电磁销解锁信号输出异常故障分析

李姝，陈永红，韦泽波

（贵州航天控制技术有限公司，贵阳550009）

1 引言

在某型号电动舵机的通电测试中，出现解锁信号异常的直流电磁销其衔铁组件工作时运动正常。安装舵面后，手动正反转动舵面，舵机有制锁限位功能，说明电磁销已经落锁，但是霍尔反馈电压的高低不能与销轴所处状态对应，即不能正常反馈直流电磁销的解锁状态。

2 工作原理

2.1 电磁销组成和工作原理

直流电磁销主要由壳体、导磁盖、衔铁组件、线圈组件和解锁信号输出装置等组成。该结构内部为活动衔铁组件，当电磁铁接通电源时，线圈磁化衔铁，被磁化的衔铁和导磁盖产生较大电磁吸合力带动衔铁组件运动，既为解锁。

2.2 解锁检测装置设计

解锁检测装置的传感器器件选用HK643A军用霍尔高温小型开关型集成电路。该霍尔开关型集成电路是由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、施密特触发器和集电极开路的输出级组成的磁敏集成电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压信号。

根据霍尔开关型集成电路磁电转换特性，设计电磁销解锁检测电路，在电源供电为5V时，电磁销解锁输出信号为高电平（5V），电磁销未解锁输出信号为低电平（0～0.4V）。

2.3 霍尔开关电路与磁钢组件位置关系

图1 磁钢与霍尔电路轴切面示意图

单极性霍尔开关电路规定为，当磁场南极（S极）磁场强度增加，即南极（S极）覆盖霍尔电路外壳有标志面时，霍尔输出为低电压。当外加磁场减小甚至除去时，霍尔输出为高电压。根据霍尔磁特性，并结合直流电磁销结构特点，工作磁体与霍尔器件间采用测移运动方式。衔铁组件带动磁钢组件移动，使磁钢组件覆盖或脱离霍尔器件，如图1所示。

本机构设计用霍尔输出电压的高低判断电磁销解锁制锁状态。当电磁销绕组未通电，磁钢与霍尔相对位置见图1(a)，磁钢组件（2）产生的磁场覆盖霍尔开关电路（1），垂直于霍尔开关集成电路外加的磁感应强度大于阈值，霍尔开关集成电路输出低电压；当电磁销绕组通电吸合时，磁钢与霍尔相对位置见图1(b)，磁钢组件（2）离开霍尔开关电路（1），其外加磁感应强度小于阈值，霍尔开关输出为高电压。

3 故障分析

3.1 直流电磁销销轴反馈中心位移检查

对C14009#直流电磁销销轴位移霍尔工作点或释放点的中心位移检查。测量C14009#直流电磁销销轴位移为1.7mm，霍尔释放点为1mm，霍尔工作点位1.45mm，工作点和释放点的位置关系见图2。

从图2可知，直流电磁销霍尔工作的中心点不在销轴位移的中心位置，靠近伸出（落锁）方向，电磁销在落锁状态，霍尔工作点的裕度较小。

图2 霍尔工作点和释放点的位置关系

3.2 直流电磁销分解检查

将出现解锁反馈异常的两只直流电磁销（编号为：C14009、C14044）进行分解。分解后测量霍尔离磁钢组件表面垂直距离为3.0mm及2.5mm。对直流电磁销分解下来的磁钢组件及霍尔进行磁场强度和磁敏感度工作点检查。

3.2.1 磁钢组件磁场强度测试

首先对磁钢组件表面磁场强度测试，对磁钢组件环形空间均布取 a、b、c、d、e、f点共 6 个，测量磁钢组件 6 点二维空间间距1mm、2mm、3mm的磁场强度，及空间点不变情况下，磁钢组件向上位移1.5mm后，各点磁场强度值。测量C14009#和C14044#电磁销其磁钢组件在二维空间各点磁场强度值及在空间点不变情况下，磁钢组件向上位移1.5mm后，各点磁场强度值。

在磁钢组件不动条件下，霍尔敏感点的磁场强度为（16～17）mT 和 19～20）mT，磁钢组件位移 1.5mm 之后，霍尔敏感点的磁场强度大约为（5～7）mT和（4～6）mT。

3.2.2 霍尔工作点和释放点测试

在常温条件下，C14009#直流电磁销霍尔的工作点为（16.5～17.5）mT，释放点为（14.5～15.5）mT。C14044# 直流电磁销霍尔的工作点为（17.5～19.0）mT，释放点为（15.5～16.5）mT。通过厂家给的参数进行估算，高低温条件下霍尔工作点和释放点变化在（1～2）mT。

3.3 故障定位

根据上述分析，MZ-1直流电磁销在高温条件下解锁异常，是由于磁钢组件覆盖霍尔敏感点的磁场强度与霍尔的参数值处于极限，磁钢组件未有效覆盖霍尔的工作点。在高温条件下，霍尔工作点和释放点磁场强度还会增加1 mT。磁钢组件相对于霍尔敏感点磁场强度裕量较小，根据霍尔工作原理，覆盖磁场强度不够或磁场接近极限时，反馈电压的高低有可能出现随机性，使反馈电压异常[1]。

4 改进措施

4.1 霍尔改进

由于磁钢组件覆盖霍尔磁场强度较弱，将军用霍尔高温小型开关型集成电路HK643A换用军用霍尔高温小型开关型集成电路HK643。HK643工作点和释放点磁场强度范围（5～18）mT，范围优于 HK643A（3～25）mT，有利于电磁销解锁和落锁的检测。

4.2 霍尔与磁钢距离配合改进

电磁销霍尔与磁钢组件距离为（2.5～3）mm，从之前的测试数据可以看出，磁场强度未有效覆盖霍尔的工作点和释放点，存在电磁销解锁误反馈检测；采取措施将霍尔离磁钢表面距离减小至1mm左右，霍尔工作点的磁场强度为（22～30）mT，霍尔释放点的磁场强度小于3mT，满足霍尔切换的使用要求。

4.3 调试过程改进

C14009#直流电磁销测试霍尔切换中心点不在电磁销销轴位移的中心位置，对直流电磁销落状态检测的裕量较小，可能产生误检测。制作调试工装对霍尔切换中心点进行检测与调试，在调试时先对电磁销的吸合行程进行测量，然后用该工装将电磁销固定在其一半行程时，霍尔反馈应有低电平转换为高电平，即保证霍尔切换点与电磁销销轴中心点重合。

4.4 试验验证

改进后的产品进行了“低温→高温→低温”、“高温→低温→高温”和常温等共8次试验测试，每次通断电次数大于50次。每台产品各种温度环境测试总次数大于400次，在测试过程中，用数字多用表监测霍尔开关电路电压输出参数。产品霍尔电路信号反馈准确，未出现一次反馈异常的现象。

5 结论

经上述分析和试验验证，在出现问题的直流电磁销磁钢组件磁场强度覆盖霍尔工作点和释放点裕量较小，磁场强度接近极限，使霍尔开关反馈电压出现随机性。对此采取了措施：更换霍尔开关电路，减小霍尔开关电路工作点和释放点的磁场强度范围；减小磁钢组件表面与霍尔开关电路间距，提高工作点磁场强度；对调试过程进行精准测量，保证霍尔切换点与电磁销销轴中心点重合，解锁信号输出异常可得以解决。