針對磁電式轉速傳感器的故障檢測電路設計與實現

［摘 要］文章采用電阻、電容、二極管及三極管組成的信號采集電路模塊，實現了磁電式轉速傳感器的信號采集和傳感器線圈及連線的故障檢測功能。該電路模塊設計原理簡單，所用器件的失效模式已在實踐中得到驗證。通過對樣機的測試驗證了模塊功能，通過FMEA 分析確認了器件失效模式影響，證明該電路模塊滿足故障安全要求，可有效提升列車自動控制系統的安全性。

［關鍵詞］故障檢測；差分放大；故障安全

［中圖分類號］TN710.9 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）01–0101–03

磁電式轉速傳感器（以下簡稱“傳感器”）以磁電感應為基本原理來測量齒輪轉速。這類傳感器結構組成簡單，具有很強的抗干擾性，能夠在鹽霧、油氣、水汽等環境中工作，且維護成本較低，運行過程無需供電，完全依靠磁電感應來實現無接觸式測量。列車自動控制系統采集傳感器信號的同時需要檢測傳感器工作和故障狀態。對于傳感器的故障檢測方式，主要是控制軟件通過對比多通道輸出頻率數據來判斷其狀態，這種方式存在靜態與動態轉換時的誤判風險。

為滿足在靜態時的故障檢測功能設計了該電路模塊，該電路既滿足動態時交流小信號采集，又實現了靜態時傳感器故障檢測功能，滿足列車自動控制器的在線實時自檢功能要求，提升了列車自動控制系統的安全性。

1 磁電式轉速傳感器故障檢測總體設計

磁電式轉速傳感器由鐵芯、磁鋼及感應線圈等部件組成，屬于無源傳感器。測量齒輪轉動時，轉速傳感器的線圈會產生磁力線，齒輪轉動時，齒牙切割磁力線導致磁路變化，進而在感應線圈內產生電動勢，輸出相應頻率信號。該類型傳感器輸出信號為正弦交流信號，輸出信號電壓幅值與齒輪轉動速度成正比，即齒輪轉動速度低時，電壓幅值小，齒輪轉動速度高時，電壓值大。

磁電式轉速傳感器基本原理為電機發電原理，即在齒輪（車輛）靜止狀態下，無信號輸出，線圈內阻恒定，因此該類型傳感器的失效模式為線圈斷路和短路，這兩種失效模式的最終結果是傳感器線圈內阻發生較大變化，因此可通過測量線圈內阻來判斷其連接線纜和感應線圈是否斷路或短路。

該類傳感器的故障檢測需按照靜態和運行模式分別檢測，常用的故障檢測技術手段有以下幾種。

（1）通過控制軟件功能進行故障檢測，檢測過程為：控制系統在獲取車輛狀態的條件下，根據車輛運行狀態來判斷傳感器狀態。如啟動過程，靜態時無信號輸出，有動力時在一定時間內應有信號輸出；制動過程反之，運行時有信號輸出，在持續制動一定時間內，傳感器無信號輸出；運行狀態下，可通過兩臺（或多通道）傳感器的數據對比來判斷傳感器是否異常。控制軟件按照此邏輯進行傳感器故障檢測。缺點：靜態和動態切換“時間”為難點，需要大量數據來驗證，并且在復雜應用場景下，可能出現誤判、漏檢風險。

（2）分別設計信號采集電路和故障檢測電路，并結合控制軟件功能切換電路來實現故障檢測。運行時，可通過兩臺（或多通道）傳感器的數據對比來判斷傳感器是否異常；靜態時，軟件控制切換到故障檢測電路來判斷傳感器狀態。缺點：控制軟件對車輛運行情況的靜態和動態判斷切換上較困難，依賴于車輛側的監控軟件的給與的反饋信息；電路復雜度翻倍，可靠性降低。

（3）文章將采集電路和檢測電路合并設計，并結合RC 振蕩電路的基本原理檢測傳感器線圈內阻進而實現故障檢測。在單臺傳感器的兩通道之一設計為直接耦合式，實現靜態、動態數據采集，另一通道設計為振蕩式，在靜態下，通過振蕩波形頻率實現故障檢測，在動態時，輸出正常波形頻率。該電路結構簡單，無其他依賴條件，控制軟件功能簡化，可彌補以上兩種方案的不足。

2 電路設計

文章設計的電路模塊包括輸入差分放大電路、嵌位電路及反向放大電路。差分放大電路可實現交流小信號采集功能，具備遲滯比較功能。在無輸入信號時，可用差分放大電路的自振蕩特性，在線圈和連線無斷路時，輸出固定頻率波形。如果線圈斷開或連線斷開，輸入電阻變化，導致無法起振，輸出無波形，據此可判斷出線圈和連線是否斷路。原理如圖1 所示。

