1、,速度傳感器的檢測與故障診斷,組員： 20097929 楊 濤 20097926 張富秋 20097932 李 杰,引言,引言,牽引電機(jī)速度傳感器檢測原理,2.1 原理 2.2 測速裝置,典型故障判斷方法,3.1 速度傳感器的常見故障 3.2 故障查找思路 3.3 用TCN 網(wǎng)絡(luò)管理軟件檢測電機(jī)速度的方法 3.5 速度傳感器連接總成檢查方法 3.6 速度信號異常故障現(xiàn)象查找方法 ,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)車速度傳感器故障診斷,4.1 徑向基函數(shù)（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 4.2 機(jī)車速度傳感器故障診斷方法 4.3 仿真實(shí)驗(yàn),總結(jié),引言,HXD1C 型機(jī)車主要用于鐵路牽引重載列車， 具有功率大、恒功率速度范圍寬

2、、黏著性能好、功率因數(shù)高、能源消耗低等特點(diǎn)，可滿足我國干線鐵路運(yùn)輸?shù)男枰?。近期機(jī)車運(yùn)行過程中，IDU 顯示“TCU 相上管故障”、“元件總故障”、“牽引電機(jī)隔離”等故障現(xiàn)象。機(jī)車回段后， 檢查發(fā)現(xiàn)牽引電機(jī)速度傳感器無效， 導(dǎo)致牽引封鎖。自2010 年7 月至今，據(jù)統(tǒng)計(jì)已經(jīng)造成機(jī)破5 件，臨修9 件。針對HXD1C 型機(jī)車在段運(yùn)用因電機(jī)速度傳感器無效故障統(tǒng)計(jì)情況。從檢修角度方面，本文重點(diǎn)對電機(jī)速度傳感器檢測原理進(jìn)行概述， 并提出典型故障判斷方法，為檢修人員準(zhǔn)確、快速處理故障提供幫助。,2.1 檢測原理,司機(jī)給出牽引/制動指令送數(shù)字量輸入輸出模塊DXM，DXM 將電氣信號轉(zhuǎn)換成控制信號，經(jīng)由車載網(wǎng)

3、絡(luò)控制系統(tǒng)送往牽引控制單元TCU 完成各種控制功能；TCU 發(fā)出指令到門極驅(qū)動板讓逆變器觸發(fā)，最后使?fàn)恳姍C(jī)工作。電機(jī)工作后，電機(jī)速度傳感器信號送往TCU,TCU 送出指令經(jīng)門極驅(qū)動板送到逆變器，最后構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時TCU 將信號經(jīng)車載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)， 送至筆記本電腦用于檢測各位電機(jī)的實(shí)際速度。若TCU 檢測到牽引電機(jī)速度傳感器故障，無速度測量設(shè)備，牽引電機(jī)不能夠繼續(xù)運(yùn)行，TCU 鎖定相應(yīng)的逆變模塊。,檢測系統(tǒng)原理框圖,2.2 測速方法,為了檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 在非傳動端安裝了測速裝置。測速裝置由測速齒盤和產(chǎn)生信號的速度傳感器組成。測速齒盤、速度傳感器與輸出波形的關(guān)系 。測速齒盤采用球墨

4、鑄鐵，設(shè)118 個鋸型。傳感器為雙通道信號相位差90， 控制系統(tǒng)通過兩路信號的相位差識別電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)向，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，傳感器發(fā)出118 個脈沖信號。轉(zhuǎn)速信號用于控制系統(tǒng)對電機(jī)進(jìn)行控制。電機(jī)速度傳感器與被測齒輪不接觸，無磨損，安裝方便，且測速范圍寬，溫度適應(yīng)范圍寬，抗震性強(qiáng)。,2.2 測速方法,3.1速度傳感器常見故障,一、光電耦合器件損壞 二、停車起速度 三。占空比超標(biāo) 四、傳動軸折斷 五、兩通道間的相位差超標(biāo) 六、丟脈沖,3.2 故障查找思路,首先下載數(shù)據(jù)分析， 確認(rèn)具體速傳無效或異常的軸位。再分別對電機(jī)速度傳感器硬件和軟件進(jìn)行檢查，硬件包括連接導(dǎo)線總成、速度傳感器、測速齒輪盤和牽引電機(jī)；

