張思寧, 李 申, 王雪濤
(中國北方車輛研究所,北京 100072)
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軍用車輛電氣系統(tǒng)典型故障診斷方法的研究
張思寧,李申,王雪濤
(中國北方車輛研究所,北京100072)
通過對電氣系統(tǒng)常見的傳感器類故障、電機(jī)類感性繞組的故障、輸配電線路故障和數(shù)字控制部件故障的分析,提出了相應(yīng)的基于恒流源的故障診斷方法、基于脈沖序列的故障診斷方法、基于狀態(tài)信息(電壓/電流等)的故障診斷方法和基于BIT的故障診斷方法.針對上述方法,采用Matlab軟件進(jìn)行了仿真,結(jié)果表明:提出的4種故障診斷方法能夠?qū)ο鄳?yīng)的典型故障進(jìn)行合理有效的診斷,為應(yīng)用新技術(shù)推進(jìn)電氣系統(tǒng)故障診斷技術(shù)研究提供了一種實(shí)現(xiàn)方法.
電氣系統(tǒng);傳感器;電機(jī);輸配電線路;數(shù)字控制部件;故障診斷
隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,大量先進(jìn)的電氣設(shè)備裝備在車輛上,電氣系統(tǒng)承擔(dān)的任務(wù)越來越多.電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障如果不能及時檢測并排除,故障就有可能進(jìn)一步擴(kuò)大,致使上層系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化,造成功能失效,影響整車任務(wù)的執(zhí)行,乃至危機(jī)車輛安全.
傳統(tǒng)的故障診斷方法和技術(shù)手段已凸顯落后、診斷能力有限和時效性差的缺點(diǎn).根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計,新型軍用車輛電子電氣設(shè)備的故障數(shù)量約占全車故障總數(shù)的30%,而用于故障測試和診斷的時間與維修總時間的百分比高達(dá)35%至50%.由此可見,準(zhǔn)確、可靠、快速地對故障進(jìn)行檢測、隔離和排除,提高電氣系統(tǒng)的故障診斷能力,減少車輛的故障維修時間,已成為保證車輛作戰(zhàn)效能的重要因素.
為了進(jìn)行電氣系統(tǒng)的故障分析, 對多臺樣本的故障開展了收集工作,并進(jìn)行了詳細(xì)的統(tǒng)計分類.根據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果可知,發(fā)生頻率和次數(shù)較多的故障主要集中在3個方面,分別是:線路的斷路或短路故障、電機(jī)類耗電裝置故障和數(shù)字控制部件故障.下面將從這3個方面對其故障的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析,并針對不同種類的故障,提出相應(yīng)的故障診斷解決辦法.
1.1線路的斷路或短路故障
在電氣系統(tǒng)的故障統(tǒng)計中,線路故障占有相當(dāng)大的比重,可分為供電線路故障和信號線路故障,主要表現(xiàn)形式為線路的斷路和短路.其中供電線路故障是由耗電裝置不能工作和配電保護(hù)開關(guān)動作等故障造成的;信號線路故障包括傳感器信號線路故障和各種控制裝置的信號檢測回路故障,該類故障將會導(dǎo)致儀表和電氣子系統(tǒng)狀態(tài)指示等裝置不能工作或不能正常工作,如水溫表固定指示中間位置,滅火瓶狀態(tài)指示燈指示不正確.
在車輛配電系統(tǒng)設(shè)計中,可采用電子功率開關(guān)代替系統(tǒng)中大量使用的熱保護(hù)開關(guān).電子功率開關(guān)除能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)的開關(guān)控制及過流保護(hù)功能外,還具有能實(shí)時監(jiān)測控制線路電壓、電流等參數(shù)的功能.因此,可通過判斷電子開關(guān)狀態(tài)及線路電流、電壓等信息準(zhǔn)確診斷并定位供電線路故障.對于傳感器信號線路故障和各種控制裝置的信號檢測回路故障,可采用恒流小電流檢測方法進(jìn)行故障診斷.
