高速磁浮列車懸浮導向傳感器故障定位系統(tǒng)研究*

吉 文 袁建軍 佟來生 梁 瀟 黃海濤 戴志杰 朱莉莉

(1. 同濟大學磁浮交通工程技術(shù)研究中心， 201804, 上海; 2. 中車株洲電力機車有限公司, 412001, 株洲； 3. 湖南磁浮技術(shù)研究中心有限公司, 410014, 長沙； 4. 湖南磁浮交通發(fā)展股份有限公司， 410014， 長沙； 5. 上海致微醫(yī)療器械有限公司， 201907， 上海//第一作者，工程師)

高速磁浮列車懸浮導向傳感器是磁浮列車懸浮系統(tǒng)的重要組成部分，其利用電渦流效應，傳感器中的線圈產(chǎn)生激勵電磁場，通過渦流磁場的變化來測量間隙值;將采集到的懸浮導向間隙轉(zhuǎn)化為電信號傳輸至懸浮導向控制器內(nèi)，懸浮導向控制器根據(jù)間隙信號動態(tài)調(diào)整電磁鐵線圈中的電流，使磁浮列車穩(wěn)定懸浮導向。

每個懸浮導向傳感器產(chǎn)生2個相互獨立的間隙信號(通道A與B)、1個加速度信號、1個速度信號以及1個診斷信號。每個信號都通過各自的1個RS 485異步串行通信接口傳送給懸浮導向控制器。懸浮導向傳感器的信號傳輸如圖1所示。

圖1 懸浮導向傳感器信號傳輸示意圖

懸浮導向傳感器安裝在磁浮列車的底部。根據(jù)其在車輛上安裝位置的不同，共有4種不同類型的TSM(懸浮間隙測量單元)，分別是TSM1、TSM2、TSM3和TSM4。這4種類型的測量單元僅在激勵頻率上有所不同，其余特性完全一樣。

懸浮導向傳感器工作環(huán)境惡劣，需要經(jīng)常維護與檢測。目前，國內(nèi)磁浮示范運營線傳感器的故障檢測和維修委托給德國某公司，維修成本較高且維修周期很長。為此，針對高速磁浮列車懸浮導向傳感器的信號處理板和檢測線圈柔性電路板進行分析，提出一種離線的懸浮導向傳感器的故障定位系統(tǒng)，實現(xiàn)了傳感器故障的快速定位，大幅縮短了維修周期，節(jié)約了維修成本。

1 高速磁浮列車懸浮導向傳感器故障定位系統(tǒng)工作原理

高速磁浮列車懸浮導向傳感器故障定位系統(tǒng)采用離線測試方法，以上位機為中心，運用專用的信號激勵設(shè)備、信號采集和處理設(shè)備，輔以電源、顯示器及接口電路，完成對電路板故障的檢測和診斷。根據(jù)電路板的工作原理，利用專用信號發(fā)生設(shè)備產(chǎn)生被測電路板所需的輸入信號，經(jīng)過接口電路輸入到被測電路板，使其工作接近于實際工作狀況；被測電路板產(chǎn)生的輸出信號經(jīng)過接口電路，由專用信號采集設(shè)備通過RS 485串口通信傳輸?shù)缴衔粰C系統(tǒng)進行分析和處理。懸浮導向傳感器故障定位裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 懸浮導向傳感器故障定位裝置組成結(jié)構(gòu)

上位機系統(tǒng)通過電路板故障定位軟件將采集到的電路板輸出信號與給定的響應信號進行比較，判斷電路板是否符合其工作原理。如果比較結(jié)果一致，則表明被測電路板正常；如果不一致，可根據(jù)比較結(jié)果，結(jié)合故障字典來判定出現(xiàn)故障的電路。

2 高速磁浮列車懸浮導向傳感器故障定位系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 測試激勵與加載系統(tǒng)

傳感器故障定位裝置測試激勵與加載系統(tǒng)能夠控制懸浮導向傳感器激勵信號的產(chǎn)生與傳送，可以根據(jù)預設(shè)的測試流程控制激勵信號以驅(qū)動懸浮導向傳感器。 根據(jù)懸浮導向傳感器的技術(shù)特點，激勵信號分為兩種類型:

1) 通用信號。信號的頻率、幅值和加載時序能明確定義，如24 V電源、加速度信號、晶振信號等。

2) 專用信號。信號不能用明確的電信號予以定義，必須通過專用機構(gòu)才能施加,包括間隙信號和速度信號。

如圖3所示，將測試激勵與加載系統(tǒng)設(shè)計成一套以FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)芯片為核心的控制系統(tǒng);通過配置相關(guān)的驅(qū)動電路，F(xiàn)PGA軟件控制可編程信號發(fā)生器，產(chǎn)生頻率、幅值、時序等符合要求的通用激勵信號，也可驅(qū)動專用機構(gòu)實現(xiàn)傳感器間隙信號、速度信號的激勵與加載。

圖3 測試激勵與加載系統(tǒng)

通用信號激勵與加載模塊用于那些頻率、幅值、加載時序能事先明確定義的信號，如24 V電源、加速度信號、晶振信號等。模塊與可編程信號發(fā)生器連接，按測試時序加載各類通用信號。

