一種動車組速度傳感器失效模式研究

賴天倫

摘 要：本文對動車組牽引速度傳感器進行失效分析，確定傳感器低電源電壓時浪涌沖擊的影響易出現丟失脈沖現象，并通過可靠性試驗驗證改進方法的可行性和有效性。

關鍵詞：速度傳感器;脈沖丟失;失效

為保證車輛安全運行，動車組設置了大量的傳感器。某型動車組牽引電機非傳動端設置有兩個速度傳感器，分別為牽引變流器及制動控制裝置提供速度信號。

本文針對動車組牽引速度傳感器輸出信號脈沖異常丟失進行研究，以提高速度傳感器的可靠性。

1.速度傳感器原理及失效分析

1.1傳感器原理分析

某型速度傳感器電路由電源處理電路、信號處理電路、霍爾集成芯片組成，等效電路如圖1所示。電源處理電路由瞬間抑制二極管 、防反接二極管、儲能電容、濾波電容和分壓電阻組成。信號處理電路采用運放芯片構成遲滯比較器，運放芯片自身集成推挽輸出電路，并在輸出端口增加浪涌保護和短路保護電路，提高其抗干擾能力。霍爾集成芯片感應測試齒輪旋轉時所產生的磁場變化，并輸出調理后的方波信號。霍爾感應芯片封裝在探頭內部。

速度傳感器設計工作電壓范圍為8V～36V。霍爾感應芯片的工作電壓范圍為4V～30V，為保證霍爾感應芯片在傳感器工作電壓范圍內正常工作，采用分壓電阻R11、R12分壓。當霍爾感應芯片供電低于3.95V時，出現欠壓鎖死狀態，如圖1。

1.2速度傳感器失效模式分析

速度傳感器故障失效模式主要有探頭損傷、電源中斷、引腳焊接松脫、擊穿短路、感應元件或連接導線虛焊/脫焊;電路板保護器件短路或斷路、元器件供電中斷、電器回路絕緣擊穿、元器件虛焊/脫焊、電源不穩定、保護上位機供電電壓低、元器件損傷、電磁干擾;電纜及組件電纜斷線、電纜芯線絕緣破損、信號傳輸鏈中的連接端子或焊盤松動、脫落。

針對上述故障失效模式均可通過以下試驗進行驗證：基本性能測試、絕緣耐壓試驗、高溫試驗、低溫試驗、快速溫變試驗、溫度+振動復合試驗、靜電放電抗擾度試驗、電快速脈沖群抗擾度試驗、浪涌抗擾度試驗。

1.3過分相時刻輸出脈沖丟失原因分析

動車組在運行過程中多次記錄滑行。通過車載記錄數據分析，滑行現象均出現在過分相時刻，如圖2所示。故障時刻處于B3、B4級位。制動控制裝置記錄信息，發現故障點的前一個和后一個記錄周期（40ms）速度均正常，滑行時單軸速度比正常速度約低3km/h。

通過車載數據分析表明，故障時刻滿足車輛滑行判據：制動級位在1級～6級時，減速度大于10km/h/s且速度差大于3km/h。故障復現試驗通過在傳感器線-地施加浪涌電壓，同時逐步降低傳感器供電電壓方式進行。在傳感器線-地施加2kV浪涌電壓，電源電壓降至6.5V時，傳感器偶發性出現輸出信號丟失脈沖的現象，且脈沖丟失呈持續低電平狀態，如圖2所示。

注：藍色為傳感器輸出信號，綠色為霍爾感應芯片電壓信號，粉色為浪涌電壓信號。

綜合故障時傳感器輸出信號波形特征及速度傳感器失效模式，分析為浪涌電壓施加瞬間，霍爾感應芯片供電低于3.95V，欠壓鎖死，傳感器輸出信號表現為脈沖丟失。

2.傳感器改進方式

2.1電路結構優化

優化速度傳感器電路，取消霍爾感應芯片前端分壓電阻R11、R12。優化后傳感器等效電路如圖3所示。

2.2試驗驗證

優化后速度傳感器供電范圍可達6V～30V，霍爾感應芯片兩端的電壓為5.5V～29.5V。

優化后速度傳感器進行性能及浪涌抗擾度、高低溫等試驗，傳感器各項指標達到初始技術要求。開展浪涌及低電源電壓復合試驗，傳感器線-地施加2kV浪涌電壓，電源電壓逐步降至6V時，傳感器輸出信號無丟失脈沖的現象，如圖4所示。

3.結論

（1）動車組在過分相時，傳感器在低電源供電時受浪涌沖擊的影響，導致霍爾感應芯片供電不足失效，出現丟失脈沖現象，導致車輛誤報滑行。

（2）取消霍爾感應器件前端分壓電阻，可有效提高傳感器芯片的適應能力，提高產品可靠性。

（3）通過試驗驗證可知，改進速度傳感器與改進前的產品相比，可靠性得到提高，改進方法可行、有效，提高了動車組的可用性。

參考文獻：

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