速傳感器的檢測(cè)與故障診斷

1、會(huì)計(jì)學(xué)1速傳感器的檢測(cè)與故障診斷速傳感器的檢測(cè)與故障診斷2.1 原理 2.2 測(cè)速裝置3.1 速度傳感器的常見(jiàn)故障 3.2 故障查找思路 3.3 用TCN 網(wǎng)絡(luò)管理軟件檢測(cè)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(hào)異常故障現(xiàn)象查找方法 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(chē)速度傳感器故障診斷方法 4.3 仿真實(shí)驗(yàn) HXD1C 型機(jī)車(chē)主要用于鐵路牽引重載列車(chē)， 具有功率大、恒功率速度范圍寬、黏著性能好、功率因數(shù)高、能源消耗低等特點(diǎn)，可滿(mǎn)足我國(guó)干線鐵路運(yùn)輸?shù)男枰?。近期機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)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

2、現(xiàn)象。機(jī)車(chē)回段后， 檢查發(fā)現(xiàn)牽引電機(jī)速度傳感器無(wú)效， 導(dǎo)致?tīng)恳怄i。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(duì)HXD1C 型機(jī)車(chē)在段運(yùn)用因電機(jī)速度傳感器無(wú)效故障統(tǒng)計(jì)情況。從檢修角度方面，本文重點(diǎn)對(duì)電機(jī)速度傳感器檢測(cè)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。 司機(jī)給出牽引/制動(dòng)指令送數(shù)字量輸入輸出模塊DXM，DXM 將電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，經(jīng)由車(chē)載網(wǎng)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(mén)極驅(qū)動(dòng)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(hào)送往TCU,TCU 送出指令經(jīng)門(mén)極驅(qū)動(dòng)板送

3、到逆變器，最后構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時(shí)TCU 將信號(hào)經(jīng)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)， 送至筆記本電腦用于檢測(cè)各位電機(jī)的實(shí)際速度。若TCU 檢測(cè)到牽引電機(jī)速度傳感器故障，無(wú)速度測(cè)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。牽引牽引電機(jī)電機(jī)逆變器逆變器四象限整流四象限整流門(mén)極驅(qū)動(dòng)板門(mén)極驅(qū)動(dòng)板車(chē)載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)電機(jī)速度傳感器電機(jī)速度傳感器DXM司機(jī)指令司機(jī)指令重聯(lián)機(jī)車(chē)重聯(lián)機(jī)車(chē)筆記本電腦筆記本電腦變壓器變壓器 為了檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 在非傳動(dòng)端安裝了測(cè)速裝置。測(cè)速裝置由測(cè)速齒盤(pán)和產(chǎn)生信號(hào)的速度傳感器組成。測(cè)速齒盤(pán)、速度傳感器與輸出波形的關(guān)系 。測(cè)速齒盤(pán)采用球墨鑄鐵，設(shè)118 個(gè)鋸型。

4、傳感器為雙通道信號(hào)相位差90， 控制系統(tǒng)通過(guò)兩路信號(hào)的相位差識(shí)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(gè)脈沖信號(hào)。轉(zhuǎn)速信號(hào)用于控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。電機(jī)速度傳感器與被測(cè)齒輪不接觸，無(wú)磨損，安裝方便，且測(cè)速范圍寬，溫度適應(yīng)范圍寬，抗震性強(qiáng)。一、光電耦合器件損壞二、停車(chē)起速度三。占空比超標(biāo)四、傳動(dòng)軸折斷五、兩通道間的相位差超標(biāo)六、丟脈沖 首先下載數(shù)據(jù)分析， 確認(rèn)具體速傳無(wú)效或異常的軸位。再分別對(duì)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(cè)速齒輪盤(pán)和牽引電機(jī)； 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

5、信號(hào)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(duì)每個(gè)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(guò)對(duì)調(diào)模塊接口插頭來(lái)確定故障是否轉(zhuǎn)移。例如HXD1C0036 機(jī)車(chē)第三號(hào)電機(jī)速度故障或無(wú)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(hào)插頭對(duì)調(diào)后，故障現(xiàn)象沒(méi)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。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(guò)以太網(wǎng)交換管理消息進(jìn)行通信成功；然后打開(kāi)TCN 網(wǎng)絡(luò)管理軟件，彈出對(duì)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(hào)（69）和端口（TCU1

