電磁銷解鎖信號輸出異常故障分析

李姝，陳永紅，韋澤波

（貴州航天控制技術有限公司，貴陽550009）

1 引言

在某型號電動舵機的通電測試中，出現解鎖信號異常的直流電磁銷其銜鐵組件工作時運動正常。安裝舵面后，手動正反轉動舵面，舵機有制鎖限位功能，說明電磁銷已經落鎖，但是霍爾反饋電壓的高低不能與銷軸所處狀態對應，即不能正常反饋直流電磁銷的解鎖狀態。

2 工作原理

2.1 電磁銷組成和工作原理

直流電磁銷主要由殼體、導磁蓋、銜鐵組件、線圈組件和解鎖信號輸出裝置等組成。該結構內部為活動銜鐵組件，當電磁鐵接通電源時，線圈磁化銜鐵，被磁化的銜鐵和導磁蓋產生較大電磁吸合力帶動銜鐵組件運動，既為解鎖。

2.2 解鎖檢測裝置設計

解鎖檢測裝置的傳感器器件選用HK643A軍用霍爾高溫小型開關型集成電路。該霍爾開關型集成電路是由電壓調整器、霍爾電壓發生器、差分放大器、施密特觸發器和集電極開路的輸出級組成的磁敏集成電路，其輸入為磁感應強度，輸出是一個數字電壓信號。

根據霍爾開關型集成電路磁電轉換特性，設計電磁銷解鎖檢測電路，在電源供電為5V時，電磁銷解鎖輸出信號為高電平（5V），電磁銷未解鎖輸出信號為低電平（0～0.4V）。

2.3 霍爾開關電路與磁鋼組件位置關系

圖1 磁鋼與霍爾電路軸切面示意圖

單極性霍爾開關電路規定為，當磁場南極（S極）磁場強度增加，即南極（S極）覆蓋霍爾電路外殼有標志面時，霍爾輸出為低電壓。當外加磁場減小甚至除去時，霍爾輸出為高電壓。根據霍爾磁特性，并結合直流電磁銷結構特點，工作磁體與霍爾器件間采用測移運動方式。銜鐵組件帶動磁鋼組件移動，使磁鋼組件覆蓋或脫離霍爾器件，如圖1所示。

本機構設計用霍爾輸出電壓的高低判斷電磁銷解鎖制鎖狀態。當電磁銷繞組未通電，磁鋼與霍爾相對位置見圖1(a)，磁鋼組件（2）產生的磁場覆蓋霍爾開關電路（1），垂直于霍爾開關集成電路外加的磁感應強度大于閾值，霍爾開關集成電路輸出低電壓；當電磁銷繞組通電吸合時，磁鋼與霍爾相對位置見圖1(b)，磁鋼組件（2）離開霍爾開關電路（1），其外加磁感應強度小于閾值，霍爾開關輸出為高電壓。

3 故障分析

3.1 直流電磁銷銷軸反饋中心位移檢查

對C14009#直流電磁銷銷軸位移霍爾工作點或釋放點的中心位移檢查。測量C14009#直流電磁銷銷軸位移為1.7mm，霍爾釋放點為1mm，霍爾工作點位1.45mm，工作點和釋放點的位置關系見圖2。

從圖2可知，直流電磁銷霍爾工作的中心點不在銷軸位移的中心位置，靠近伸出（落鎖）方向，電磁銷在落鎖狀態，霍爾工作點的裕度較小。

圖2 霍爾工作點和釋放點的位置關系

3.2 直流電磁銷分解檢查

將出現解鎖反饋異常的兩只直流電磁銷（編號為：C14009、C14044）進行分解。分解后測量霍爾離磁鋼組件表面垂直距離為3.0mm及2.5mm。對直流電磁銷分解下來的磁鋼組件及霍爾進行磁場強度和磁敏感度工作點檢查。