1.2耗電裝置故障
電氣系統(tǒng)中耗電裝置主要為感性負(fù)載(各種功能的執(zhí)行電機(jī)),如乘員風(fēng)扇和雨刷電機(jī)、機(jī)油潤滑泵及加溫鍋電機(jī),等等.這些感性負(fù)載中存在較多直流并勵電機(jī),故障形式主要有負(fù)載回路的短路、斷路和回路參數(shù)畸變.
該類故障雖然出現(xiàn)頻率相對較低,但是對整個車輛電氣系統(tǒng)的影響很大,而且具有故障產(chǎn)生速度快,征兆信息較難捕捉等特點(diǎn).電機(jī)的故障診斷方法有很多種:基于參考模型的殘差診斷法,基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)觀測器故障診斷法和FFT頻譜分析方法等多種方法.針對電氣系統(tǒng)耗電裝置感性負(fù)載的故障特點(diǎn),可采用基于脈沖序列的故障診斷方法.
1.3數(shù)字控制部件故障
數(shù)字控制部件的故障主要是指電氣系統(tǒng)中各種控制盒內(nèi)部電路的故障,故障外部的表現(xiàn)方式為控制系統(tǒng)不能工作或輸出控制信號錯誤,如轉(zhuǎn)向燈控制盒內(nèi)部電路故障導(dǎo)致轉(zhuǎn)向燈工作不正常,防護(hù)系統(tǒng)中各控制盒輸出控制信號錯誤.
控制系統(tǒng)故障診斷對象主要是控制盒內(nèi)部數(shù)字電路的故障.目前在航空和軍用裝備領(lǐng)域,應(yīng)用較多的方法主要包括余度BIT和回繞BIT設(shè)計方法.余度BIT的方法是指系統(tǒng)通過傳感器和信號通道電路的冗余設(shè)計實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障自診斷,由于車輛的內(nèi)部空間有限以及較高的研發(fā)成本,使該方法在車輛的設(shè)計應(yīng)用中受到限制.回繞BIT的方法是通過系統(tǒng)閉環(huán)硬件電路設(shè)計,由CPU實(shí)現(xiàn)診斷對象模塊的測試輸入和響應(yīng)輸出之間的比較分析,完成系統(tǒng)硬件模塊或分系統(tǒng)的功能測試及故障診斷,是以微處理器為基礎(chǔ)的一種標(biāo)準(zhǔn)BIT設(shè)計方法 .
通過對電氣系統(tǒng)常見故障的分析,確定電氣系統(tǒng)的典型故障為:電爆管和傳感器等小電阻類故障、電機(jī)類感性繞組的故障、輸配電線路故障和數(shù)字控制部件故障.下面針對典型故障提出了相應(yīng)的診斷方法.
2.1基于恒流源的故障診斷方法
基于恒流源小電流的回路故障診斷檢測方法,適用于電氣系統(tǒng)中小電阻阻性負(fù)載、電爆管和傳感器等阻性器件,可用于實(shí)現(xiàn)對待測器件及回路的短路、斷路和漏電流故障的有效診斷,故障檢測的原理圖如圖1所示.
圖1 基于恒流源小電流回路檢測原理圖
具體實(shí)現(xiàn)方案為:在不使待測器件進(jìn)入工作狀態(tài)或損害器件的前提下,經(jīng)檢測使能信號控制,恒流源所產(chǎn)生的恒定小電流If經(jīng)檢測電阻Ra、待測器件、檢測電阻Rb和車體地形成檢測回路.通過采樣并判斷采樣電阻Ra和Rb的兩端電壓Ua、Ub,得到待測器件故障狀態(tài)的診斷結(jié)果.
基于小電流的回路故障檢測方法具體診斷步驟為:
1)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻Ra和Rb,使Ra=Rb;
2)輸出檢測使能信號,系統(tǒng)進(jìn)入故障檢測狀態(tài);
3)對Ra、Rb兩端電壓Ua和Ub進(jìn)行采樣;
4)判斷診斷對象的故障狀態(tài)為下列哪一種狀態(tài):
(1)正常狀態(tài).流經(jīng)Ra和Rb的電流Ia=Ib=If,則Ua=Ub=RaIf.