專用信號激勵與加載模塊用于間隙信號、速度信號的加載。間隙信號和速度信號是電感量，且對應相同的間隙值和速度值。每個傳感器的電感變化量也各不相同，因此，無法用明確的電壓或電流來定義間隙和速度，必須用專用機構(gòu)施加間隙和速度激勵信號。設(shè)計的專用信號加載機構(gòu)如圖4所示。

圖4 懸浮導向傳感器專用信號加載機構(gòu)

該機構(gòu)由長定子、雙軸位移機構(gòu)和運動控制系統(tǒng)構(gòu)成，長定子提供間隙信號檢測基準面和速度信號齒槽面。雙軸位移機構(gòu)在X、Z兩個軸向伺服電機的控制下運動，改變間隙值和速度值，提供專用激勵信號。

2.2 測試數(shù)據(jù)接口及采集系統(tǒng)

懸浮導向傳感器測試數(shù)據(jù)接口及采集系統(tǒng)是一套數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(如圖5所示)，能采集模擬信號或數(shù)字信號，并按預設(shè)的協(xié)議進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

圖5 調(diào)試數(shù)據(jù)接口及采集系統(tǒng)

根據(jù)懸浮導向傳感器的技術(shù)特點，需采集的數(shù)據(jù)分為兩種類型:

1) 通用數(shù)據(jù):是指被測電路板或故障模擬板上，各個預設(shè)的測點所采集到的信號;這些信號既有模擬量，又有數(shù)字量，軟件既能識別模擬量，又能識別數(shù)字量。

2) 專用數(shù)據(jù):是指懸浮傳感器專用信號加載機構(gòu)反饋的基準間隙和速度值。這些數(shù)據(jù)一般通過光柵尺獲得。

將測試數(shù)據(jù)接口及采集系統(tǒng)設(shè)計成以FPGA芯片為核心的通信系統(tǒng)，通過配置相關(guān)的驅(qū)動電路，F(xiàn)PGA軟件通過通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到通用數(shù)據(jù)，也可通過專用信號加載機構(gòu)獲得基準間隙、速度等專用數(shù)據(jù)。模擬量和數(shù)字量通道數(shù)量將根據(jù)故障定位裝置的測點數(shù)和傳感器板卡I/O接口數(shù)量設(shè)計，滿足數(shù)據(jù)采集需要。

為了讓測試數(shù)據(jù)和激勵信號保持同步，在兩個系統(tǒng)之間建立時鐘同步關(guān)系，可以實現(xiàn)微秒級的時鐘同步。 測試數(shù)據(jù)接口及采集系統(tǒng)除進行通用數(shù)據(jù)和專用數(shù)據(jù)采集外，還要將這些數(shù)據(jù)進行封裝，并通過USB串口向上位機發(fā)送測試數(shù)據(jù)。

2.3 上位機軟件系統(tǒng)

懸浮導向傳感器故障定位裝置軟件系統(tǒng)是一套操作控制軟件，具備故障輔助定位、自動檢測、數(shù)據(jù)存儲及故障分析定位功能，能輔助完成懸浮導向傳感器板卡的故障定位以及測試功能。

懸浮導向傳感器故障定位裝置的軟件系統(tǒng)本質(zhì)上是一套工業(yè)測控軟件系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)、功能、性能均符合工業(yè)測控軟件要求。懸浮導向傳感器故障定位裝置軟件系統(tǒng)如圖6所示。

軟件系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫和.Net Framework為技術(shù)基礎(chǔ)，上層構(gòu)建以下4個業(yè)務模塊:

·檢測過程控制模塊；

·故障數(shù)據(jù)存儲模塊；

·故障判定控制模塊；

·故障數(shù)據(jù)分析模塊。

軟件系統(tǒng)與定位裝置下位機之間通過數(shù)據(jù)接口傳遞控制命令和測試數(shù)據(jù)反饋。

圖6 懸浮導向傳感器故障定位裝置的軟件系統(tǒng)

2.4 測試故障模擬

為檢驗故障定位裝置的故障診斷和定位效果，開發(fā)了故障模擬板。通過故障模擬板，可以人為設(shè)置故障類型，以檢驗故障定位裝置的效果。 故障模擬板能實現(xiàn)原板的基本功能，包括諧振電路、檢波電路、調(diào)理電路、通信電路。故障模擬板能根據(jù)測試安排進行故障模擬，對測點的電氣參數(shù)施加影響，使其偏離正常值而人為制造故障現(xiàn)象，以驗證裝置是否能正確檢出故障點。

試驗時，通過故障設(shè)置程序，將故障模擬板設(shè)置為某一路不輸出RS 485信號且模擬信號處理板上通信電路的某個電阻、電容、485通信芯片等損壞的情況。其他信號的給定都維持在正常值。 通過測試，故障定位裝置給出各電路的診斷結(jié)果如表1。

查看通信電路測點的標準值和實測值，如表2所示。

因為電源、時鐘、振蕩電路、檢波電路、信號調(diào)理電路輸出均正常，由此可以判斷FPGA的輸入信號是正確的，故障僅發(fā)生在FPGA輸出到RS 485通信電路這條支路上。

表1 故障模擬條件下各支電路輸出一覽表

表2 通信電路故障診斷結(jié)果報告

3 結(jié)語

本文依據(jù)上海磁浮工程示范線的實際運行情況，提出了一種離線的懸浮導向傳感器故障定位系統(tǒng)，實現(xiàn)了傳感器故障的快速定位，大幅縮短了維修周期，節(jié)約了維修成本。