動車組速度信號耦合干擾問題的研究

趙曉春

(中國鐵路濟南局集團有限公司 青島機車車輛監造項目部,山東 青島 266111)

1 概述

動車組牽引系統速度信號在行車過程中是至關重要的信號,列車通過速度信號完成牽引、制動、空轉滑行控制等關鍵功能。為保證列車的速度信號采集精確性以及避免其他雜散信號對速度信號干擾,通常對速度信號傳輸路徑及所屬系統進行良好地接地處理[1]。本文通過某型動車組牽引系統發生的一起屏蔽接地處理不良導致物理層速度采樣受到干擾的故障進行測試及分析研究,提出一種對采樣軟件優化和系統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 速度信號輸出電路

圖2 速度傳感器產生的相位信號

以上相位關系表示從傳感器蓋方向看齒輪順時針旋轉時的波形,如圖3所示。

圖3 速度傳感器檢測齒輪工作原理

2.2 某型動車組速度采樣及校驗原理

某型動車組在全磨耗輪徑條件下達到最高速度時,電機轉速約為6 048 rpm,對應的電機速度脈沖頻率約為10 kHz,該速度信號周期為100 μs,同理,電機速度脈沖頻率范圍為0～10 kHz,脈沖上升沿時間間隔范圍為∞～100 μs。

當前變流器(CI)對速度信號的處理如下:

(1) 設置低通濾波器,可顯著過濾1 MHz(對應1 μs的電機速度脈沖寬度)以上的速度信號擾動量。

(2) 對輸入的速度信號電壓進行比較采樣。當輸入的速度信號電壓≥8 V,判斷速度脈沖信號為高電平;當輸入的速度信號電壓<5.3 V,判斷速度脈沖信號為低電平。

某型動車組牽引系統采用速度頻率跳變和列車速度與軸速對比2種方法校驗速度信號是否處于異常狀態:一是變流器采樣電機轉速加速度并判斷在兩個相鄰的窗口期,即750 μs內相鄰2個電機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,就認為速度信號采樣處于異常狀態[2-3]。

3 速度傳感器干擾故障研究

某型動車組在靜態條件下發生牽引電機速度信號故障導致的牽引測試失敗,故障時列車牽引系統表現為測試失敗,針對該問題對速度采集及處理進行如下分析研究。

3.1 硬件故障樹排查分析

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

圖4 變流器整機速度傳感器信號異常故障樹

通過故障樹可以逐個排查與速度信號相關的硬件物理參量,排查過程中同時改善變流器內部電纜屏蔽層與機箱的接地狀態。良好的屏蔽層接地可有效泄放屏蔽層上的感應電壓,減小感應電壓聚集后導致速度信號傳遞路徑受到影響[4]。

3.2 故障數據分析研究

分析變流器記錄數據,發現故障02車在靜態條件下發生牽引測試失敗時,變流器采集到速度大于0.5 km/h,認為列車不是靜止狀態并且內部停止牽引測試,牽引力不再輸出,從而導致牽引測試失敗[5-6]。

采用示波器進一步分析牽引速度傳感器故障報出時記錄的數據,如圖5所示,發現速度信號波形電壓存在毛刺,在高電平時出現低于5.3 V持續約6.5 μs的電機速度干擾窄脈沖,導致正確的上升沿間隔時間T=2 358 μs被識別為更小的t=784 μs。其中,T對應的電機速度脈沖頻率為424 Hz,t對應的電機速度脈沖頻率為1 275 Hz,跳變值851 Hz超過了閾值(144 Hz),導致電機速度傳感器故障報出。

圖5 02車故障時刻示波器數據分析

對示波器采集的干擾窄脈沖進行統計和分析,最大發生有持續6.5 μs的干擾窄脈沖1次,持續1 μs及1 μs以上(1 μs以下的可被現有濾波器過濾)的窄脈沖干擾總計發生395次,見圖6。

圖6 速度信號干擾情況統計

為對比各車信號干擾特性差異,通過示波器監視各車進行牽引測試時的各軸速度脈沖信號的抖動情況,可見04車、07車速度信號較好,05車較差,02車最差,如圖7所示。

圖7 各車牽引測試時各軸速度脈沖信號波形

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

針對此類接地耦合故障問題,除了對所影響系統進行良好的屏蔽層接地處理措施外,業內通常采用修改系統軟件濾波方法濾除干擾信號,防止信號失真。

3.3 軟件濾波整改方案

綜合考慮正常牽引電機速度、現有硬件濾波,結合實際測試波形,優化速度信號濾波機制,對牽引變流器速度信號高頻抖動濾波進行調整,優化方案為:將原1 MHz濾波優化為100 kHz濾波,以濾除10 μs以下的速度信號脈沖[9]。

具體方案為:升級牽引變流器軟件,通過判斷相鄰2個大于10 μs的速度信號脈沖時間間隔進行轉速計算(上升沿、下降沿同時考慮)。圖8為濾波優化示意圖。

圖8 濾波優化示意圖

4 結論

通過檢查并處理速度信號線束屏蔽層接地、更換速度信號線束、修復牽引逆變輸出電纜屏蔽層導電布膠帶損傷等各項排查工作,靜調和動調試驗結果表明,速度傳感器信號穩定,故障未再發生。通過以上處理過程可以看到,速度信號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較大雜波脈沖的處理,是多重問題耦合作用注入的結果[10]。通過對速度信號線束屏蔽層及其接地進行良好處理可減小其他外界干擾的影響,通過對軟件層面的濾波處理可以進一步從根本上解決外界干擾注入問題。