2.1 差分放大電路

差分放大電路有兩種工作方式：信號采集模式和振蕩模式。

（1）信號采集模式（圖2）。由TR1 和TR2 構成差分放大電路，TR1的集電極與TR2的基極通過電阻相連接，因此，TR2的基極電壓朝著與TR1基極電壓相反的方向變化。TR1的導通/ 截止由TR2的基極電壓作為臨界值而決定，由此使TR1的基極電壓上升或下降。在TR1導通/ 截止時，使TR1斷開后接通的電壓與由斷開接通的電壓值不同。當TR1接通時，要使TR1斷開就必須把電壓降低到比接通TR1電壓更低的值。相反，要斷開TR1時，必須把電壓上升到比斷開TR1電壓更高的值。

（2）振蕩模式。該模式與信號采集模式的不同之處僅限于差分放大電路的用法，箝位電路之后的動作與信號采集模式相同。

振蕩式差分放大電路是在轉速信號輸入振幅較小，無法導通／截止差分放大電路狀態時，作為振蕩電路進行動作。因此，即使沒有輸入信號也能輸出矩形波。而且，該振蕩動作因某種原因在轉速傳感器內阻阻抗過高時會停止振蕩動作，因此，可根據有無該自振信號對傳感器進行斷線檢測。具體信號流向如圖3所示。

2.2 嵌位電路

箝位電路由一個電容和一個二極管組成，圖1 中C 和D 為箝位電路，在差分放大電路中起著使經轉換的矩形波信號負峰值與GND 保持一致的作用。

2.3 反向放大電路

反向放大電路由TR3（圖1）實現反轉放大功能，同時為鉗位電路輸出信號提供緩沖作用，并驅動后級的光電耦合器，實現信號隔離傳輸。

2.3.1 測試驗證

按照實際應用場景模擬測試環境，用函數發生器和變壓器（次級線圈內阻為25 Ω）模擬磁電式轉速傳感器的輸出信號特性，為檢測電路模塊提供輸入信號，用示波器在模塊輸入端和輸出端測量信號。根據傳感器輸出信號特性，分別進行了信號采集功能和故障檢測功能測試驗證。

根據傳感器輸出信號特性：頻率在37 Hz 時，輸出電壓幅值為1～12 V，頻率在1 000 Hz 時，信號幅值為6～28 V。對于信號采集功能，需將正弦波轉為方波輸出，且頻率不變，占空比誤差小于±5%。在測試中，對頻率從37～3 000 Hz、電壓從1～28 V 進行了覆蓋式測試，典型測試數據見表1。

由表1 可知，該電路模塊的采集信號幅值和頻率都能覆蓋傳感器輸出信號特性，滿足設計要求。

靜態故障檢測功能分為靜態和動態條件，動態條件下，傳感器失效后變現為有波形突變，為無波形輸出，可通過控制軟件檢測到。所以文章主要討論靜態時的故障檢測設計與驗證。

靜態時，按照設計要求，故障檢測功能是在傳感器正常接入，且車輛靜態時，檢測電路模塊自振蕩輸出頻率為14±2 Hz。某品牌傳感器線圈內阻為25 Ω，通過增加匹配負載電阻后，傳感器正常，負載電阻為1 624 Ω，傳感器斷路時，負載電阻為3.6 kΩ。根據這一特性，在模塊輸入端接一個電位器模擬傳感器輸出內阻，通過調節電位器阻值來驗證自振蕩輸出頻率是否滿足要求，典型測試數據見表2。

由表2 可知，輸入電阻大于2.1 kΩ 和線圈斷線時，電阻為3.6 kΩ，本電路模塊無法起振，無信號輸出，所以據此可檢測出傳感器線圈斷路或連線斷路。

2.3.2 FMEA分析

故障- 安全：在系統某一功能或部件發生故障時，本系統能夠自動進入安全狀態；在列車自動運行控制系統采集傳感器數據功能的安全狀態為其中的部件故障時，只能采到數據為0，而不是其他非0 的錯誤數據，因此列車自動運行控制系統可采取相應控制措施，保證車輛運行安全。

參考GJB/Z 1391—2006 故障模式、影響及危害性分析指南，對該電路模塊上器件進行分析，本模塊僅由電容、電阻、二極管、三極管組成，器件失效模式為開路和短路。通過FMEA 分析可知，本模塊中所有器件的失效模式都能導致模塊無法輸出波形，尤其是在無轉速時，內部器件失效后，導致差分放大電路無法振蕩，無波形輸出，可被列車自動控制系統檢測得知，進而采取安全措施，因此該電路滿足故障導向安全設計原則。

3 結束語

文章設計了一種應用于磁電式轉速傳感器的信號采集電路模塊，并具備對傳感器線圈及連線的斷線檢測功能。通過FMEA 分析可知，組成電路模塊所有器件的失效模式都可導向安全。通過對模塊樣機的功能測試，驗證了對小信號的采集和斷線檢測功能，因此本模塊可為列車自動控制系統提供安全可靠的轉速信號，同時為頂層系統在線自檢功能提供支撐，保證了列車自動控制系統的安全運行。

參考文獻

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