北京地鐵?14?號線速度傳感器故障探究

邱新鋒，張 穎

（1.?新譽龐巴迪牽引系統有限公司，江蘇常州?213166；2.?常州劍湖金城車輛設備有限公司，江蘇常州?213011）

1 故障概述

北京地鐵?14?號線中段從?2016?年?4?月開通以來，一些車輛常常報出速度傳感器通道故障，采取更換速度傳感器、牽引系統部件等方法，故障依然得不到解決。通過對故障車輛進行跟蹤，發現通常會有多個速度傳感器報出通道故障。1?個速度傳感器裝置包含?2?個通道，分別稱為通道?A?和通道?B，其故障有以下特點。

（1）跟蹤時況信號，發現1個牽引變流器（VVVF）控制的?4?根速度傳感器的?4?個通道?A?和?4?個通道?B?同時有刺狀跳動（圖?1）。圖?1?中，通道有效位?1?為有效，0?為無效；0?狀態即為故障狀態。

（2）1?個VVVF?控制的?4?個速度傳感器有?1?個速度傳感器報出通道?A?和通道?B?故障。

圖1 VVVF 系統軟件中速度傳感器通道實況圖

2 速度傳感器工作原理

北京地鐵?14?號線車輛所采用的速度傳感器為霍爾雙通道速度傳感器。傳感器探頭安裝位置在齒輪箱小軸端尾部，齒輪箱小軸端處有一模數為?2?的測速齒盤，齒數為80。速度傳感器可感應導磁體上凸起的齒或者是凹下的槽，當金屬齒經過霍爾傳感器前端時，引起磁場變化，霍爾元件檢測到磁場變化，并轉換成?1?個交變電信號，傳感器內置電路對該信號進行放大、整形，輸出良好的矩形脈沖信號。

速度傳感器測量的速度信號通過內部封裝的數字電路進行處理，并將電壓信號轉換成方波信號進行輸出。方波信號和采樣周期傳遞到?VVVF?系統控制單元內的現場可編程門陣列（FPGA）讀入并存儲，然后由控制單元內的數字信號處理器（DSP）讀入并進行處理。

3 傳感器故障查找方案

根據以上現象，需要分別對速度傳感器硬件部分、牽引控制軟件部分、走行部件、車輛運行區間進行分析。為了便于分析，需要從以下幾個方面進行查找。

（1）檢查速度傳感器原件是否存在故障，包括檢查速度傳感器外觀、速度傳感器磁性探頭是否有損傷或者是否吸附了較多齒輪箱內部的鐵粉。

（2）檢查速度傳感器連接插頭處插針是否存在松動、開路、屏蔽層破損等異常現象。

（3）測量測速齒輪與速度傳感器磁性探頭之間的氣隙是否符合安裝規范要求。

（4）模擬測試不同工況下的狀態，以判斷牽引變流器牽引驅動控制軟件是否存在缺陷。

（5）在載客運行線路上進行實況測試，找出信號跳動的區域。

4 檢查及測試結果分析

4.1 傳感器的檢查與測量

速度傳感器原件的檢查結果表明速度傳感器外觀完好，探頭部位無任何磨損，無任何鐵粉吸附。更換新的速度傳感器，故障仍然存在，說明故障與速度傳感器本身無任何關系。

對單個速度傳感器的輸出脈沖進行了測試，在負載電阻為?750?Ω時，高電平大約為?12??V，低電平小于等于?1??V，符合高電平?0.8Vcc（工作電壓，電壓為?15??V）要求。

