地鐵車輛速度傳感器通道故障分析及處理

馬燕 全瑞琴 劉洋

摘要：在地鐵車輛中，速度是一個(gè)很重要的參數(shù)，因此在日常工作中，有關(guān)速度的故障，一定要認(rèn)真對(duì)待。本文針對(duì)地鐵車輛中出現(xiàn)的一起速度傳感器通道故障，通過逐步分析，逐步排查，發(fā)現(xiàn)測(cè)速齒輪有點(diǎn)損傷，但是該損傷又在損傷范圍內(nèi)，如果更換它，會(huì)造成不必要的損失。最后通過分析通道故障的邏輯，發(fā)現(xiàn)該故障檢測(cè)靈敏度太高，需要調(diào)整無效通道檢測(cè)時(shí)間。后面通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比不同時(shí)間參數(shù)下的數(shù)據(jù)，確定最優(yōu)的時(shí)間參數(shù)，從而解決該問題。

Abstract： In metro vehicle， the speed is a very important parameter， therefore in daily work， we must take seriously about speed fault. This paper aiming at a speed sensor channel fault in subway vehicles. Though analyzing step by step， it finally found the speed gear had a little damage， but the damage was within the scope of damage， it will cause unnecessary loss if we replace it. Finally through the analysis of the logic of channel failure， we found that the fault detection sensitivity was too high， it was necessary to adjust the invalid channel detection time. By comparison with the experimental data under different time parameters， we determined the optimal time parameter， and solved the problem.

關(guān)鍵詞：速度傳感器;通道故障;控制邏輯;調(diào)整參數(shù)

Key words： speed sensor;channel fault;control logic;adjustment parameter

0? 引言

在地鐵車輛中，車輛的速度是一個(gè)重要的參數(shù)。它可以用來表示車輛的快慢，可以作為一個(gè)參數(shù)參考，來控制車輛的運(yùn)行，比如：車輛的加減速，車輛的對(duì)標(biāo)停車等等。如果車輛的速度不準(zhǔn)確或者是速度丟失，那就會(huì)影響車輛的正常運(yùn)行。

在地鐵車輛上，列車速度的獲取是通過安裝在齒輪箱上的速度傳感器來測(cè)量得到的[1]。這里用的速度傳感器是霍爾式速度傳感器。霍爾式速度傳感器具有體積小、占用空間小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾性性能強(qiáng)、精度高、可連續(xù)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。

1? 霍爾式速度傳感器原理

霍爾式速度傳感器屬于霍爾式傳感器，是利用霍爾效應(yīng)的原理制成的，利用霍爾效應(yīng)使位移帶動(dòng)霍爾元件在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生霍爾電熱，即把位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電熱變化信號(hào)的傳感器。其原理是當(dāng)磁力線穿過傳感器上感應(yīng)元件時(shí)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，然后將其轉(zhuǎn)換為交變電信號(hào)，最終傳感器的內(nèi)置電路會(huì)將信號(hào)調(diào)整和擴(kuò)大，輸出矩形脈沖信號(hào)[2]。

在實(shí)際應(yīng)用中，將磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連接，當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁性轉(zhuǎn)盤也跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在磁性轉(zhuǎn)盤旁邊的霍爾式速度傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖[3]。測(cè)量出單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，便可知被測(cè)轉(zhuǎn)速。

2? 地鐵車輛中霍爾式速度傳感器介紹

地鐵車輛中所使用的速度傳感器為霍爾雙通道傳感器，以此可以判別正反轉(zhuǎn)。當(dāng)車輛為正向時(shí)，輸出波形為通道A超前通道B 90度，為反向時(shí)，通道B超前通道A 90度。

速度傳感器安裝于齒輪箱小軸端尾部端蓋上，感應(yīng)導(dǎo)磁體上凸起的齒或者是凹下的槽，相應(yīng)的給出高低電平，用于檢測(cè)輪軸的轉(zhuǎn)速、線速度，通過計(jì)算處理也可以得到被測(cè)體的加速度。當(dāng)測(cè)速齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，速度傳感器將產(chǎn)生一定頻率的方波信號(hào)，經(jīng)過內(nèi)部處理，將傳感器獲取的信號(hào)進(jìn)行放大整形，使處理過的信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)。速度傳感器簡(jiǎn)單裝配圖如圖1所示。

3? 速度傳感器通道故障分析

在地鐵車輛中，速度傳感器信號(hào)是由控制單元來處理，主要由控制單元里的DSP來讀取、存儲(chǔ)和處理。DSP每1ms讀取一次有效的上升沿和下降沿的數(shù)量，并且標(biāo)記每個(gè)上升沿和下降沿的時(shí)間，然后DSP計(jì)算自上次讀取后的時(shí)間增量，并且計(jì)算時(shí)間增量?jī)?nèi)的軸速和上升下降沿的數(shù)量。當(dāng)DSP讀取到的速度信號(hào)不完整，通道的有效位會(huì)丟失，兩個(gè)通道的有效位都丟失的情況速度就會(huì)丟失[4]。

常見的速度傳感器通道故障為：通道A故障、通道B故障、通道A和B故障。引起通道故障的原因，可以總結(jié)為以下幾個(gè)方面：

①速度傳感器本身故障;

