Sensor de velocidad de la rueda

El sensor de velocidad de la rueda se utilizó inicialmente para reemplazar la conexión mecánica entre las ruedas y el velocímetro , eliminando la rotura de cables y simplificando la construcción del indicador al eliminar las piezas móviles. Estos sensores también generan datos que permiten el funcionamiento de sistemas de asistencia a la conducción automatizados como el ABS .

El sistema de sensor de velocidad de rueda más común consta de un anillo reluctor dentado ferromagnético y un sensor (que puede ser pasivo o activo).

La rueda fónica suele ser de acero y puede tener un diseño abierto o sellado (como en el caso de los conjuntos de cojinetes integrados). El número de dientes se elige como un compromiso entre la precisión y la detección a baja velocidad y el coste de la detección a alta velocidad. Un mayor número de dientes requiere más mecanizado y (en el caso de sensores pasivos) produce una señal de salida de mayor frecuencia que puede no ser tan fácil de interpretar en el receptor, pero ofrece una mejor resolución y una mayor velocidad de actualización de la señal. En sistemas más avanzados, los dientes pueden tener una forma asimétrica para que el sensor pueda distinguir entre la rotación hacia adelante y hacia atrás de la rueda.

Un sensor pasivo suele consistir en una varilla ferromagnética orientada radialmente desde la rueda fónica, con un imán permanente en el extremo opuesto. La varilla está enrollada con un hilo fino que experimenta una tensión alterna inducida a medida que la rueda fónica gira, debido a la interferencia de los dientes con el campo magnético. Los sensores pasivos emiten una señal sinusoidal cuya magnitud y frecuencia aumentan con la velocidad de la rueda.

Una variante del sensor pasivo no lleva imán, sino que utiliza una rueda fónica cuyos polos magnéticos alternos generan la tensión alterna. La señal de salida de este sensor tiende a asemejarse a una onda cuadrada , en lugar de una sinusoide, pero su magnitud aumenta a medida que aumenta la velocidad de la rueda.

Un sensor activo es un sensor pasivo con circuitos de acondicionamiento de señal integrados. Este acondicionamiento puede consistir en amplificar la magnitud de la señal, modificar su forma a modulación por ancho de pulso (PWM) , onda cuadrada u otras, o codificar su valor en un protocolo de comunicación antes de la transmisión.

El sensor de velocidad del vehículo (VSS) puede ser, pero no siempre es, un verdadero sensor de velocidad de rueda. Por ejemplo, en la transmisión Ford AOD , el VSS está montado en la carcasa de extensión del eje de salida y es un anillo dentado y sensor autónomo. Si bien esto no proporciona la velocidad de la rueda (ya que cada rueda en un eje con diferencial puede girar a velocidades diferentes, y ninguna depende exclusivamente del eje de transmisión para su velocidad final), en condiciones de conducción típicas, es lo suficientemente preciso como para proporcionar la señal del velocímetro, y se utilizó para los sistemas ABS de las ruedas traseras en las Ford F-Series de 1987 y posteriores , las primeras camionetas con ABS.

Los sensores de velocidad de las ruedas son un componente fundamental de los sistemas de frenado antibloqueo .

Muchos de los subsistemas de un vehículo ferroviario, como una locomotora o un tren de unidades múltiples , dependen de una señal de velocidad rotativa fiable y precisa, en algunos casos para medir la velocidad o sus variaciones. Esto se aplica en particular al control de tracción , pero también a la protección contra deslizamiento de ruedas , el registro, el control del tren, el control de puertas, etc. Estas funciones las realizan diversos sensores de velocidad rotativa ubicados en distintas partes del vehículo.

Los fallos en los sensores de velocidad son frecuentes y se deben principalmente a las condiciones de funcionamiento extremadamente adversas que se dan en los vehículos ferroviarios. Las normas pertinentes especifican criterios de ensayo detallados, pero en la práctica las condiciones suelen ser aún más extremas (como golpes , vibraciones y, sobre todo, compatibilidad electromagnética ).

Si bien los vehículos ferroviarios a veces utilizan sistemas de propulsión sin sensores, la mayoría requiere un sensor de velocidad rotativo para su sistema de regulación. El tipo más común es un sensor de dos canales que escanea una rueda dentada en el eje del motor o la caja de engranajes, la cual puede estar dedicada a este fin o ya estar presente en el sistema de propulsión.

Los modernos sensores de efecto Hall de este tipo utilizan el principio de modulación del campo magnético y son adecuados para ruedas objetivo ferromagnéticas con un módulo entre m = 1 y m = 3,5 (DP = 25 a DP = 7). La forma de los dientes es de importancia secundaria; se pueden escanear ruedas objetivo con dentado involuto o rectangular. Dependiendo del diámetro y el número de dientes de la rueda, es posible obtener entre 60 y 300 pulsos por revolución, lo cual es suficiente para accionamientos de tracción baja y media.