(2)斷路狀態(tài).流經(jīng)Ra和Rb的電流Ia=Ib=0,則Ua=Ub=0.
(3)短路狀態(tài).流經(jīng)Ra和Rb的電流Ia=If,Ib=0,則Ua=RaIf,Ub=0.
(4)漏電狀態(tài).流經(jīng)Ra和Rb的電流Ia=If≠Ib≠0,則Ua=RaIf≠Ub≠0.
2.2基于脈沖序列的故障診斷方法
基于脈沖序列的故障診斷方法適用于對發(fā)電機(jī)勵磁回路、繼電器線包及電機(jī)等感性負(fù)載的短路、斷路及回路參數(shù)畸變等故障的檢測及定位.下面以電氣系統(tǒng)中存在較多的直流并勵電機(jī)為研究對象,進(jìn)行基于脈沖序列故障診斷方法的分析.
如圖2所示,在脈沖檢測信號控制下,向待測電機(jī)的電樞和勵磁回路通入脈沖電壓信號,電阻RT用于限制檢測回路電流,使待測電機(jī)不進(jìn)入工作狀態(tài).通過改變脈沖信號的頻率ω,并測量RT兩端電壓UT,可實(shí)現(xiàn)電機(jī)勵磁及電樞回路故障狀態(tài)的有效診斷.
圖2 電機(jī)類負(fù)載內(nèi)部回路狀態(tài)檢測圖
其故障診斷原理為:
設(shè)加在待測繞組兩端的脈沖檢測電壓信號頻率為ω,其基波分量可表示為:
UT=Acosωt.
(1)
式中: A為基波交流信號的幅值.
如圖2所示,電樞回路的電阻Ra≈0,計算中可忽略不計;電樞繞組的電感為La;Rf和Lf分別為勵磁繞組回路的電阻和電感值.檢測信號為ω時,電樞及勵磁回路的電抗可表示為:
(2)
1)正常狀態(tài).
當(dāng)待測電機(jī)狀態(tài)正常時,通入檢測信號UT=Acosωt,則限流電阻RT兩端電壓為:
(3)
式中的參數(shù)A、RT均為已知量.UT的幅值A(chǔ)T可表示為.
則
(4)
設(shè)
(5)
則式(4)可變?yōu)椋?/p>
(6)
2)故障狀態(tài)1.
當(dāng)電樞或勵磁回路發(fā)生短路故障,繞組合成電抗Z=0,此時限流電阻RT兩端電壓
UT=Us=Acosωt.
(7)
3)故障狀態(tài)2.
當(dāng)電樞回路發(fā)生斷路故障,繞組合成電抗Z=Zf=Ra+Lfωj.此時,限流電阻RT兩端電壓
(8)
4)故障狀態(tài)3.
當(dāng)勵磁回路發(fā)生斷路故障,繞組合成電抗Z=Za=Laωj.此時,限流電阻RT兩端電壓
(9)
5)故障狀態(tài)4.
電機(jī)回路的參數(shù)故障是指電機(jī)內(nèi)部勵磁及電樞繞組的La、Lf和Rf等參數(shù)偏離正常范圍,出現(xiàn)較大偏移.
電機(jī)回路參數(shù)故障的診斷通過故障種類排除法實(shí)現(xiàn),診斷步驟為:首先判斷電機(jī)回路狀態(tài)是否正常;如果處于故障狀態(tài),結(jié)合式(7)、式(8)、式(9),判斷是否屬于前3種故障種類.在排除屬于前3種故障種類條件下,電機(jī)回路處于參數(shù)故障狀態(tài).故障的具體定位需采用正常狀態(tài)部分所介紹參數(shù)測試及計算方法進(jìn)行判定.
2.3基于狀態(tài)信息(電壓/電流等)的故障診斷
輸配電線路的斷路、短路或接觸不良故障是輸配電系統(tǒng)的主要故障之一.針對該類故障,提出基于開關(guān)狀態(tài)、支路電流、電壓信息的故障診斷方法.該診斷方法原理及實(shí)現(xiàn)如下:
1)短路故障的判斷.