檢查速度傳感器插頭至牽引控制單元處，雖為雙端接地，但經過單獨單端驗證并未發現故障現象消失，可以判斷接地不是造成故障產生的原因。

對速度傳感器探頭與測速齒輪之間的氣隙進行了塞尺測量，尺寸在?1.0??mm?左右，符合安裝規范中的?1.0??mm±0.5??mm?標準要求。

4.2 牽引控制系統的模擬測試

在實際載客運營中的一段線路上進行了模擬試驗，采集相關信號，并對軟件系統中的速度信號進行分析。

試驗采用?3?種速度下的?2?種工作模式對軟件中的速度信號進行了加載測試，并通過上位機進行跟蹤采集。工況模式見表1。

表1 模擬測試模式

通過對車輛空載情況下的試驗數據進行監控可以看出，速度傳感器信號質量存在很大的問題。

圖?2?為使用?DSP?上位機監控軟件所檢測的波形圖。從圖?2?可以看出，車輛在低速狀態時和牽引電機輸出恒轉矩時的電機電磁角速度信號噪聲電平（干擾信號的幅度）比較低，而車輛從恒速開始惰行和?VVVF?被封鎖的2?種情況下噪聲電平卻會增大。

圖2 0～45km/h 速度信號的典型軌跡

電機電磁角速度ω與轉子機械角速度Ω的關系為：ω=Ω·P，P為磁極對數。

將圖?3?上的速度信號時域放大，從圖?4?可以看出所監控的通道?A?和通道?B?具有非常相似的跟蹤，這表明測量的信號確實包含噪聲電平。

由于速度傳感器所檢測到的電機電磁角速度存在很嚴重的噪聲電平，需要對時域監控的速度信號及牽引控制中平均速度下的速度信號再次分析，以判斷較高的噪聲電平是否來自于控制系統。

圖3 恒速惰行并封鎖VVVF狀態下的信號監控

圖4 速度傳感器通道A和通道B監控的電機角速度

4.2.1 加速恒轉矩試驗

對低速和恒轉矩階段的信號進行頻域分析。從圖5頻域圖中可以看出，存在一個?35??Hz?左右的頻率峰值信號。雖然直流電路輸入濾波器的諧振頻率也是?35??Hz，但通過檢測直流電路的電壓和電流，表明采樣值里的?35??Hz?不是出自控制回路或輸入濾波器的諧振頻率，而且控制信號中包含的?35??Hz?頻率很少。

從圖?5?的頻域圖中可以看出，速度傳感器輸入的?1?軸A?通道的電機電磁角速度中包含了?1?個最高振幅為?35??Hz的信號。

在牽引控制系統中，控制使用的是平均速度信號，對同一時刻平均速度的時域進行頻域變換可見，噪聲振幅很低，說明控制中使用的平均速度噪聲很小（圖?6）。

對控制系統中所使用的平均速度信號的測試結果表明，控制回路輸出的噪聲值很低，對電機電磁角速度信號的影響小。

圖5 VVVF 在恒轉矩下的速度信號頻域圖

圖6 控制中所使用的牽引平均速度頻域圖

4.2.2 變流器在惰行工況下處于激活狀態

如果噪聲是由于控制回路引起的，那么在受控制影響較大的低速恒轉矩期應該有很高的噪聲；惰行情況下，變流器不再控制，噪聲也應該減小。從圖?7?和圖?8?可以看出，在變流器惰行情況下的速度噪聲電平比在變流器工作輸出牽引力情況下的平均速度噪聲電平振幅大。

對變流器惰行狀態下的平均速度信號分析也可以看出，信號里面也包含很多個幅值較小的頻率信號。

圖7 變流器惰行狀態時的速度信號頻域圖

圖8 變流器惰行狀態時的牽引平均速度頻域圖

4.2.3 變流器在惰行工況下處于非激活狀態

再次將?VVVF?變流器封鎖以完全排除控制系統對信號的影響。對?1軸?A?通道電機電磁角速度所測結果見圖?9，由此可以更清晰地看出有多個頻率信號存在，且振幅比VVVF?激活狀態下的更高。這意味著這些異常頻率由與電機控制系統無關的外部機械振蕩產生。

