動(dòng)車組速度信號(hào)耦合干擾問題的研究

趙曉春

(中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 青島機(jī)車車輛監(jiān)造項(xiàng)目部,山東 青島 266111)

1 概述

動(dòng)車組牽引系統(tǒng)速度信號(hào)在行車過程中是至關(guān)重要的信號(hào),列車通過速度信號(hào)完成牽引、制動(dòng)、空轉(zhuǎn)滑行控制等關(guān)鍵功能。為保證列車的速度信號(hào)采集精確性以及避免其他雜散信號(hào)對(duì)速度信號(hào)干擾,通常對(duì)速度信號(hào)傳輸路徑及所屬系統(tǒng)進(jìn)行良好地接地處理[1]。本文通過某型動(dòng)車組牽引系統(tǒng)發(fā)生的一起屏蔽接地處理不良導(dǎo)致物理層速度采樣受到干擾的故障進(jìn)行測試及分析研究,提出一種對(duì)采樣軟件優(yōu)化和系統(tǒng)良好接地的處理方案。

2 速度采集原理及介紹

2.1 速度傳感器原理

圖1 速度信號(hào)輸出電路

圖2 速度傳感器產(chǎn)生的相位信號(hào)

以上相位關(guān)系表示從傳感器蓋方向看齒輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的波形,如圖3所示。

圖3 速度傳感器檢測齒輪工作原理

2.2 某型動(dòng)車組速度采樣及校驗(yàn)原理

某型動(dòng)車組在全磨耗輪徑條件下達(dá)到最高速度時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)速約為6 048 rpm,對(duì)應(yīng)的電機(jī)速度脈沖頻率約為10 kHz,該速度信號(hào)周期為100 μs,同理,電機(jī)速度脈沖頻率范圍為0～10 kHz,脈沖上升沿時(shí)間間隔范圍為∞～100 μs。

當(dāng)前變流器(CI)對(duì)速度信號(hào)的處理如下:

(1) 設(shè)置低通濾波器,可顯著過濾1 MHz(對(duì)應(yīng)1 μs的電機(jī)速度脈沖寬度)以上的速度信號(hào)擾動(dòng)量。

(2) 對(duì)輸入的速度信號(hào)電壓進(jìn)行比較采樣。當(dāng)輸入的速度信號(hào)電壓≥8 V,判斷速度脈沖信號(hào)為高電平;當(dāng)輸入的速度信號(hào)電壓<5.3 V,判斷速度脈沖信號(hào)為低電平。

某型動(dòng)車組牽引系統(tǒng)采用速度頻率跳變和列車速度與軸速對(duì)比2種方法校驗(yàn)速度信號(hào)是否處于異常狀態(tài):一是變流器采樣電機(jī)轉(zhuǎn)速加速度并判斷在兩個(gè)相鄰的窗口期,即750 μs內(nèi)相鄰2個(gè)電機(jī)速度脈沖頻率變化超過144 Hz;二是列車速度大于7 km/h但此軸速度仍小于2 km/h,就認(rèn)為速度信號(hào)采樣處于異常狀態(tài)[2-3]。

3 速度傳感器干擾故障研究

某型動(dòng)車組在靜態(tài)條件下發(fā)生牽引電機(jī)速度信號(hào)故障導(dǎo)致的牽引測試失敗,故障時(shí)列車牽引系統(tǒng)表現(xiàn)為測試失敗,針對(duì)該問題對(duì)速度采集及處理進(jìn)行如下分析研究。

3.1 硬件故障樹排查分析

由于故障表現(xiàn)為速度傳感器信號(hào)異常,通過建立變流器整機(jī)速度傳感器信號(hào)異常的故障樹(圖4),分析潛在存在的屏蔽干擾原因。

圖4 變流器整機(jī)速度傳感器信號(hào)異常故障樹

通過故障樹可以逐個(gè)排查與速度信號(hào)相關(guān)的硬件物理參量,排查過程中同時(shí)改善變流器內(nèi)部電纜屏蔽層與機(jī)箱的接地狀態(tài)。良好的屏蔽層接地可有效泄放屏蔽層上的感應(yīng)電壓,減小感應(yīng)電壓聚集后導(dǎo)致速度信號(hào)傳遞路徑受到影響[4]。

3.2 故障數(shù)據(jù)分析研究

分析變流器記錄數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)故障02車在靜態(tài)條件下發(fā)生牽引測試失敗時(shí),變流器采集到速度大于0.5 km/h,認(rèn)為列車不是靜止?fàn)顟B(tài)并且內(nèi)部停止?fàn)恳郎y試,牽引力不再輸出,從而導(dǎo)致牽引測試失敗[5-6]。

