一种动车组速度传感器失效模式研究

2020-03-10赖天伦

科学与财富 2020年33期

关键词：失效

赖天伦

摘要：本文对动车组牵引速度传感器进行失效分析，确定传感器低电源电压时浪涌冲击的影响易出现丢失脉冲现象，并通过可靠性试验验证改进方法的可行性和有效性。

關键词：速度传感器;脉冲丢失;失效

为保证车辆安全运行，动车组设置了大量的传感器。某型动车组牵引电机非传动端设置有两个速度传感器，分别为牵引变流器及制动控制装置提供速度信号。

本文针对动车组牵引速度传感器输出信号脉冲异常丢失进行研究，以提高速度传感器的可靠性。

1.速度传感器原理及失效分析

1.1传感器原理分析

某型速度传感器电路由电源处理电路、信号处理电路、霍尔集成芯片组成，等效电路如图1所示。电源处理电路由瞬间抑制二极管、防反接二极管、储能电容、滤波电容和分压电阻组成。信号处理电路采用运放芯片构成迟滞比较器，运放芯片自身集成推挽输出电路，并在输出端口增加浪涌保护和短路保护电路，提高其抗干扰能力。霍尔集成芯片感应测试齿轮旋转时所产生的磁场变化，并输出调理后的方波信号。霍尔感应芯片封装在探头内部。

速度传感器设计工作电压范围为8V～36V。霍尔感应芯片的工作电压范围为4V～30V，为保证霍尔感应芯片在传感器工作电压范围内正常工作，采用分压电阻R11、R12分压。当霍尔感应芯片供电低于3.95V时，出现欠压锁死状态，如图1。

1.2速度传感器失效模式分析

速度传感器故障失效模式主要有探头损伤、电源中断、引脚焊接松脱、击穿短路、感应元件或连接导线虚焊/脱焊;电路板保护器件短路或断路、元器件供电中断、电器回路绝缘击穿、元器件虚焊/脱焊、电源不稳定、保护上位机供电电压低、元器件损伤、电磁干扰;电缆及组件电缆断线、电缆芯线绝缘破损、信号传输链中的连接端子或焊盘松动、脱落。

针对上述故障失效模式均可通过以下试验进行验证：基本性能测试、绝缘耐压试验、高温试验、低温试验、快速温变试验、温度+振动复合试验、静电放电抗扰度试验、电快速脉冲群抗扰度试验、浪涌抗扰度试验。

1.3过分相时刻输出脉冲丢失原因分析

动车组在运行过程中多次记录滑行。通过车载记录数据分析，滑行现象均出现在过分相时刻，如图2所示。故障时刻处于B3、B4级位。制动控制装置记录信息，发现故障点的前一个和后一个记录周期（40ms）速度均正常，滑行时单轴速度比正常速度约低3km/h。

通过车载数据分析表明，故障时刻满足车辆滑行判据：制动级位在1级～6级时，减速度大于10km/h/s且速度差大于3km/h。故障复现试验通过在传感器线-地施加浪涌电压，同时逐步降低传感器供电电压方式进行。在传感器线-地施加2kV浪涌电压，电源电压降至6.5V时，传感器偶发性出现输出信号丢失脉冲的现象，且脉冲丢失呈持续低电平状态，如图2所示。

注：蓝色为传感器输出信号，绿色为霍尔感应芯片电压信号，粉色为浪涌电压信号。

综合故障时传感器输出信号波形特征及速度传感器失效模式，分析为浪涌电压施加瞬间，霍尔感应芯片供电低于3.95V，欠压锁死，传感器输出信号表现为脉冲丢失。

2.传感器改进方式

2.1电路结构优化

优化速度传感器电路，取消霍尔感应芯片前端分压电阻R11、R12。优化后传感器等效电路如图3所示。

2.2试验验证

优化后速度传感器供电范围可达6V～30V，霍尔感应芯片两端的电压为5.5V～29.5V。

优化后速度传感器进行性能及浪涌抗扰度、高低温等试验，传感器各项指标达到初始技术要求。开展浪涌及低电源电压复合试验，传感器线-地施加2kV浪涌电压，电源电压逐步降至6V时，传感器输出信号无丢失脉冲的现象，如图4所示。

3.结论

（1）动车组在过分相时，传感器在低电源供电时受浪涌冲击的影响，导致霍尔感应芯片供电不足失效，出现丢失脉冲现象，导致车辆误报滑行。

（2）取消霍尔感应器件前端分压电阻，可有效提高传感器芯片的适应能力，提高产品可靠性。

（3）通过试验验证可知，改进速度传感器与改进前的产品相比，可靠性得到提高，改进方法可行、有效，提高了动车组的可用性。