高速磁浮列車懸浮導(dǎo)向傳感器故障定位系統(tǒng)研究*

吉 文 袁建軍 佟來生 梁 瀟 黃海濤 戴志杰 朱莉莉

(1. 同濟大學(xué)磁浮交通工程技術(shù)研究中心， 201804, 上海; 2. 中車株洲電力機車有限公司, 412001, 株洲； 3. 湖南磁浮技術(shù)研究中心有限公司, 410014, 長沙； 4. 湖南磁浮交通發(fā)展股份有限公司， 410014， 長沙； 5. 上海致微醫(yī)療器械有限公司， 201907， 上海//第一作者，工程師)

高速磁浮列車懸浮導(dǎo)向傳感器是磁浮列車懸浮系統(tǒng)的重要組成部分，其利用電渦流效應(yīng)，傳感器中的線圈產(chǎn)生激勵電磁場，通過渦流磁場的變化來測量間隙值;將采集到的懸浮導(dǎo)向間隙轉(zhuǎn)化為電信號傳輸至懸浮導(dǎo)向控制器內(nèi)，懸浮導(dǎo)向控制器根據(jù)間隙信號動態(tài)調(diào)整電磁鐵線圈中的電流，使磁浮列車穩(wěn)定懸浮導(dǎo)向。

每個懸浮導(dǎo)向傳感器產(chǎn)生2個相互獨立的間隙信號(通道A與B)、1個加速度信號、1個速度信號以及1個診斷信號。每個信號都通過各自的1個RS 485異步串行通信接口傳送給懸浮導(dǎo)向控制器。懸浮導(dǎo)向傳感器的信號傳輸如圖1所示。

圖1 懸浮導(dǎo)向傳感器信號傳輸示意圖

懸浮導(dǎo)向傳感器安裝在磁浮列車的底部。根據(jù)其在車輛上安裝位置的不同，共有4種不同類型的TSM(懸浮間隙測量單元)，分別是TSM1、TSM2、TSM3和TSM4。這4種類型的測量單元僅在激勵頻率上有所不同，其余特性完全一樣。

懸浮導(dǎo)向傳感器工作環(huán)境惡劣，需要經(jīng)常維護與檢測。目前，國內(nèi)磁浮示范運營線傳感器的故障檢測和維修委托給德國某公司，維修成本較高且維修周期很長。為此，針對高速磁浮列車懸浮導(dǎo)向傳感器的信號處理板和檢測線圈柔性電路板進行分析，提出一種離線的懸浮導(dǎo)向傳感器的故障定位系統(tǒng)，實現(xiàn)了傳感器故障的快速定位，大幅縮短了維修周期，節(jié)約了維修成本。

1 高速磁浮列車懸浮導(dǎo)向傳感器故障定位系統(tǒng)工作原理

高速磁浮列車懸浮導(dǎo)向傳感器故障定位系統(tǒng)采用離線測試方法，以上位機為中心，運用專用的信號激勵設(shè)備、信號采集和處理設(shè)備，輔以電源、顯示器及接口電路，完成對電路板故障的檢測和診斷。根據(jù)電路板的工作原理，利用專用信號發(fā)生設(shè)備產(chǎn)生被測電路板所需的輸入信號，經(jīng)過接口電路輸入到被測電路板，使其工作接近于實際工作狀況；被測電路板產(chǎn)生的輸出信號經(jīng)過接口電路，由專用信號采集設(shè)備通過RS 485串口通信傳輸?shù)缴衔粰C系統(tǒng)進行分析和處理。懸浮導(dǎo)向傳感器故障定位裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 懸浮導(dǎo)向傳感器故障定位裝置組成結(jié)構(gòu)

上位機系統(tǒng)通過電路板故障定位軟件將采集到的電路板輸出信號與給定的響應(yīng)信號進行比較，判斷電路板是否符合其工作原理。如果比較結(jié)果一致，則表明被測電路板正常；如果不一致，可根據(jù)比較結(jié)果，結(jié)合故障字典來判定出現(xiàn)故障的電路。

2 高速磁浮列車懸浮導(dǎo)向傳感器故障定位系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 測試激勵與加載系統(tǒng)

傳感器故障定位裝置測試激勵與加載系統(tǒng)能夠控制懸浮導(dǎo)向傳感器激勵信號的產(chǎn)生與傳送，可以根據(jù)預(yù)設(shè)的測試流程控制激勵信號以驅(qū)動懸浮導(dǎo)向傳感器。 根據(jù)懸浮導(dǎo)向傳感器的技術(shù)特點，激勵信號分為兩種類型:

1) 通用信號。信號的頻率、幅值和加載時序能明確定義，如24 V電源、加速度信號、晶振信號等。

2) 專用信號。信號不能用明確的電信號予以定義，必須通過專用機構(gòu)才能施加,包括間隙信號和速度信號。

如圖3所示，將測試激勵與加載系統(tǒng)設(shè)計成一套以FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)芯片為核心的控制系統(tǒng);通過配置相關(guān)的驅(qū)動電路，F(xiàn)PGA軟件控制可編程信號發(fā)生器，產(chǎn)生頻率、幅值、時序等符合要求的通用激勵信號，也可驅(qū)動專用機構(gòu)實現(xiàn)傳感器間隙信號、速度信號的激勵與加載。

圖3 測試激勵與加載系統(tǒng)

通用信號激勵與加載模塊用于那些頻率、幅值、加載時序能事先明確定義的信號，如24 V電源、加速度信號、晶振信號等。模塊與可編程信號發(fā)生器連接，按測試時序加載各類通用信號。