Este tipo de sensor normalmente consta de dos sensores de efecto Hall , un imán de tierras raras y la electrónica de evaluación adecuada. El campo del imán se modula por el paso de los dientes del objetivo. Esta modulación es registrada por los sensores Hall, convertida en una señal de onda cuadrada mediante una etapa comparadora y amplificada en una etapa de excitación.

El efecto Hall varía considerablemente con la temperatura. Por lo tanto, la sensibilidad de los sensores y el desfase de la señal dependen no solo del espacio de aire, sino también de la temperatura. Esto reduce significativamente el espacio de aire máximo admisible entre el sensor y la rueda objetivo. A temperatura ambiente,  se puede tolerar sin problemas un espacio de aire de 2 a 3 mm para una rueda objetivo típica de 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 se reduce 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 lograr una construcción más compacta. En este caso, el espacio de aire máximo posible es de tan solo 0,5 a 0,8  mm.

Para el ingeniero de diseño, la holgura visible que presenta el sensor depende principalmente del diseño específico de la máquina, pero también está sujeta a las restricciones necesarias para registrar la velocidad de rotación. Si esto implica que la holgura debe estar dentro de un rango muy pequeño, también se limitarán las tolerancias mecánicas de la carcasa del motor y las ruedas objetivo para evitar la pérdida de señal durante el funcionamiento. En la práctica, esto puede generar problemas, especialmente con ruedas objetivo de paso reducido (módulo m = 1) y combinaciones desfavorables de tolerancias y temperaturas extremas. Por lo tanto, desde el punto de vista del fabricante del motor, y aún más del operador, es preferible buscar sensores de velocidad con una holgura más amplia.

La señal primaria de un sensor Hall pierde amplitud drásticamente a medida que aumenta la distancia entre el sensor y el sensor. Para los fabricantes de sensores Hall, esto significa que deben compensar al máximo la deriva de la señal Hall, inducida físicamente. El método convencional consiste en medir la temperatura en el sensor y utilizar esta información para compensar la deriva, pero este método falla por dos razones: primero, porque la deriva no varía linealmente con la temperatura, y segundo, porque ni siquiera el signo de la deriva es el mismo para todos los sensores.

Algunos sensores ahora ofrecen un procesador de señal integrado que intenta corregir el desfase y la amplitud de las señales del sensor Hall. Esta corrección permite una mayor separación máxima admisible en el sensor de velocidad. En una rueda objetivo de módulo m = 1, estos nuevos sensores pueden tolerar una separación de 1,4  mm, mayor que la 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 desfase entre los dos canales son al menos tres veces más estables ante fluctuaciones en la separación y la deriva de temperatura. Además, a pesar de la complejidad de la electrónica, también se ha logrado aumentar el tiempo medio entre fallos de los nuevos sensores de velocidad entre tres y cuatro veces. Por lo tanto, no solo proporcionan señales más precisas, sino que su disponibilidad también es significativamente mejor.

Una alternativa a los sensores de efecto Hall con engranajes son los sensores o codificadores que utilizan magnetoresistencia. Dado que la rueda objetivo es un imán multipolar activo, los entrehierros pueden ser incluso mayores, hasta 4,0  mm. Como los sensores magnetoresistivos son sensibles al ángulo e insensibles a la amplitud, la calidad de la señal es superior a la de los sensores Hall en aplicaciones con entrehierro fluctuante. Además, la calidad de la señal es mucho mayor, lo que permite la interpolación dentro del sensor/codificador o mediante un circuito externo.

Algunas empresas de transporte se enfrentan a un problema particular: el aire circulante que refrigera los motores arrastra virutas desprendidas de las ruedas y los raíles, que se acumulan en los cabezales de los sensores magnéticos. Además, cada vez es más frecuente encontrar motores cuyos sensores deben escanear ruedas objetivo de aluminio , por ejemplo, porque los impulsores están fabricados con una aleación de aluminio y el fabricante no desea tener que fabricar una llanta de engranaje ferromagnética aparte .

Para estas aplicaciones, existen sensores de velocidad que no requieren un imán de referencia. ^{[ 2 ]} Se utilizan varias bobinas transmisoras y receptoras para generar un campo eléctrico alterno con una frecuencia del orden de 1  MHz, y posteriormente se evalúa la modulación del acoplamiento entre emisores y receptores. Este sensor es compatible en instalación y señal con los sensores magnéticos; para la mayoría de los módulos de rueda de referencia comunes, las unidades se pueden reemplazar fácilmente sin necesidad de otras medidas.

Los clientes suelen requerir un mayor número de pulsos por revolución del que se puede lograr con el espacio disponible y el módulo más pequeño (m = 1). Para ello, existen sensores con interpolación que 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 señal de entrada del sensor: los sensores Hall son más económicos, pero menos precisos; los sensores magnetoresistivos son más económicos, pero más precisos.