动车组速度信号耦合干扰问题的研究

赵晓春

(中国铁路济南局集团有限公司 青岛机车车辆监造项目部,山东 青岛 266111)

1 概述

动车组牵引系统速度信号在行车过程中是至关重要的信号,列车通过速度信号完成牵引、制动、空转滑行控制等关键功能。为保证列车的速度信号采集精确性以及避免其他杂散信号对速度信号干扰,通常对速度信号传输路径及所属系统进行良好地接地处理[1]。本文通过某型动车组牵引系统发生的一起屏蔽接地处理不良导致物理层速度采样受到干扰的故障进行测试及分析研究,提出一种对采样软件优化和系统良好接地的处理方案。

2 速度采集原理及介绍

2.1 速度传感器原理

图1 速度信号输出电路

图2 速度传感器产生的相位信号

以上相位关系表示从传感器盖方向看齿轮顺时针旋转时的波形,如图3所示。

图3 速度传感器检测齿轮工作原理

2.2 某型动车组速度采样及校验原理

某型动车组在全磨耗轮径条件下达到最高速度时,电机转速约为6 048 rpm,对应的电机速度脉冲频率约为10 kHz,该速度信号周期为100 μs,同理,电机速度脉冲频率范围为0～10 kHz,脉冲上升沿时间间隔范围为∞～100 μs。

当前变流器(CI)对速度信号的处理如下:

(1) 设置低通滤波器,可显著过滤1 MHz(对应1 μs的电机速度脉冲宽度)以上的速度信号扰动量。

(2) 对输入的速度信号电压进行比较采样。当输入的速度信号电压≥8 V,判断速度脉冲信号为高电平;当输入的速度信号电压<5.3 V,判断速度脉冲信号为低电平。

某型动车组牵引系统采用速度频率跳变和列车速度与轴速对比2种方法校验速度信号是否处于异常状态:一是变流器采样电机转速加速度并判断在两个相邻的窗口期,即750 μs内相邻2个电机速度脉冲频率变化超过144 Hz;二是列车速度大于7 km/h但此轴速度仍小于2 km/h,就认为速度信号采样处于异常状态[2-3]。

3 速度传感器干扰故障研究

某型动车组在静态条件下发生牵引电机速度信号故障导致的牵引测试失败,故障时列车牵引系统表现为测试失败,针对该问题对速度采集及处理进行如下分析研究。

3.1 硬件故障树排查分析

由于故障表现为速度传感器信号异常,通过建立变流器整机速度传感器信号异常的故障树(图4),分析潜在存在的屏蔽干扰原因。

图4 变流器整机速度传感器信号异常故障树

通过故障树可以逐个排查与速度信号相关的硬件物理参量,排查过程中同时改善变流器内部电缆屏蔽层与机箱的接地状态。良好的屏蔽层接地可有效泄放屏蔽层上的感应电压,减小感应电压聚集后导致速度信号传递路径受到影响[4]。

3.2 故障数据分析研究

分析变流器记录数据,发现故障02车在静态条件下发生牵引测试失败时,变流器采集到速度大于0.5 km/h,认为列车不是静止状态并且内部停止牵引测试,牵引力不再输出,从而导致牵引测试失败[5-6]。

采用示波器进一步分析牵引速度传感器故障报出时记录的数据,如图5所示,发现速度信号波形电压存在毛刺,在高电平时出现低于5.3 V持续约6.5 μs的电机速度干扰窄脉冲,导致正确的上升沿间隔时间T=2 358 μs被识别为更小的t=784 μs。其中,T对应的电机速度脉冲频率为424 Hz,t对应的电机速度脉冲频率为1 275 Hz,跳变值851 Hz超过了阈值(144 Hz),导致电机速度传感器故障报出。

图5 02车故障时刻示波器数据分析

对示波器采集的干扰窄脉冲进行统计和分析,最大发生有持续6.5 μs的干扰窄脉冲1次,持续1 μs及1 μs以上(1 μs以下的可被现有滤波器过滤)的窄脉冲干扰总计发生395次,见图6。

图6 速度信号干扰情况统计

为对比各车信号干扰特性差异,通过示波器监视各车进行牵引测试时的各轴速度脉冲信号的抖动情况,可见04车、07车速度信号较好,05车较差,02车最差,如图7所示。

图7 各车牵引测试时各轴速度脉冲信号波形

通过上述分析得知,该故障是多设备在整车接地条件下耦合产生的综合性故障,在故障的排查过程中,通过对变流器内部接地的优化整改,故障发生的概率逐渐减小,最终所有的接地处理优化措施实施后速度信号波形较之前有较大改善,毛刺等干扰信号大幅减少,因此判断该故障属于整车接地匹配耦合随机故障[7-8]。

针对此类接地耦合故障问题,除了对所影响系统进行良好的屏蔽层接地处理措施外,业内通常采用修改系统软件滤波方法滤除干扰信号,防止信号失真。

3.3 软件滤波整改方案

综合考虑正常牵引电机速度、现有硬件滤波,结合实际测试波形,优化速度信号滤波机制,对牵引变流器速度信号高频抖动滤波进行调整,优化方案为:将原1 MHz滤波优化为100 kHz滤波,以滤除10 μs以下的速度信号脉冲[9]。

具体方案为:升级牵引变流器软件,通过判断相邻2个大于10 μs的速度信号脉冲时间间隔进行转速计算(上升沿、下降沿同时考虑)。图8为滤波优化示意图。

图8 滤波优化示意图

4 结论

通过检查并处理速度信号线束屏蔽层接地、更换速度信号线束、修复牵引逆变输出电缆屏蔽层导电布胶带损伤等各项排查工作,静调和动调试验结果表明,速度传感器信号稳定,故障未再发生。通过以上处理过程可以看到,速度信号受到干扰是由多重因素叠加造成的,既有速度传递链路屏蔽层接地处理不良的问题,又缺少软件滤波层面对较大杂波脉冲的处理,是多重问题耦合作用注入的结果[10]。通过对速度信号线束屏蔽层及其接地进行良好处理可减小其他外界干扰的影响,通过对软件层面的滤波处理可以进一步从根本上解决外界干扰注入问题。