地铁车辆速度传感器通道故障分析及处理

马燕 全瑞琴 刘洋

摘要：在地铁车辆中，速度是一个很重要的参数，因此在日常工作中，有关速度的故障，一定要认真对待。本文针对地铁车辆中出现的一起速度传感器通道故障，通过逐步分析，逐步排查，发现测速齿轮有点损伤，但是该损伤又在损伤范围内，如果更换它，会造成不必要的損失。最后通过分析通道故障的逻辑，发现该故障检测灵敏度太高，需要调整无效通道检测时间。后面通过实验对比不同时间参数下的数据，确定最优的时间参数，从而解决该问题。

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.

关键词：速度传感器;通道故障;控制逻辑;调整参数

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

0  引言

在地铁车辆中，车辆的速度是一个重要的参数。它可以用来表示车辆的快慢，可以作为一个参数参考，来控制车辆的运行，比如：车辆的加减速，车辆的对标停车等等。如果车辆的速度不准确或者是速度丢失，那就会影响车辆的正常运行。

在地铁车辆上，列车速度的获取是通过安装在齿轮箱上的速度传感器来测量得到的[1]。这里用的速度传感器是霍尔式速度传感器。霍尔式速度传感器具有体积小、占用空间小、结构简单、抗干扰性性能强、精度高、可连续测量等优点。

1  霍尔式速度传感器原理

霍尔式速度传感器属于霍尔式传感器，是利用霍尔效应的原理制成的，利用霍尔效应使位移带动霍尔元件在磁场中运动产生霍尔电热，即把位移信号转换成电热变化信号的传感器。其原理是当磁力线穿过传感器上感应元件时产生霍尔电势，然后将其转换为交变电信号，最终传感器的内置电路会将信号调整和扩大，输出矩形脉冲信号[2]。

在实际应用中，将磁性转盘的输入轴与被测转轴相连接，当被测转轴转动时，磁性转盘也跟着转动，固定在磁性转盘旁边的霍尔式速度传感器便可在每一个小磁铁经过时产生一个相应的脉冲[3]。测量出单位时间内的脉冲数，便可知被测转速。

2  地铁车辆中霍尔式速度传感器介绍

地铁车辆中所使用的速度传感器为霍尔双通道传感器，以此可以判别正反转。当车辆为正向时，输出波形为通道A超前通道B 90度，为反向时，通道B超前通道A 90度。

速度传感器安装于齿轮箱小轴端尾部端盖上，感应导磁体上凸起的齿或者是凹下的槽，相应的给出高低电平，用于检测轮轴的转速、线速度，通过计算处理也可以得到被测体的加速度。当测速齿轮旋转时，速度传感器将产生一定频率的方波信号，经过内部处理，将传感器获取的信号进行放大整形，使处理过的信号转换成标准的方波信号。速度传感器简单装配图如图1所示。

3  速度传感器通道故障分析

在地铁车辆中，速度传感器信号是由控制单元来处理，主要由控制单元里的DSP来读取、存储和处理。DSP每1ms读取一次有效的上升沿和下降沿的数量，并且标记每个上升沿和下降沿的时间，然后DSP计算自上次读取后的时间增量，并且计算时间增量内的轴速和上升下降沿的数量。当DSP读取到的速度信号不完整，通道的有效位会丢失，两个通道的有效位都丢失的情况速度就会丢失[4]。

常见的速度传感器通道故障为：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，可以总结为以下几个方面：

①速度传感器本身故障;

②测速齿轮有缺陷;

③插头有问题（插头松动，插针缩针）;

④控制单元故障;

⑤电缆有问题。

对于速度传感器通道故障问题，处理起来是比较繁琐和复杂的，所以一般是先从简单处着手去分析和处理。

本次速度传感器通道故障反生在车辆运行的途中，报出的通道B故障。车辆入库后，首先检查传感器插头和外部插头，检查都是正常的;其次测量外部电缆，测量结果也是正常。最后做预防性维修，更换了速度传感器。去试车线跑车，并使用电脑实时监控速度状态，发现在只要速度大于18km/h，就好报出速度传感器B通道故障。由此可以排除速度传感器本身的故障。这样看来，可能是控制单元和测速齿轮有问题。

查看实时监控数据，发现速度传感器通道B有效位丢失，说明信号采集不完整。如图2所示。

在通道无效保护机制，有两个很重要的计算公式，以此来判断测速齿轮是否存在问题。见公式（1）和（2）。

其中，Mech[Hz]为计算的机械频率，Elec[rad/s]为角速度值，pool=2，Trig[Hz]为通道保护触发频率，T为通道保护间隔时间。当Mech[Hz]相近或者等于Trig[Hz]时，说明某个测速齿轮的齿可能有问题。根据实时监控到的数据，可读出Elec[rad/s]等于526，T等于0.024。

由公式（1）和公式（2）计算得出：

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]，说明某个测速齿轮的齿可能有问题。

由于拆解测速齿轮非常复杂，也为了更进一步确定是测速齿轮的问题，将控制单元更换，然后跑车观察，发现故障现象还在。这就确定是测速齿轮的问题了。后面测量测速齿轮的齿顶到传感器之间的间隙，都在正常范围内（正常为0.5-1.4mm），最后拆下测速齿轮，发现有一个齿表面有一个微小的坑，肉眼很难看清[5]。根据齿轮损伤标准来判断，该微小凹坑，完全在标准内。如果就此更换掉测速齿轮，那故障会消除，但是这样的话，就会造成不必要的时间和成本的损失。下面就从速度传感器通道故障的软件控制逻辑来分析并解决该问题。

4  速度传感器通道故障控制逻辑

查阅速度传感器通道故障逻辑控制图如图3所示。从逻辑图可以看出，报出通道故障的条件有两个，一个是无效通道值达到32767，一个是速度传感器存在。从图中可以看出，无效通道值是当DSP检测到有无效通道时，该值就会逐渐累加，最大值为32767，然后就后报出通道故障。只有当故障复位的时候，该值才会重置为0。

通过图3的控制逻辑分析，唯一的一个可调整参数就是无效通道检测时间，查看参数设置，此值为2000ms。数值偏小。分别设置该参数为4000ms、6000ms、8000ms，实验结果见图4、图5、图6所示。可以看出在8000ms时，采集数据非常好，没有无效的值。最后将数值修改为8000ms，运行观察了一周，没有故障报出。自此，该故障处理完毕。

5  總结

通过前面逐步排查，虽然最终发现测速齿轮有一点瑕疵，但是如果换掉它，就会造成不必要的损失。后面通过分析通道故障的控制逻辑，调整无效通道检测时间，选取了一个合适的参数来最终排除该故障。综合来看，还是因为通道故障的检测太过灵敏导致。通过这次故障处理，对于我们以后的生产工作有很大启发，不能一味的去追求灵敏度，精确度，要找到最合适的，实现最优控制。

参考文献：

[1]唐文彦.传感器[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]孙建民，杨清梅.传感器技术[M].北京：清华大学出版社，2005.

[3]周真，苑惠娟.传感器原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2011.

[4]于松伟，杨兴山，韩连翔，等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].成都：西南交通大学出版社，2008.

[5]方健.地铁车辆电机牵引故障的诊断及维修技术方案分析[J].数码设计（上），2018（8）：122.