當(dāng)某支路輸配電線路出現(xiàn)短路故障時,接通電路開關(guān)瞬間會發(fā)生過流現(xiàn)象,采集該過流信息并進(jìn)行斷路故障閥值判斷,可實(shí)現(xiàn)短路故障的診斷.
2)斷路和接觸不良故障的判斷.
當(dāng)某支路輸配電線路存在斷路或接觸不良故障時,接通電路開關(guān),負(fù)載工作電流為零(斷路)或明顯小于額定值(接觸不良).結(jié)合開關(guān)狀態(tài),判斷當(dāng)前負(fù)載電流特征,實(shí)現(xiàn)該類故障判定.
2.4基于BIT的故障診斷方法
在電氣系統(tǒng)控制部件中,開關(guān)量輸入及輸出硬件電路應(yīng)用最為廣泛,所以針對該類電路進(jìn)行分析,提出診斷方法.
2.4.1開關(guān)量輸入電路的BIT診斷
開關(guān)量輸入處理硬件模塊BIT設(shè)計通常采用附加激勵產(chǎn)生電路,通過判斷檢測激勵信號下輸入模塊響應(yīng),來檢測當(dāng)前電路狀態(tài).圖3為火警信號檢測電路的BIT設(shè)計.
圖3 開關(guān)量輸入檢測電路診斷電路圖
BIT診斷電路工作原理為:由控制器發(fā)送測試信號,經(jīng)過三極管、光耦等器件,給定火警檢測電路 “虛擬”火警激勵信號,檢測火警檢測電路的輸出,即可實(shí)現(xiàn)電路當(dāng)前故障狀態(tài)的判斷.
2.4.2開關(guān)量輸出驅(qū)動電路的BIT診斷
開關(guān)量輸出驅(qū)動電路的BIT設(shè)計通常采用硬件回繞方法,通過CPU產(chǎn)生驅(qū)動電路的激勵系統(tǒng),再檢測電路測試響應(yīng),比較激勵和響應(yīng)之間關(guān)系便可得出故障結(jié)果.圖4為PWM驅(qū)動單元核心器件的BIT測試電路.
圖4 開關(guān)量輸出驅(qū)動電路Mosfet測試電路圖
基本工作原理為:CPU上電執(zhí)行初始化任務(wù)后,由PWM信號輸出端口輸出低電平信號,經(jīng)驅(qū)動電路使Mosfet導(dǎo)通.如Mosfet狀態(tài)正常,其導(dǎo)通壓降很小,流過檢測回路中光耦器件原邊電流很小,光耦器件不能導(dǎo)通,輸出高電平檢測信號;如Mosfet發(fā)生斷路故障,勵磁電壓直接加在光耦器件原邊,光耦器件導(dǎo)通,輸出低電平檢測信號.DSP通過判斷檢測信號電平狀態(tài)即可實(shí)現(xiàn)器件斷路故障診斷.短路故障診斷與上述過程相似(PWM信號輸出端口輸出高電平信號).
3.1基于恒流源的故障診斷仿真
某傳感器故障檢測仿真電路如圖5所示.
圖5 某傳感器故障檢測仿真電路
設(shè)定測試電流Id分別為20 mA、40 mA 、60 mA 、80 mA 、100 mA,設(shè)定Ra=Rb=50 Ω,采用變Id條件下測量多組Ua、Ub的方式,仿真結(jié)果如下:
正常狀態(tài):流經(jīng)Ra和Rb的電流Ia=Ib=If,改變測試電流,仿真結(jié)果Ua=Ub=RaIf.
斷路狀態(tài):流經(jīng)Ra和Rb的電流Ia=Ib=0,改變測試電流,仿真結(jié)果Ua=Ub=0.
短路狀態(tài):流經(jīng)Ra和Rb的電流Ia=If,Ib=0,改變測試電流,仿真結(jié)果Ua=RaIt,Ub=0.
漏電狀態(tài):流經(jīng)Ra和Rb的電流Ia=If≠Ib≠0,改變測試電流,仿真結(jié)果Ua=RaIt≠Ub≠0.