采用示波器進(jìn)一步分析牽引速度傳感器故障報(bào)出時(shí)記錄的數(shù)據(jù),如圖5所示,發(fā)現(xiàn)速度信號(hào)波形電壓存在毛刺,在高電平時(shí)出現(xiàn)低于5.3 V持續(xù)約6.5 μs的電機(jī)速度干擾窄脈沖,導(dǎo)致正確的上升沿間隔時(shí)間T=2 358 μs被識(shí)別為更小的t=784 μs。其中,T對(duì)應(yīng)的電機(jī)速度脈沖頻率為424 Hz,t對(duì)應(yīng)的電機(jī)速度脈沖頻率為1 275 Hz,跳變值851 Hz超過了閾值(144 Hz),導(dǎo)致電機(jī)速度傳感器故障報(bào)出。

圖5 02車故障時(shí)刻示波器數(shù)據(jù)分析

對(duì)示波器采集的干擾窄脈沖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,最大發(fā)生有持續(xù)6.5 μs的干擾窄脈沖1次,持續(xù)1 μs及1 μs以上(1 μs以下的可被現(xiàn)有濾波器過濾)的窄脈沖干擾總計(jì)發(fā)生395次,見圖6。

圖6 速度信號(hào)干擾情況統(tǒng)計(jì)

為對(duì)比各車信號(hào)干擾特性差異,通過示波器監(jiān)視各車進(jìn)行牽引測試時(shí)的各軸速度脈沖信號(hào)的抖動(dòng)情況,可見04車、07車速度信號(hào)較好,05車較差,02車最差,如圖7所示。

圖7 各車牽引測試時(shí)各軸速度脈沖信號(hào)波形

通過上述分析得知,該故障是多設(shè)備在整車接地條件下耦合產(chǎn)生的綜合性故障,在故障的排查過程中,通過對(duì)變流器內(nèi)部接地的優(yōu)化整改,故障發(fā)生的概率逐漸減小,最終所有的接地處理優(yōu)化措施實(shí)施后速度信號(hào)波形較之前有較大改善,毛刺等干擾信號(hào)大幅減少,因此判斷該故障屬于整車接地匹配耦合隨機(jī)故障[7-8]。

針對(duì)此類接地耦合故障問題,除了對(duì)所影響系統(tǒng)進(jìn)行良好的屏蔽層接地處理措施外,業(yè)內(nèi)通常采用修改系統(tǒng)軟件濾波方法濾除干擾信號(hào),防止信號(hào)失真。

3.3 軟件濾波整改方案

綜合考慮正常牽引電機(jī)速度、現(xiàn)有硬件濾波,結(jié)合實(shí)際測試波形,優(yōu)化速度信號(hào)濾波機(jī)制,對(duì)牽引變流器速度信號(hào)高頻抖動(dòng)濾波進(jìn)行調(diào)整,優(yōu)化方案為:將原1 MHz濾波優(yōu)化為100 kHz濾波,以濾除10 μs以下的速度信號(hào)脈沖[9]。

具體方案為:升級(jí)牽引變流器軟件,通過判斷相鄰2個(gè)大于10 μs的速度信號(hào)脈沖時(shí)間間隔進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算(上升沿、下降沿同時(shí)考慮)。圖8為濾波優(yōu)化示意圖。

圖8 濾波優(yōu)化示意圖

4 結(jié)論

通過檢查并處理速度信號(hào)線束屏蔽層接地、更換速度信號(hào)線束、修復(fù)牽引逆變輸出電纜屏蔽層導(dǎo)電布膠帶損傷等各項(xiàng)排查工作,靜調(diào)和動(dòng)調(diào)試驗(yàn)結(jié)果表明,速度傳感器信號(hào)穩(wěn)定,故障未再發(fā)生。通過以上處理過程可以看到,速度信號(hào)受到干擾是由多重因素疊加造成的,既有速度傳遞鏈路屏蔽層接地處理不良的問題,又缺少軟件濾波層面對(duì)較大雜波脈沖的處理,是多重問題耦合作用注入的結(jié)果[10]。通過對(duì)速度信號(hào)線束屏蔽層及其接地進(jìn)行良好處理可減小其他外界干擾的影響,通過對(duì)軟件層面的濾波處理可以進(jìn)一步從根本上解決外界干擾注入問題。