5、 軟件包括TCU1/2 速度采集模塊，（TM1 和TM6、TM2 和TM5、TM3 和TM4）三組輸入信號接口采用冗余模式與速度模塊連接。具體方法：硬件部分用排除法對每個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排除； 軟件部分采用互換法確定模塊的好壞， 即通過對調(diào)模塊接口插頭來確定故障是否轉(zhuǎn)移。例如HXD1C0036 機(jī)車第三號電機(jī)速度故障或無效， 將TCU1 速度模塊接口第2 位和第3 位電機(jī)速度輸入信號插頭對調(diào)后，故障現(xiàn)象沒轉(zhuǎn)移；初步排除軟件部分，再用排除法發(fā)現(xiàn)牽引電機(jī)不工作導(dǎo)致。,3.3 用TCN網(wǎng)絡(luò)管理軟件檢測電機(jī)速度的方法,首先用筆記本電腦連接USB 診斷插座， 而筆記本右下角本地連接， 表明筆記本通過以太網(wǎng)交換管

6、理消息進(jìn)行通信成功；然后打開TCN 網(wǎng)絡(luò)管理軟件，彈出對話框如圖 所示，當(dāng)點(diǎn)擊VCM1/VCM2 后，在變量查找欄里面尋找到序號（69）和端口（TCU1_MCC 狀態(tài)），點(diǎn)擊就彈出子目錄。動車后，方能檢測到1、2、3 軸電機(jī)的實(shí)際速度。同理序號（72）和端口（TCU2_MCC 狀態(tài)）能檢測到4、5、6 電機(jī)的實(shí)際速度。通過這軟件測試后方能檢查故障處理情況。,3.4 速度傳感器連接總成檢查方法,如圖所示，速度傳感器連接總成由機(jī)車連接器、電機(jī)速度傳感器連接器和多芯屏蔽連接導(dǎo)線組成。重點(diǎn)檢查插針與導(dǎo)線是否有虛接、導(dǎo)線屏蔽檢查、連接器內(nèi)部是否有毛刺等問題。例如,HXD1C0036 機(jī)車第三位傳感器連接

7、總成檢查方法： 首先檢查連接器是否縮針或者歪針、內(nèi)部是否有毛刺現(xiàn)象；其次檢查連接總成外觀屏蔽是否良好；最后校線，通常使用萬用表電阻檔校驗(yàn)A、B、C、D 四點(diǎn)與屏蔽E 點(diǎn)不通；A 點(diǎn)與17 點(diǎn)通、B點(diǎn)與18 點(diǎn)通、C 點(diǎn)與15 點(diǎn)通、D 點(diǎn)與16 點(diǎn)通；A、B、C、D 四點(diǎn)不互通。當(dāng)與主逆變器連接后，測量電機(jī)速度傳感器連接器A 與B 點(diǎn)電壓為DC 15 V。,3.4 速度傳感器連接總成檢查方法,3.5 速度信號異常故障現(xiàn)象查找方法,機(jī)車運(yùn)行中，有速度信號，但速度顯示異常。就硬件部分而言， 常出現(xiàn)故障位置為測速齒輪盤。打開N端端蓋，檢查測速齒輪盤注意兩點(diǎn)：1）測速輪盤厚度是否均勻，厚薄不均的速度齒

