动车电机速度传感器故障诊断及分析 薛秀慧

动车电机速度传感器故障诊断及分析薛秀慧

摘要：随着传感器技术及电机控制技术的发展，速度传感器大量应用在动车及机车领域，为牵引控制单元TCU/制动控制单元BCU实时提供信号以反馈速度及电机旋转方向，从而实现牵引电机的闭环控制，因此速度传感器的频繁故障已大大影响到铁路的运营秩序，本文论述了分析速度传感器的故障的思路及方法，展示了一例速度传感器故障的技术归零分析过程。

关键词：速度传感器；技术归零；故障树分析；故障再现

引言

速度传感器的故障诊断及分析

一、电机安装速度传感器方式介绍

为实现闭环控制，通常采取在牵引电机上安装速度传感器的方式采集信号，在电机转轴上安装测速齿轮，设计时确保速度传感器感应探头与测速齿轮之间形成固定间隙，一般为0.5mm～1.5mm，当电机旋转时测速齿轮同步旋转，齿轮上齿、槽与探头的位置变化导致速度传感器内器件感应信号的变化，经过整流放大等处理，输出两路或多路方波信号。TCU/BCU通过识别方波的数量、占空比来计算转速，通过识别方波的相位差来确定电机转向。

速度传感器的接地方式通常有单端接地及双端接地两种方式，本文展示案例为双端接地方式。

二、电机速度传感器的故障现象

配属某动车组的牵引电机在运行过程中，发生四起速度传感器故障，故障时均为车速为零公里，故障轴位的速度传感器信号与同车下其他轴位速度传感器信号反相，故障时牵引电机旋转方向读数故障封锁逆变器，之后可自动恢复。

三、故障诊断及分析方案策划

为查找故障原因，依据技术归零原则进行了策划了故障诊断及分析方案，从定位准确、机理清楚、故障再现、措施有效、举一反三五个步骤，策划工作项点九项。

四、故障诊断及分析方案策划

4.1故障定位

（1）下载故障数据分析

从动车下载故障数据中可得到的有价值信息为：

故障时时速为零，即为停车工况；

故障时逆变器信号封锁，但随即可恢复，判定速度传感器非功能永久丧失，即为可恢复故障。

（2）故障件返厂例行试验检测

故障件返厂后在常温下进行了以下项点检测：

外观检测：包括探头镜面、电连接器状态、插针插拔力等；

功能检测：电压幅值、占空比、相位差、空载电流等；

其他性能：绝缘电阻、屏蔽线接等。

检测结果：所有项点均符合出厂时标准，未见异常。

通过以上两项分析，可确定该次速度传感器故障模式为：在停车工况下外界环境因素干扰导致的速传反相故障。

4.2机理分析

将“在停车工况下外界环境因素干扰导致的速传反相故障”确定为故障树的顶

事件，并基于机理进行故障树分析，得到三项因素共计6项底事件，分别为E1～

E6，见图1所示。

图1 故障树FTA

4.3故障再现

（1）故障再现试验策划

根据以上分析，策划故障再现试验的项点及顺序，并进行试验验证。

（2）故障再现试验

1）高温振动两综合试验

试验目的：模拟车辆运行时的高温及振动工况进行加速试验，拟测试速传热敏

电阻是否在高温振动条件下启动高温断路保护、低温下自动恢复；是否在振动条

件下电连接器接触不良。

试验条件：速度传感器试验期间均通电工作；振动量级依据GB/T21563-2008

标准中3类模拟长寿命量级；温度采取125℃试验时间2h，温度上升到140℃时

保温试验4h。试验全程用录波仪实时录制或者实时摄像以监控是否波形异常。

试验结果：试验过程中波形未见异常，未能故障再现。

2）高低温交变综合试验

试验目的：模拟车辆运行时的温度变化工况进行加速试验，拟测试速度传感器

是否出现脉冲信号瞬间丢失现象。

试验条件：高温85℃，湿度98%，时间5小时，低温25℃，湿度95%，时间

1小时，循环2周期。试验全过程监控波形是否异常。

试验结果：试验过程中波形未见异常，未能故障再现。

3）浪涌试验

试验目的：依据电子产品电磁兼容标准进行，拟测试速度传感器是否在出现浪

涌干扰时误发脉冲信号。

试验条件：依据IEC61000-4-5标准进行电浪涌抗扰试验，试验时线-线±1kV，

线-地±2KV，波形1.25/50μs源阻抗：线-线2Ω，线-地12Ω。

试验结果：试验过程中波形未见异常，未能故障再现，试验波形见图10所示。 4）模拟车体安装供电试验

为模拟速度传感器在车体安装条件下真实电磁环境，进行了速度传感器的实

际接地方式分析及实车不同工况下电势差测量。

速度传感器为双端多点接地，其中探头侧通过电机接地装置与转向架的地连通，电连接器侧通过TCU/BCU接地装置与车体连通。两地为同地，接地回路示意

图见图2所示。

实车测量动车行进时向架与车体之间的电势差，停车时的升弓、合主断、关

主断、降弓工况下的转向架与车体之间的电势差，测试到在停车时最高幅值

300V～400V的电势差，具体见图3所示。

图2传感器接地回路示意图图3电势差测量

试验目的：模拟速度传感器在动车上的接地设置，拟测试速度传感器在实车接

地系统下通过屏蔽线形成环流后是否出现误发脉冲信号。

试验条件：在速度传感器电连接器侧（车体地）和探头侧（转向架地）之间加

载电势差，接地回路及电势加载示意详见图2所示，详细工况及加载条件见表1所示。

工况二：该工况因速传未旋转，正常时输出波形应为两条直线，但在试验过程中出现了类似方波脉冲的信号，幅值为10V～15.8V，与正常工作时的波形幅值相近，即为误脉冲，故障再现，试验波形见图4所示。

5）故障再现试验小结

通过以上试验，最终锁定导致本次“在停车工况下外界环境因素干扰导致的速传反相故障”的原因为停车工况转向架和车体之间存在的电势差使速度传感器的屏蔽线间流过电流，传感器未能抵抗该干扰导致输出误脉冲。

4.4措施有效

解决该问题可采取的改进方案有两项，一是优化车辆系统的接地方式，降低车体电位，从而有效地解决降弓时传感器受到的电磁干扰；二是加强速度传感器的抗干扰能力，从感应元件的升级、PCB板绝缘性能加强等方面提高其环境适应性。

本次案例采取了改进方案二，即对速度传感器进行了改进对升级版产品再次进行了模拟车体安装供电试验，试验结果表明速传波形正常，未生成误脉冲。从而解决了该类问题，详见图5所示。

图5 升级版产品模拟电势差试验-测速齿轮旋转/不旋转

4.5举一反三

经过以上故障分析结论及改进措施验证结果，证明本次故障原因定位准确，改进措施有效，据此后续开展了两项工作，一是完善了速度传感器的采购规范，对产品的绝缘性能、抗干扰性能等均细化了技术要求；二是形成了速度传感器故障技术归零分析模板，做到了举一反三。

结束语

本论文对动车牵引电机速度传感器故障进行了技术归零分析，提供了速度传感器故障分析思路及各项试验验证数据，为后续牵引电机速度传感器可靠性的提高提供了解决方案，也为降低传感器故障对铁路运营秩序的影响奠定了基础。

参考文献：

[1]吴建平.传感器原理及应用.机械工业出版社，2009.1

[2]熊诗波，黄长艺．机械工程测试技术基础［M］．机械工业出版社，2006