. Esta corrección permite un mayor entrehierro máximo permitido en el sensor de velocidad. En una rueda objetivo de 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 ruedas objetivo de módulo m = 2. En una rueda objetivo de módulo m = 2, los nuevos sensores de velocidad pueden tolerar una separación de hasta 2,2 mm. También se ha logrado 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 ante la fluctuación del espacio de aire y la deriva de temperatura. Además, a pesar de la compleja electrónica, también se ha podido aumentar de tres a cuatro el tiempo medio entre fallos de los nuevos sensores de velocidad. De este modo, no sólo proporcionan señales más precisas, sino que también su disponibilidad de señal 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 objetivo es un imán multipolar activo, los espacios de aire pueden ser incluso 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 espacio fluctuante. Además, la calidad de la señal es mucho mayor, lo que permite la [interpolación] dentro del sensor/codificador o mediante un circuito externo.

Codificadores de motor con rodamientos integrados

Existe un límite en el número de impulsos que pueden alcanzar los sensores Hall sin rodamientos integrados: con una rueda objetivo de 300 mm de diámetro normalmente no es posible superar los 300 impulsos por revolución. Pero muchas locomotoras y unidades eléctricas múltiples (EMU) necesitan un mayor número de pulsos para el correcto funcionamiento del convertidor de tracción, por ejemplo cuando existen restricciones estrictas en el regulador de tracción a bajas velocidades.

Estas aplicaciones de sensores de efecto Hall pueden beneficiarse de los rodamientos incorporados, que pueden tolerar un entrehierro muchos órdenes de magnitud más pequeño debido al juego muy reducido en el sensor real en comparación con el del rodamiento 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 rodamientos integrados.

Para obtener 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 objetivo con 256 dientes, generando señales seno y coseno. La interpolación arcotangente 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 compensación. Esto permite mejorar aún más la calidad de la señal, lo que mejora enormemente la regulación de la tracción.

Sensores de velocidad en el juego de ruedas

Sensores de velocidad del juego de ruedas sin rodamientos

Los sensores de velocidad sin rodamientos 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 normalmente 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 especialmente fiables. Una característica especial de los sensores de velocidad de giro que se utilizan para proteger las ruedas contra el deslizamiento es su función de vigilancia integrada. Para detectar cables rotos se utilizan sensores de dos hilos con una salida de corriente de 7 mA/14 mA. Otros diseños prevén una tensión de salida de aproximadamente 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 habitual que los sensores de dos canales tengan canales eléctricamente aislados.

Ocasionalmente es necesario desconectar la señal de protección contra el deslizamiento de las ruedas 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 pulso de rueda con rodamientos integrados

Un vehículo ferroviario, especialmente una locomotora, posee numerosos subsistemas que requieren señales de velocidad separadas y aisladas eléctricamente. Generalmente no hay suficientes lugares de montaje ni suficiente espacio para instalar generadores de impulsos separados. Una solución son los generadores de impulsos multicanal que se montan con bridas en los semicojinetes o en las tapas de los juegos de ruedas. El uso de varios sensores de velocidad sin cojinetes también requeriría cables adicionales, que preferiblemente deberían evitarse en equipos para exteriores, ya que son muy susceptibles a sufrir daños, por ejemplo, debido a lastre de las vías.

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, algunos subsistemas tienen que conformarse con señales en bucle de la electrónica de protección contra deslizamiento de las ruedas y, por lo tanto, se ven obligados a aceptar, por ejemplo, el número de impulsos disponibles, 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 hecho muy difícil lograr 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 pasa a través de la lente y pueden provocar pérdida de señal. Por lo tanto, es necesario que estos codificadores estén muy bien sellados. Se encuentran problemas adicionales cuando los generadores de impulsos se utilizan en entornos en los que se supera 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 a envejecimiento, lo que con el paso de los años conduce a un haz de luz 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, hubo ocasiones en las que falló un sello y se descubrió que un generador de impulsos estaba completamente cubierto por una gruesa capa de polvo de freno y otra suciedad, pero dichos generadores de impulsos aún funcionaban perfectamente.

Históricamente, los sistemas de sensores magnéticos cuestan más que los sistemas ópticos, pero esta diferencia se está reduciendo rápidamente. Magnético Los sistemas de sensores de Hall y magnetoresistive se pueden incrustar en material plástico o en macetas, lo que aumenta la fiabilidad 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 impulso extraño mientras el vehículo está parado.

Los generadores de impulsos construidos de acuerdo con este principio han sido probados con éxito en el campo por varios operadores ferroviarios desde principios de 2005. La prueba de tipo especificada en EN 50155 también se ha completado con éxito, por lo que estos generadores de impulsos ahora pueden entregarse.

Generadores de impulsos por eje con rodamientos integrados para bogies con muñón interior

Los bogies con muñón interior plantean exigencias especiales al diseñador del generador de impulsos porque no tienen una cubierta de cojinete en el extremo que sirva como 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 de eje unido al juego de ruedas y equiparse con un convertidor de par conectado al bastidor del bogie para evitar que gire.

La vibración extrema en este lugar genera una carga considerable en el cojinete del generador de impulsos, que, con este método de instalación, tiene que soportar no sólo la masa relativamente pequeña del eje del generador de impulsos sino también la de todo el generador de impulsos. Cuando consideramos que la vida útil del rodamiento se reduce con al menos un tercio de la potencia de la carga, podemos ver que un generador de impulsos confiable y duradero para tal situación no puede simplemente adaptarse a partir del generador de impulsos estándar más común para bogies con muñón externo simplemente ajustando y brida intermedia o construcción similar. Realmente es necesario disponer de un generador de impulsos con un diseño modificado adaptado a las necesidades de dicho lugar.

Sensores de velocidad para ruedas objetivo 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 desgastadas 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 objetivo de aluminio, porque, por ejemplo, los impulsores están hechos de una aleación de aluminio y el fabricante no quiere tener que encogerse en una corona dentada ferromagnética separada.

Para estas aplicaciones hay sensores de velocidad disponibles que no requieren un imán objetivo. Se utilizan varias bobinas transmisoras y receptoras 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 en instalación y señal con los sensores magnéticos; Para los módulos de rueda de destino más comunes, las unidades se pueden reemplazar simplemente sin que sea necesaria ninguna otra medida.

Sensores de velocidad con interpolación

Los clientes a menudo desean 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 disponibles sensores que ofrecen interpolación. Estos ofrecen una salida de 2 a 64 veces el número original de dientes de engranaje o polos magnéticos en la rueda objetivo. La precisión depende de la calidad de la entrada del sensor: los sensores Hall tienen un costo menor, pero tienen una precisión menor, los sensores magnetorresistivos tienen un costo más alto, pero tienen una precisión más alta.