8、盤輸出波形出現(xiàn)異常；2）測速齒輪盤是否有缺陷。加工時候某個齒存在缺陷，裝上電機(jī)非傳動端測速時，部分切割磁力線，導(dǎo)致輸出波形不規(guī)則。如HXD1C0071 機(jī)車報(bào)速度信號異常，針對性檢查第三位測速齒輪盤，發(fā)現(xiàn)一個齒沒有加工完整。,3.6 利用標(biāo)記線判斷電機(jī)工作的方法,下載數(shù)據(jù)分析，確定故障位置。打開故障位電機(jī)N端端蓋，用紅色標(biāo)記筆在測速齒輪盤上做標(biāo)記，然后向前、向后動車，最后查看標(biāo)識位置情況來判斷電機(jī)和驅(qū)動裝置工作狀態(tài)。例如，HXD1C0036 機(jī)車在運(yùn)行過程中， 突然出現(xiàn)故障， 故障現(xiàn)象顯示為“TCU1M3A 相上管故障、TCU1M3 元件總故障、第3 電機(jī)隔離”。機(jī)車回段后，檢查TCU1 速度

9、采集模塊和第 三位電機(jī)速度傳感器正常； 第三位電機(jī)至TCU1 速度信號線路進(jìn)行校核也正常。打開第三位電機(jī)N 端端蓋，用紅色筆做好標(biāo)記。手柄給上級位動車后，該位電機(jī)電流達(dá)到500 A， 查看測速齒輪盤紅色標(biāo)識位置未變，初步判斷電機(jī)沒工作,再打開第三位齒輪箱上注油孔對大小齒輪進(jìn)行觀察時發(fā)現(xiàn)電機(jī)小齒輪和輪對大齒輪端面有10 mm 左右距離，小齒輪沒有脫落。最后更換牽引電機(jī)和驅(qū)動單元后機(jī)車正常運(yùn)行。,4.1 徑向基函數(shù)（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),目前基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳感器故障診斷方法應(yīng)用比較多的是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。它是一種多層前饋型網(wǎng)絡(luò)，用一個全局函數(shù)來逼近函數(shù)，權(quán)值的調(diào)整采用梯度下降法，可以實(shí)現(xiàn)從輸入到輸出的

10、任意非線性映射，但它最大的缺陷在于收斂速度慢，易陷入局部極小點(diǎn)。從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的函數(shù)逼近能力而言，RBF網(wǎng)絡(luò)是一種典型的局部逼近神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，更容易逼近函數(shù)的局部，同時，訓(xùn)練RBF網(wǎng)絡(luò)要比訓(xùn)練BP網(wǎng)絡(luò)所花費(fèi)的時間少得多，更適合在線診斷，所以本文選擇RBF網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳感器在線故障診斷。 徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，為3 層前饋網(wǎng)絡(luò)，即輸入層、輸出層和隱含層。輸入層節(jié)點(diǎn)由信號源結(jié)點(diǎn)組成，作用是將輸入數(shù)據(jù)傳遞到隱含層節(jié)點(diǎn)，隱含層節(jié)點(diǎn)稱為RBF節(jié)點(diǎn)，由以高斯型傳遞函數(shù)(radbas)為代表的輻射狀函數(shù)神經(jīng)元構(gòu)成，神經(jīng)元個數(shù)由所描述問題的需要決定，輸出層節(jié)點(diǎn)的傳遞函數(shù)常為簡單的線性函數(shù)。其中，P為R維輸入向

11、量，W1為S1R1維輸入權(quán)值矩陣，W2為S2S1維輸入權(quán)值矩陣，b1、b2為閾值。,4.1 徑向基函數(shù)（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),4.2 機(jī)車速度傳感器故障診斷方法,機(jī)車速度傳感器利用光電轉(zhuǎn)換原理將機(jī)車輪軸轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電脈沖信號輸出，即機(jī)車主軸轉(zhuǎn)動一周, 傳感器就會產(chǎn)生出n個（n為碼盤齒數(shù)）電脈沖輸出信號。對于架控方式的機(jī)車，一個基本控制單元中一般至少有2個速度傳感器，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙速度傳感器故障診斷原理如圖所示。,4.2 機(jī)車速度傳感器故障診斷方法,分別對2個速度傳感器建立RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器。假設(shè)剛開始2個速度傳感器都正常工作，將傳感器1前k+2個時刻的輸出數(shù)據(jù)x1(1)x1(k+2)和傳感器