3.2.1 磁鋼組件磁場強度測試

首先對磁鋼組件表面磁場強度測試，對磁鋼組件環形空間均布取 a、b、c、d、e、f點共 6 個，測量磁鋼組件 6 點二維空間間距1mm、2mm、3mm的磁場強度，及空間點不變情況下，磁鋼組件向上位移1.5mm后，各點磁場強度值。測量C14009#和C14044#電磁銷其磁鋼組件在二維空間各點磁場強度值及在空間點不變情況下，磁鋼組件向上位移1.5mm后，各點磁場強度值。

在磁鋼組件不動條件下，霍爾敏感點的磁場強度為（16～17）mT 和 19～20）mT，磁鋼組件位移 1.5mm 之后，霍爾敏感點的磁場強度大約為（5～7）mT和（4～6）mT。

3.2.2 霍爾工作點和釋放點測試

在常溫條件下，C14009#直流電磁銷霍爾的工作點為（16.5～17.5）mT，釋放點為（14.5～15.5）mT。C14044# 直流電磁銷霍爾的工作點為（17.5～19.0）mT，釋放點為（15.5～16.5）mT。通過廠家給的參數進行估算，高低溫條件下霍爾工作點和釋放點變化在（1～2）mT。

3.3 故障定位

根據上述分析，MZ-1直流電磁銷在高溫條件下解鎖異常，是由于磁鋼組件覆蓋霍爾敏感點的磁場強度與霍爾的參數值處于極限，磁鋼組件未有效覆蓋霍爾的工作點。在高溫條件下，霍爾工作點和釋放點磁場強度還會增加1 mT。磁鋼組件相對于霍爾敏感點磁場強度裕量較小，根據霍爾工作原理，覆蓋磁場強度不夠或磁場接近極限時，反饋電壓的高低有可能出現隨機性，使反饋電壓異常[1]。

4 改進措施

4.1 霍爾改進

由于磁鋼組件覆蓋霍爾磁場強度較弱，將軍用霍爾高溫小型開關型集成電路HK643A換用軍用霍爾高溫小型開關型集成電路HK643。HK643工作點和釋放點磁場強度范圍（5～18）mT，范圍優于 HK643A（3～25）mT，有利于電磁銷解鎖和落鎖的檢測。

4.2 霍爾與磁鋼距離配合改進

電磁銷霍爾與磁鋼組件距離為（2.5～3）mm，從之前的測試數據可以看出，磁場強度未有效覆蓋霍爾的工作點和釋放點，存在電磁銷解鎖誤反饋檢測；采取措施將霍爾離磁鋼表面距離減小至1mm左右，霍爾工作點的磁場強度為（22～30）mT，霍爾釋放點的磁場強度小于3mT，滿足霍爾切換的使用要求。

4.3 調試過程改進

C14009#直流電磁銷測試霍爾切換中心點不在電磁銷銷軸位移的中心位置，對直流電磁銷落狀態檢測的裕量較小，可能產生誤檢測。制作調試工裝對霍爾切換中心點進行檢測與調試，在調試時先對電磁銷的吸合行程進行測量，然后用該工裝將電磁銷固定在其一半行程時，霍爾反饋應有低電平轉換為高電平，即保證霍爾切換點與電磁銷銷軸中心點重合。

4.4 試驗驗證

改進后的產品進行了“低溫→高溫→低溫”、“高溫→低溫→高溫”和常溫等共8次試驗測試，每次通斷電次數大于50次。每臺產品各種溫度環境測試總次數大于400次，在測試過程中，用數字多用表監測霍爾開關電路電壓輸出參數。產品霍爾電路信號反饋準確，未出現一次反饋異常的現象。

5 結論

經上述分析和試驗驗證，在出現問題的直流電磁銷磁鋼組件磁場強度覆蓋霍爾工作點和釋放點裕量較小，磁場強度接近極限，使霍爾開關反饋電壓出現隨機性。對此采取了措施：更換霍爾開關電路，減小霍爾開關電路工作點和釋放點的磁場強度范圍；減小磁鋼組件表面與霍爾開關電路間距，提高工作點磁場強度；對調試過程進行精準測量，保證霍爾切換點與電磁銷銷軸中心點重合，解鎖信號輸出異常可得以解決。