6、_MCC 狀態(tài)），點(diǎn)擊就彈出子目錄。動(dòng)車(chē)后，方能檢測(cè)到1、2、3 軸電機(jī)的實(shí)際速度。同理序號(hào)（72）和端口（TCU2_MCC 狀態(tài)）能檢測(cè)到4、5、6 電機(jī)的實(shí)際速度。通過(guò)這軟件測(cè)試后方能檢查故障處理情況。 如圖所示，速度傳感器連接總成由機(jī)車(chē)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(wèn)題。例如,HXD1C0036 機(jī)車(chē)第三位傳感器連接總成檢查方法： 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(wàn)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

7、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(cè)量電機(jī)速度傳感器連接器A 與B 點(diǎn)電壓為DC 15 V。 機(jī)車(chē)運(yùn)行中，有速度信號(hào)，但速度顯示異常。就硬件部分而言， 常出現(xiàn)故障位置為測(cè)速齒輪盤(pán)。打開(kāi)N端端蓋，檢查測(cè)速齒輪盤(pán)注意兩點(diǎn)：1）測(cè)速輪盤(pán)厚度是否均勻，厚薄不均的速度齒盤(pán)輸出波形出現(xiàn)異常；2）測(cè)速齒輪盤(pán)是否有缺陷。加工時(shí)候某個(gè)齒存在缺陷，裝上電機(jī)非傳動(dòng)端測(cè)速時(shí)，部分切割磁力線，導(dǎo)致輸出波形不規(guī)則。如HXD1C0071 機(jī)車(chē)報(bào)速度信號(hào)異常，針對(duì)性檢查第三位測(cè)速齒輪盤(pán)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)齒沒(méi)有加工完整。下載數(shù)據(jù)分析，確定故障位置。打開(kāi)故障位

8、電機(jī)N端端蓋，用紅色標(biāo)記筆在測(cè)速齒輪盤(pán)上做標(biāo)記，然后向前、向后動(dòng)車(chē)，最后查看標(biāo)識(shí)位置情況來(lái)判斷電機(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置工作狀態(tài)。例如，HXD1C0036 機(jī)車(chē)在運(yùn)行過(guò)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(chē)回段后，檢查T(mén)CU1 速度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(hào)線路進(jìn)行校核也正常。打開(kāi)第三位電機(jī)N 端端蓋，用紅色筆做好標(biāo)記。手柄給上級(jí)位動(dòng)車(chē)后，該位電機(jī)電流達(dá)到500 A， 查看測(cè)速齒輪盤(pán)紅色標(biāo)識(shí)位置未變，初步判斷電機(jī)沒(méi)工作,再打開(kāi)第三位齒輪箱上注油孔對(duì)大小齒輪進(jìn)行觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)小齒輪和輪對(duì)大

9、齒輪端面有10 mm 左右距離，小齒輪沒(méi)有脫落。最后更換牽引電機(jī)和驅(qū)動(dòng)單元后機(jī)車(chē)正常運(yùn)行。 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(gè)全局函數(shù)來(lái)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(shí)，訓(xùn)練RBF網(wǎng)絡(luò)要比訓(xùn)練BP網(wǎng)絡(luò)所花費(fèi)的時(shí)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

10、隱含層。輸入層節(jié)點(diǎn)由信號(hào)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(chēng)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(gè)數(shù)由所描述問(wèn)題的需要決定，輸出層節(jié)點(diǎn)的傳遞函數(shù)常為簡(jiǎn)單的線性函數(shù)。其中，P為R維輸入向量，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。PW1b1W2b2YR x 1S1 x R1radbasS2 x R1徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)機(jī)車(chē)速度傳感器利用光電轉(zhuǎn)換原理將機(jī)車(chē)輪軸轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)輸出，即機(jī)車(chē)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周, 傳感器就會(huì)產(chǎn)生出n個(gè)（n為碼盤(pán)齒數(shù)）電脈沖輸出信號(hào)。對(duì)于架控方

