高速磁浮列車懸浮導向傳感器故障定位系統研究*

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. 湖南磁浮技術研究中心有限公司, 410014, 長沙； 4. 湖南磁浮交通發展股份有限公司， 410014， 長沙； 5. 上海致微醫療器械有限公司， 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的重要組成部分，其利用電渦流效應，傳感器中的線圈產生激勵電磁場，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化為電信號傳輸至懸浮導向控制器內，懸浮導向控制器根據間隙信號動態調整電磁鐵線圈中的電流，使磁浮列車穩定懸浮導向。

每個懸浮導向傳感器產生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境惡劣，需要經常維護與檢測。目前，國內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，實現了傳感器故障的快速定位，大幅縮短了維修周期，節約了維修成本。

1 高速磁浮列車懸浮導向傳感器故障定位系統工作原理

高速磁浮列車懸浮導向傳感器故障定位系統采用離線測試方法，以上位機為中心，運用專用的信號激勵設備、信號采集和處理設備，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。根據電路板的工作原理，利用專用信號發生設備產生被測電路板所需的輸入信號，經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；被測電路板產生的輸出信號經過接口電路，由專用信號采集設備通過RS 485串口通信傳輸到上位機系統進行分析和處理。懸浮導向傳感器故障定位裝置結構如圖2所示。

圖2 懸浮導向傳感器故障定位裝置組成結構

上位機系統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。如果比較結果一致，則表明被測電路板正常；如果不一致，可根據比較結果，結合故障字典來判定出現故障的電路。

2 高速磁浮列車懸浮導向傳感器故障定位系統的設計

2.1 測試激勵與加載系統

傳感器故障定位裝置測試激勵與加載系統能夠控制懸浮導向傳感器激勵信號的產生與傳送，可以根據預設的測試流程控制激勵信號以驅動懸浮導向傳感器。 根據懸浮導向傳感器的技術特點，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設計成一套以FPGA(現場可編程門陣列)芯片為核心的控制系統;通過配置相關的驅動電路，FPGA軟件控制可編程信號發生器，產生頻率、幅值、時序等符合要求的通用激勵信號，也可驅動專用機構實現傳感器間隙信號、速度信號的激勵與加載。

圖3 測試激勵與加載系統

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，必須用專用機構施加間隙和速度激勵信號。設計的專用信號加載機構如圖4所示。

圖4 懸浮導向傳感器專用信號加載機構

該機構由長定子、雙軸位移機構和運動控制系統構成，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 測試數據接口及采集系統

懸浮導向傳感器測試數據接口及采集系統是一套數據通信系統(如圖5所示)，能采集模擬信號或數字信號，并按預設的協議進行數據轉換。

圖5 調試數據接口及采集系統

根據懸浮導向傳感器的技術特點，需采集的數據分為兩種類型:

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

2) 專用數據:是指懸浮傳感器專用信號加載機構反饋的基準間隙和速度值。這些數據一般通過光柵尺獲得。

將測試數據接口及采集系統設計成以FPGA芯片為核心的通信系統，通過配置相關的驅動電路，FPGA軟件通過通用數據采集系統得到通用數據，也可通過專用信號加載機構獲得基準間隙、速度等專用數據。模擬量和數字量通道數量將根據故障定位裝置的測點數和傳感器板卡I/O接口數量設計，滿足數據采集需要。

為了讓測試數據和激勵信號保持同步，在兩個系統之間建立時鐘同步關系，可以實現微秒級的時鐘同步。 測試數據接口及采集系統除進行通用數據和專用數據采集外，還要將這些數據進行封裝，并通過USB串口向上位機發送測試數據。

2.3 上位機軟件系統

懸浮導向傳感器故障定位裝置軟件系統是一套操作控制軟件，具備故障輔助定位、自動檢測、數據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本質上是一套工業測控軟件系統，其結構、功能、性能均符合工業測控軟件要求。懸浮導向傳感器故障定位裝置軟件系統如圖6所示。

軟件系統以數據庫和.Net Framework為技術基礎，上層構建以下4個業務模塊:

·檢測過程控制模塊；

·故障數據存儲模塊；

·故障判定控制模塊；

·故障數據分析模塊。

軟件系統與定位裝置下位機之間通過數據接口傳遞控制命令和測試數據反饋。

圖6 懸浮導向傳感器故障定位裝置的軟件系統

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，開發了故障模擬板。通過故障模擬板，可以人為設置故障類型，以檢驗故障定位裝置的效果。 故障模擬板能實現原板的基本功能，包括諧振電路、檢波電路、調理電路、通信電路。故障模擬板能根據測試安排進行故障模擬，對測點的電氣參數施加影響，使其偏離正常值而人為制造故障現象，以驗證裝置是否能正確檢出故障點。

試驗時，通過故障設置程序，將故障模擬板設置為某一路不輸出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果報告

3 結語

本文依據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，實現了傳感器故障的快速定位，大幅縮短了維修周期，節約了維修成本。