通過對測試信號的分析可以說明，傳感器上的速度信號噪聲電平不是來自于?VVVF?的控制系統，這與牽引控制軟件無關。

圖9 變流器非激活狀態下的速度信號頻域圖

4.3 在運營線路區間跟蹤測試

在對牽引控制系統分析完成后，需要進一步分析在何種外部條件下會產生速度信號有效值的跳動。為此，再次對14?號線北京南站—善各莊全程區間進行了跟車監控。

從監控的數據可以看出，速度傳感器跳動最密集失效區域一般在圖?10?紅色圈中的幾個區域。所對應的實際路標位置見圖?11。

圖10 北京南站—善各莊運行區間監控記錄

從圖?10?和圖?11?的監控記錄可以看出：在不同運行區間里速度傳感器信號會有不同程度的跳動。同一運行區間里同一個轉向架上的?2?個速度傳感器信號跳動一致；而同一運行區間里的?2?個轉向架雖都有跳動，但跳動的密度也有區別。根據這一細微之處的差別分別對?2?個轉向架上的?4?組走行輪對進行了初步的檢查，發現：

（1）軸?1?的輪對比較平緩，磕碰較少；

（2）軸?2?上的車輪邊緣有非常明顯的龜裂現象，輪緣上有大的磕碰，存在失圓現象；

（3）軸?3、軸4?上的輪對也存在軸?2?的現象（圖12）。

圖11 列車運營區間線路速度傳感器跳動狀態

圖12 車輪磨損狀態

同時，對運營線路所監控的速度信號選取一個時間段內的信號并展開（圖?13、圖?14），可以看出有非常相似的軌跡，表明測量的信號包含了外部的噪聲（振動）。

在速度傳感器內部封裝的?2?個霍爾探頭固定在不同的位置，相位角相差?180°，故正常情況下的速度傳感器信號軌跡不應相同。圖?15?為新車上所監控的速度傳感器的?4?個通道電機電磁角速度軌跡圖。

從測試結果可以看出，速度傳感器通道信號故障的發生與車輛運行區間的路況有關，也與走行部件的輪對磨損嚴重程度有關。單方面改變運行路況或降低車輛車輪的磨損或許可以減少問題的發生。

圖13 1軸2個通道測量的速度信號

圖14 故障速度傳感器雙通道信號放大圖

5 驗證

由于改變線路軌道狀況工程量較大，只能從車輛入手，即通過對走行部件的輪對進行鏇輪，重新恢復車輪的圓整度，可以降低車輛的振動。對鏇輪后的結果進一步驗證，圖?16?為鏇輪后的監控數據。

將圖?16?與圖?10?信號進行對比可以看出，車輛在線路東段運行時全程?4?個速度傳感器的?8?個通道有效值一直為?1?并保持不變，未再出現之前的信號跳動現象。

圖15 正常速度傳感器2個通道信號軌跡

圖16 鏇輪后速度傳感器信號（北京南站—善各莊）

6 結論

通過對車輛牽引控制系統的速度信號及實際運營路況下的信號分析和驗證結果可以得知，磨損的車輪經過軌面狀況較差的線路，產生的機械振動會影響速度傳感器的信號質量。隨著車輛投入運營時間的增加，需要定期對磨損嚴重的輪對進行檢修，做好維護保養，以降低速度傳感器通道故障現象的發生。

[1]程佩青.數字信號處理教程[M].北京：清華大學出版社，2013.

[2]童敏明，唐守鋒，董海波.傳感器原理與檢測技術[M].北京：機械工業出版社，2014.

[3]宋宇，朱偉華，董括，等.傳感器及自動檢測技術[M].北京：北京理工大學出版社，2013.

[4]丁榮軍，黃濟榮.現代變流技術與電氣傳動[M].北京：科學出版社，2009.

[5]張存禮.消除霍爾傳感器誤差的有效方法[J].電氣時代，2006（4）：102-103.

[6]蔣方方.軌道用霍爾傳感器的應用[J].電子工程師，2004，30（7）：68-69.

[7]李玉江，張向明.霍爾傳感器用于角度測量的一種方法[J].電子機械工程，2001（4）：25-26.

[8]丁榮軍.交流傳動機車牽引特性曲線與變流器牽引電機系統的匹配[J].機車電傳動，1999（6）：11-16.