②測(cè)速齒輪有缺陷;

③插頭有問題（插頭松動(dòng)，插針縮針）;

④控制單元故障;

⑤電纜有問題。

對(duì)于速度傳感器通道故障問題，處理起來是比較繁瑣和復(fù)雜的，所以一般是先從簡(jiǎn)單處著手去分析和處理。

本次速度傳感器通道故障反生在車輛運(yùn)行的途中，報(bào)出的通道B故障。車輛入庫后，首先檢查傳感器插頭和外部插頭，檢查都是正常的;其次測(cè)量外部電纜，測(cè)量結(jié)果也是正常。最后做預(yù)防性維修，更換了速度傳感器。去試車線跑車，并使用電腦實(shí)時(shí)監(jiān)控速度狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)在只要速度大于18km/h，就好報(bào)出速度傳感器B通道故障。由此可以排除速度傳感器本身的故障。這樣看來，可能是控制單元和測(cè)速齒輪有問題。

查看實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)速度傳感器通道B有效位丟失，說明信號(hào)采集不完整。如圖2所示。

在通道無效保護(hù)機(jī)制，有兩個(gè)很重要的計(jì)算公式，以此來判斷測(cè)速齒輪是否存在問題。見公式（1）和（2）。

其中，Mech[Hz]為計(jì)算的機(jī)械頻率，Elec[rad/s]為角速度值，pool=2，Trig[Hz]為通道保護(hù)觸發(fā)頻率，T為通道保護(hù)間隔時(shí)間。當(dāng)Mech[Hz]相近或者等于Trig[Hz]時(shí)，說明某個(gè)測(cè)速齒輪的齒可能有問題。根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控到的數(shù)據(jù)，可讀出Elec[rad/s]等于526，T等于0.024。

由公式（1）和公式（2）計(jì)算得出：

Mech[Hz]=526/（2*2*2*3.14）=41.8Hz

Trig[Hz]=1/0.024=41.6Hz

Mech[Hz]基本等于Trig[Hz]，說明某個(gè)測(cè)速齒輪的齒可能有問題。

由于拆解測(cè)速齒輪非常復(fù)雜，也為了更進(jìn)一步確定是測(cè)速齒輪的問題，將控制單元更換，然后跑車觀察，發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象還在。這就確定是測(cè)速齒輪的問題了。后面測(cè)量測(cè)速齒輪的齒頂?shù)絺鞲衅髦g的間隙，都在正常范圍內(nèi)（正常為0.5-1.4mm），最后拆下測(cè)速齒輪，發(fā)現(xiàn)有一個(gè)齒表面有一個(gè)微小的坑，肉眼很難看清[5]。根據(jù)齒輪損傷標(biāo)準(zhǔn)來判斷，該微小凹坑，完全在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。如果就此更換掉測(cè)速齒輪，那故障會(huì)消除，但是這樣的話，就會(huì)造成不必要的時(shí)間和成本的損失。下面就從速度傳感器通道故障的軟件控制邏輯來分析并解決該問題。

4? 速度傳感器通道故障控制邏輯

查閱速度傳感器通道故障邏輯控制圖如圖3所示。從邏輯圖可以看出，報(bào)出通道故障的條件有兩個(gè)，一個(gè)是無效通道值達(dá)到32767，一個(gè)是速度傳感器存在。從圖中可以看出，無效通道值是當(dāng)DSP檢測(cè)到有無效通道時(shí)，該值就會(huì)逐漸累加，最大值為32767，然后就后報(bào)出通道故障。只有當(dāng)故障復(fù)位的時(shí)候，該值才會(huì)重置為0。

通過圖3的控制邏輯分析，唯一的一個(gè)可調(diào)整參數(shù)就是無效通道檢測(cè)時(shí)間，查看參數(shù)設(shè)置，此值為2000ms。數(shù)值偏小。分別設(shè)置該參數(shù)為4000ms、6000ms、8000ms，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4、圖5、圖6所示。可以看出在8000ms時(shí)，采集數(shù)據(jù)非常好，沒有無效的值。最后將數(shù)值修改為8000ms，運(yùn)行觀察了一周，沒有故障報(bào)出。自此，該故障處理完畢。

5? 總結(jié)

通過前面逐步排查，雖然最終發(fā)現(xiàn)測(cè)速齒輪有一點(diǎn)瑕疵，但是如果換掉它，就會(huì)造成不必要的損失。后面通過分析通道故障的控制邏輯，調(diào)整無效通道檢測(cè)時(shí)間，選取了一個(gè)合適的參數(shù)來最終排除該故障。綜合來看，還是因?yàn)橥ǖ拦收系臋z測(cè)太過靈敏導(dǎo)致。通過這次故障處理，對(duì)于我們以后的生產(chǎn)工作有很大啟發(fā)，不能一味的去追求靈敏度，精確度，要找到最合適的，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐文彥.傳感器[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]孫建民，楊清梅.傳感器技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3]周真，苑惠娟.傳感器原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[4]于松偉，楊興山，韓連翔，等.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2008.

[5]方健.地鐵車輛電機(jī)牽引故障的診斷及維修技術(shù)方案分析[J].數(shù)碼設(shè)計(jì)（上），2018（8）：122.