广州地铁5号线直线电机列车牵引速度传感器故障分析与研究

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Failure Analysis of Traction Speed Sensor Mounted on Guang。

zhou M etro Line 5 VehiclesLiuGangAbstract 111e working principle of the traction speed sensorand its interface to train traction system are firstly described，the traction speed sensor faults on Guangzhou Metro Line 5 ve-hicles are analyzed.To ensure the safe operation，it is necessa·ry to maintain a good working condition and at the same time，accept different solutions according to the faults happened inthe operation of Guangzhou Metro Line 5 vehicles。

Key words metro；linear motion actuator；traction con-trol；speed sensorAuthors address Guangzhou Metro Co.。510000。Guang-zhou，China牵引速度传感器是广州地铁 5号线列车的重要组成部分，其稳定、可靠工作对于车辆的正常运行至关重要。列车牵引速度传感器故障，将导致车辆冲击，故障车无牵引力等情况发生。

但广州地铁 5号线 自2009年底开通运营以来，列车牵引速度传感器故障-直是牵引系统的主要故障。相对同为 L型车的广州地铁 4号线，5号线的故障率明显偏高。本文结合车辆运营情况，对牵引速度传感器故障进行简要分析。

1 直线电机列车及其牵引速度传感器原理1.1 直线电机列车牵引系统特点5号线列车采用直线电机牵引的传动方式，以硬线控制为主，网络控制为辅。列车通过直线电机与感应板问的相互作用力进行牵引。通常把整个驱动系统看作-个直径无限大的旋转电机，直线电机为其定子部分，感应板为其转子部分。正是由于直线电机的特殊性，5号线车辆无法像其它旋转电机列车-样采集电机转子的转动速度来作为列车实际速度，而是通过轮对的转动采集列车速度信号。也正因如此，速度传感器的工作环境较为恶劣 ，故障也频繁发生。

5号线列车牵引系统采用的是瑞士 Hasler公司生产的光速度传感器，每节车上配置-个牵引速度传感器，并安装在轮对轴端。牵引速度传感器采集列车的速度信号及方向信号，并通过硬线将信号传递给牵引系统。牵引系统根据速度信号，控制列车的牵引与制动。

1.2 牵引速度传感器组成及原理牵引速度传感器内部有 4个光敏元件，分别为A、B、C、D四相(见图 1)。其中A/B为-组，输出波形相位差为 90。；C/D为-组，输出波形相位差也为90。其工作原理为：发射二极管发出的连续光束被编码盘遮断，接收晶闸管探II!II脉冲光束，并产生-个与转速相应的频率，传递给牵引系统(见图2)。

1.3 牵引系统速度信号采集和判断牵引系统采集来自速度传感器A/B、C/D 4路的信号，通常使用到的是A/B 2路信号。牵引系统通过A路获取列车运行速度，通过 A与 B路相位差的正反关系判断列车运行方向。c/D为备份信号。当牵· 1 5S ·图 1 牵引速度传感器内部结构皿肌图2 牵引速度传感器工作原理引系统检测到 B相有故障时，便切换到 C/D相。

从控制原理及实际运用两方面分析，产生速度传感器故障的情况有以下三点：1)速度传感器输出信号不良，产生突变，造成列车正线冲击。

2)速度传感器故障(PGD)。根据车辆供货商提供资料，牵引系统对 PGD的检测条件为：若列车速度高于20 km/h时，速度传感器的4个光敏元件只要有 1个无输出，门控单元就会在 1 S之内检测出PGD；若列车速度低于 20 km/h时，则门控单元检测 PGD的时间需要 10 s。列车分不同的速度区间进行检测是很有必要的，因为列车在低速或高速时，速度传感器输出的频率是不同的：低速检测时问长，高速检测时间短，可以使得低速不误报，高速又能快速诊断。

3)检测到后进速度(BSD)。牵引系统通过接收速度传感器的速度信号进行判断和计算，当根据速度传感器的脉冲信号而判断出的列车运行方向与来此方向手柄的方向信号相反、且速度值大于 5km/h时，牵引系统就会报出BSD故障。