專用信號激勵與加載模塊用于間隙信號、速度信號的加載。間隙信號和速度信號是電感量，且對應(yīng)相同的間隙值和速度值。每個傳感器的電感變化量也各不相同，因此，無法用明確的電壓或電流來定義間隙和速度，必須用專用機構(gòu)施加間隙和速度激勵信號。設(shè)計的專用信號加載機構(gòu)如圖4所示。

圖4 懸浮導(dǎo)向傳感器專用信號加載機構(gòu)

該機構(gòu)由長定子、雙軸位移機構(gòu)和運動控制系統(tǒng)構(gòu)成，長定子提供間隙信號檢測基準面和速度信號齒槽面。雙軸位移機構(gòu)在X、Z兩個軸向伺服電機的控制下運動，改變間隙值和速度值，提供專用激勵信號。

2.2 測試數(shù)據(jù)接口及采集系統(tǒng)

懸浮導(dǎo)向傳感器測試數(shù)據(jù)接口及采集系統(tǒng)是一套數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(如圖5所示)，能采集模擬信號或數(shù)字信號，并按預(yù)設(shè)的協(xié)議進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

圖5 調(diào)試數(shù)據(jù)接口及采集系統(tǒng)

根據(jù)懸浮導(dǎo)向傳感器的技術(shù)特點，需采集的數(shù)據(jù)分為兩種類型:

1) 通用數(shù)據(jù):是指被測電路板或故障模擬板上，各個預(yù)設(shè)的測點所采集到的信號;這些信號既有模擬量，又有數(shù)字量，軟件既能識別模擬量，又能識別數(shù)字量。

2) 專用數(shù)據(jù):是指懸浮傳感器專用信號加載機構(gòu)反饋的基準間隙和速度值。這些數(shù)據(jù)一般通過光柵尺獲得。

將測試數(shù)據(jù)接口及采集系統(tǒng)設(shè)計成以FPGA芯片為核心的通信系統(tǒng)，通過配置相關(guān)的驅(qū)動電路，F(xiàn)PGA軟件通過通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到通用數(shù)據(jù)，也可通過專用信號加載機構(gòu)獲得基準間隙、速度等專用數(shù)據(jù)。模擬量和數(shù)字量通道數(shù)量將根據(jù)故障定位裝置的測點數(shù)和傳感器板卡I/O接口數(shù)量設(shè)計，滿足數(shù)據(jù)采集需要。

為了讓測試數(shù)據(jù)和激勵信號保持同步，在兩個系統(tǒng)之間建立時鐘同步關(guān)系，可以實現(xiàn)微秒級的時鐘同步。 測試數(shù)據(jù)接口及采集系統(tǒng)除進行通用數(shù)據(jù)和專用數(shù)據(jù)采集外，還要將這些數(shù)據(jù)進行封裝，并通過USB串口向上位機發(fā)送測試數(shù)據(jù)。

2.3 上位機軟件系統(tǒng)

懸浮導(dǎo)向傳感器故障定位裝置軟件系統(tǒng)是一套操作控制軟件，具備故障輔助定位、自動檢測、數(shù)據(jù)存儲及故障分析定位功能，能輔助完成懸浮導(dǎo)向傳感器板卡的故障定位以及測試功能。

懸浮導(dǎo)向傳感器故障定位裝置的軟件系統(tǒng)本質(zhì)上是一套工業(yè)測控軟件系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)、功能、性能均符合工業(yè)測控軟件要求。懸浮導(dǎo)向傳感器故障定位裝置軟件系統(tǒng)如圖6所示。

軟件系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫和.Net Framework為技術(shù)基礎(chǔ)，上層構(gòu)建以下4個業(yè)務(wù)模塊:

·檢測過程控制模塊；

·故障數(shù)據(jù)存儲模塊；

·故障判定控制模塊；

·故障數(shù)據(jù)分析模塊。

軟件系統(tǒng)與定位裝置下位機之間通過數(shù)據(jù)接口傳遞控制命令和測試數(shù)據(jù)反饋。

圖6 懸浮導(dǎo)向傳感器故障定位裝置的軟件系統(tǒng)

2.4 測試故障模擬

為檢驗故障定位裝置的故障診斷和定位效果，開發(fā)了故障模擬板。通過故障模擬板，可以人為設(shè)置故障類型，以檢驗故障定位裝置的效果。 故障模擬板能實現(xiàn)原板的基本功能，包括諧振電路、檢波電路、調(diào)理電路、通信電路。故障模擬板能根據(jù)測試安排進行故障模擬，對測點的電氣參數(shù)施加影響，使其偏離正常值而人為制造故障現(xiàn)象，以驗證裝置是否能正確檢出故障點。

試驗時，通過故障設(shè)置程序，將故障模擬板設(shè)置為某一路不輸出RS 485信號且模擬信號處理板上通信電路的某個電阻、電容、485通信芯片等損壞的情況。其他信號的給定都維持在正常值。 通過測試，故障定位裝置給出各電路的診斷結(jié)果如表1。

查看通信電路測點的標準值和實測值，如表2所示。

因為電源、時鐘、振蕩電路、檢波電路、信號調(diào)理電路輸出均正常，由此可以判斷FPGA的輸入信號是正確的，故障僅發(fā)生在FPGA輸出到RS 485通信電路這條支路上。

表1 故障模擬條件下各支電路輸出一覽表

表2 通信電路故障診斷結(jié)果報告

3 結(jié)語

本文依據(jù)上海磁浮工程示范線的實際運行情況，提出了一種離線的懸浮導(dǎo)向傳感器故障定位系統(tǒng)，實現(xiàn)了傳感器故障的快速定位，大幅縮短了維修周期，節(jié)約了維修成本。