11、式的機(jī)車(chē)，一個(gè)基本控制單元中一般至少有2個(gè)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。采樣診斷決策速度傳感器1速度傳感器2RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)器1RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)器1X1(1)X1(k)X2(1)X2(k)X1(k+1)X2(k+1)輸出分別對(duì)2個(gè)速度傳感器建立RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)器。假設(shè)剛開(kāi)始2個(gè)速度傳感器都正常工作，將傳感器1前k+2個(gè)時(shí)刻的輸出數(shù)據(jù)x1(1)x1(k+2)和傳感器2前k+2個(gè)時(shí)刻的輸出數(shù)據(jù)x2(1)x2(k+2)通過(guò)采樣獲得并保存，分別作為2個(gè)傳感器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)器的初始學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)，2個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)器經(jīng)過(guò)在線訓(xùn)練以后開(kāi)始工作。因2個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)器工作原理相同

12、，下面以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)器1為例說(shuō)明其工作原理，預(yù)測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖所示。X(1)X(2)X(k)X(k+1) 取速度傳感器1的前k個(gè)輸出數(shù)據(jù)x1(1)x1(k)作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)器1 的輸入，x1(k+1)作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)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(cè)器1的輸入，x1(k+2)作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)器1輸出，組成第二組訓(xùn)練樣本，即訓(xùn)練樣本表示為：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(cè)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(cè)器開(kāi)始工作，此時(shí)，將x1(3)x1(k+2)作為新的輸入，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)器1將預(yù)測(cè)傳感

13、器在下一時(shí)刻即k+3時(shí)刻的輸出 ，將預(yù)測(cè)值 與這一時(shí)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(shí)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， 若e1大于給定某一閾值e*，則認(rèn)為此時(shí)傳感器1工作不正常，依次類(lèi)推，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)器一邊不斷在線學(xué)習(xí)新的樣本，一邊對(duì)傳感器下一時(shí)刻輸出值進(jìn)行預(yù)測(cè)。圖2中診斷決策模塊對(duì)2個(gè)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)器的輸出預(yù)測(cè)值以及2個(gè)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(gè)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(shí)刻傳感器1工作

14、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(shí)突變，而不是傳感器本身故障。為避免誤判，此時(shí)繼續(xù)預(yù)測(cè)該時(shí)刻下一個(gè)時(shí)間段t內(nèi)的輸出值，并將t時(shí)間段的預(yù)測(cè)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(méi)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(shí)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(shí)間段的平均誤差；若認(rèn)為傳感器2本身沒(méi)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(shí)將傳感器1的輸出值作為最終輸出。 圖5（a）模擬傳感器輸出脈沖缺失故障，在采樣點(diǎn)1000的時(shí)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)

15、測(cè)器輸出預(yù)測(cè)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(shí)，預(yù)測(cè)值和實(shí)際值之差為0，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，實(shí)際值與預(yù)測(cè)值不符，從而發(fā)現(xiàn)故障。圖6模擬傳感器輸出脈沖在采樣點(diǎn)1 000的時(shí)刻突然增加幾個(gè)窄脈沖。圖7模擬傳感器輸出脈沖在采樣點(diǎn)1000的時(shí)刻被白噪聲干擾。仿真結(jié)果表明本文提出的方法能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行速度傳感器在線故障診斷，為下一步?jīng)Q策提供依據(jù)。 熟悉電機(jī)速度傳感器檢測(cè)和測(cè)速裝置的工作原理，是準(zhǔn)確查找到故障部位的關(guān)鍵。結(jié)合典型故障處理方法，能有效快速處理機(jī)車(chē)故障，保證機(jī)車(chē)正常上線運(yùn)用。 如圖所示，速度傳感器連接總成由機(jī)車(chē)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

16、有虛接、導(dǎo)線屏蔽檢查、連接器內(nèi)部是否有毛刺等問(wèn)題。例如,HXD1C0036 機(jī)車(chē)第三位傳感器連接總成檢查方法： 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(wàn)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(cè)量電機(jī)速度傳感器連接器A 與B 點(diǎn)電壓為DC 15 V。 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(gè)全局函數(shù)來(lái)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(shí)，訓(xùn)練RBF網(wǎng)絡(luò)要比訓(xùn)練BP網(wǎng)絡(luò)所花費(fèi)的時(shí)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(hào)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(chēng)為RBF節(jié)點(diǎn)，由以高斯