总之，无论是牵引速度传感器故障，还是后进速度故障，都会导致列车切除故障车牵引力，甚至产生冲击，严重影响列车的牵引性能，降低乘坐舒适度。

· 1 56 ·2 速度传感器故障实例分析及处理2.1 由速度传感器故障引起的正线冲击2010年 12月，5号线 029030车的 05A030和05B030两节车厢在正线出现冲击，对列车运营造成了较大影响。由于该故障属于首次发生，且随机性很强，无法在库内模拟复现，因此，选择利用 VVVF软件对列车的正线运营情况进行跟踪，并成功捕捉到了有效的故障数据。

通过故障数据分析，发现列车冲击时，05A030车的牵引速度传感器信号突然由 19 km/h急速下降至 0 km/h，然后迅速升至 27 km/h，整个用时仅2 S。这种情况在列车正常运行时是不可能发生的。

因此，可以判断冲击是由于牵引速度传感器输出速度信号突变导致。

根据 5号线列车牵引特性(见图 3)，列车在起动阶段，采用的是恒转矩控制，其滑差频率等于-个常量。

恒转矩 恒功 恒电压 恒电压 恒转矩控制 控制 控制 控制 控制E F A B C 速度 / --～ / 转矩-，-- - - IR：定子电流逆变器电压r / j＆～L 、、-图 3 列车控制逻辑对于直线电机车来说，定子频率对应于逆变器频率，转子频率对应于列车速度(即速度传感器测得的速度)。冲击时列车正在牵引，滑差频率为常量。而定子频率转子频率滑差频率”。当05A030车的牵引速度传感器输出的速度信号突然下降，导致牵引系统检测到对应的转子频率突然减小，使控制定子频率(逆变器频率)随之减校这就导致该节车此时定子频率小于转子频率，牵引转为制动。而列车在实际运行过程中，列车转子频率并未有如此突变。由此造成该车与其它与节车运动相悖，产生冲击。

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(上接第 156页)2.2 BSD故障及 PGD故障5号线列车曾多次发生 BSD和 PGD故障。

BSD及 PGD故障都可通过列车管理系统进行读取和确认。通常，该类故障都将导致牵引系统保护，切除牵引力，影响列车的牵引性能。

根据车辆运营情况分析，BSD多是由于速度传感器内部 A/B相或 C/D相的相位差不满足超前或滞后的条件造成的。列车振动较大将可能造成个别光敏元件松动，导致 A/B或 C/D的相对位置发生变化，两个光敏元件的相对位置由超前变成滞后，就将导致后进速度故障发生(见图4)。

f] 广]光敏元件A- L I光敏元件p -l ： ； t相位角-十90。 相位角-9O。

注：A相超前B相90。为前进方向；A相滞后B相为后进方向图 4 速度传感器方向判断根据实践经验，只要校正牵引速度传感器内部光敏元件的相对位置，使之在正确的超前位或滞后位便可。通常为了防止列车速度变化较大造成的波形异常，将光敏元件的相位角调整到 9。为宜。

若列车频繁报出速度传感器故障，基本可认定为牵引速度传感器内部光敏元件故障，为输出信号缺相造成。广州地铁 5号线列车牵引系统报 PGD故障时，测试的传感器波形多如图5所示。

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(收稿 日期：2013-(33-06)倚圈列轰话式 TIFF。r. 1 l 厂 -·--- L- 1 l L-] 移色 - - - OFFf 1 l I 1 ；王释LI I、 -ⅡI lLe u 文件列袁 哪 cI)焉 眦 4[01 眦t e3， nZ 1：1 埘 ：1 Cm 珀 ：1 I X 忏名∞ Iu ∞ Iu l 竺 !；：， h 2 r! 图5 BSD故障时光敏元件输出波形(其中A相无输出)根据牵引速度传感器测试的波形，再更换相应的光敏元件，并将光敏元件的相位差调整到正常范围，即可修复牵引速度传感器，消除隐患。

3 结语针对牵引速度传感器故障，本人认为-方面需要寻求必要的减震措施，保证速度传感器较好的工作环境；另-方面根据故障现象，采用不同的解决方案，才能及时、有效地排除故障，保证列车牵引系统稳定运行。