12、2前k+2個時刻的輸出數(shù)據(jù)x2(1)x2(k+2)通過采樣獲得并保存，分別作為2個傳感器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器的初始學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)，2個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器經(jīng)過在線訓(xùn)練以后開始工作。因2個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器工作原理相同，下面以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器1為例說明其工作原理，預(yù)測器結(jié)構(gòu)如圖所示。,4.2 機(jī)車速度傳感器故障診斷方法,取速度傳感器1的前k個輸出數(shù)據(jù)x1(1)x1(k)作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器1 的輸入，x1(k+1)作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器1輸出，組成第一組訓(xùn)練樣本，x1(2)x1(k+1)作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器1的輸入，x1(k+2)作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器1輸出，組成第二組訓(xùn)練樣本，即訓(xùn)練樣本表示為：,4.

13、2 機(jī)車速度傳感器故障診斷方法,以X為輸入、Y為輸出在線訓(xùn)練RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器1，按梯度下降法調(diào)整權(quán)值矩陣，當(dāng)達(dá)到一定精度后，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器開始工作，此時，將x1(3)x1(k+2)作為新的輸入，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器1將預(yù)測傳感器在下一時刻即k+3時刻的輸出 ，將預(yù)測值 與這一時刻實(shí)際采樣值x1(k+3)相減，得到誤差e1。若e1小于給定某一閾值e*，則認(rèn)為此時傳感器1工作正常，并將當(dāng)前采樣值加入到學(xué)習(xí)樣本中， 覆蓋掉先前的第一組樣本，,4.2 機(jī)車速度傳感器故障診斷方法,若e1大于給定某一閾值e*，則認(rèn)為此時傳感器1工作不正常，依次類推，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器一邊不斷在線學(xué)習(xí)新的樣本，

14、一邊對傳感器下一時刻輸出值進(jìn)行預(yù)測。圖2中診斷決策模塊對2個RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器的輸出預(yù)測值以及2個速度傳感器的輸出實(shí)際值進(jìn)行綜合診斷決策： 若e1、e2都小于給定某一閾值e*，則輸出取2個速度傳感器的輸出實(shí)際值的平均值。 若e1大于給定閾值e*，則認(rèn)為此時刻傳感器1工作不正常，但有可能這種不正常是由于環(huán)境噪聲引起的傳感器輸出瞬時突變，而不是傳感器本身故障。為避免誤判，此時繼續(xù)預(yù)測該時刻下一個時間段t內(nèi)的輸出值，并將t時間段的預(yù)測值和傳感器實(shí)際輸出值比較得到平均誤差，若小于e*，則認(rèn)為傳感器1本身沒有故障，繼續(xù)按策略輸出；反之，則認(rèn)為傳感器1故障，此時將傳感器2的輸出值作為最終輸出。 若e2大于給定閾值e*，同策略，分析下一時間段的平均誤差；若認(rèn)為傳感器2本身沒有故障，繼續(xù)按策略輸出；反之，則認(rèn)為傳感器2故障，此時將傳感器1的輸出值作為最終輸出。,4.3 仿真實(shí)驗(yàn),4.3 仿真實(shí)驗(yàn),4.3 仿真實(shí)驗(yàn),圖5（a）模擬傳感器輸出脈沖缺失故障，在采樣點(diǎn)1000的時刻，脈沖缺失，然后恢復(fù)正常，圖5(b)為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測器輸出預(yù)測值與傳感器輸出實(shí)際值的差。可以看出，傳感器正常工作時，預(yù)測值和