仿真結(jié)果表明,通過判斷采樣電阻Ra和Rb的兩端電壓Ua、Ub,就能夠正確判斷出診斷對象的故障狀態(tài).
3.2基于脈沖序列的故障診斷仿真
電機(jī)類負(fù)載線路故障檢測仿真電路如圖6所示.
圖6 電機(jī)類負(fù)載線路故障檢測電路仿真
設(shè)定加在待測繞組兩端的脈沖檢測電壓信號頻率ω分別為20 kHz、30 kHz,其基波分量可表示為:UT=Acosωt,A為基波交流信號的幅值,設(shè)定A=100 V,電樞繞組的電感La=1.5 mF,勵磁繞組回路的電阻和電感值分別為Rf=10 Ω、Lf=1 mF,限流電阻RT=50 Ω.在兩組不同的角頻率下進(jìn)行故障診斷.設(shè)置電樞或勵磁回路短路、電樞回路斷路、勵磁回路斷路等不同的故障狀態(tài), RT兩端電壓UT均與2.2節(jié)診斷方法中的式(7)、式(8)、式(9)的結(jié)果一致,能夠判斷出電機(jī)勵磁及電樞回路不同的故障狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)類負(fù)載線路故障的有效診斷.
3.3基于BIT的故障診斷仿真
3.3.1開關(guān)量輸入電路的BIT診斷
開關(guān)量輸入故障檢測仿真電路如圖7所示.
圖7 開關(guān)信號故障檢測仿真電路
仿真中給定電源電壓為直流+28 V,利用大電阻Rtest對Mosfet兩端電壓進(jìn)行測試.當(dāng)Mosfet正常工作時,Mosfet導(dǎo)通,Mosfet兩端壓降為0;當(dāng)Mosfet故障出現(xiàn)斷路的情況,其兩端壓降為28 V.仿真結(jié)果表明,通過Mosfet兩端電壓可以判斷其故障狀態(tài),實(shí)現(xiàn)開關(guān)量輸入電路的故障診斷.
3.3.2開關(guān)量輸出驅(qū)動電路的BIT診斷
開關(guān)量輸出驅(qū)動故障檢測仿真電路如圖8所示.
圖8 開關(guān)量驅(qū)動電路故障檢測仿真電路
利用大電阻Rtest檢測引爆管兩側(cè)的電壓跳變情況.當(dāng)Mosfet正常工作時,引爆管兩側(cè)電壓會發(fā)生由低到高的跳變;當(dāng)Mosfet發(fā)生故障時,引爆管兩側(cè)電壓不會發(fā)生變化,一直為低.仿真結(jié)果表明,通過Mosfet兩端電壓可以判斷其故障狀態(tài),實(shí)現(xiàn)開關(guān)量輸出驅(qū)動電路的故障診斷.
在電氣系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計的基礎(chǔ)上,找出發(fā)生次數(shù)和頻率較高的4類常見典型故障.針對典型故障提出了基于恒流源的故障診斷方法、基于脈沖序列的故障診斷方法、基于狀態(tài)信息(電壓/電流等)的故障診斷方法和基于BIT的故障診斷方法,并進(jìn)行了仿真.結(jié)果表明,提出的4種故障診斷方法能夠?qū)ο鄳?yīng)的典型故障進(jìn)行合理有效的診斷,為應(yīng)用新技術(shù)推進(jìn)電氣系統(tǒng)故障診斷技術(shù)研究提供了一種實(shí)現(xiàn)方法.
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Research on Diagnosis Method of the Military VehicleElectricity System Typical Fault
ZHANG Si-ning,LI Shen,WANG Xue-tao
(China North Vehicle Research Institute,Beijing 100072,China)
Through the analysis of the common electrical system faults imcluding sensor fault, motor perceptual winding fault, power transmission and distribution line fault and digital control unit, a series of fault diagnosis methods was proposed based on the constant current, the pulse sequence, the state information and the BIT in this paper. To evaluate these methods,the Matlab software is employed to simualte the diagnose, the results show that the proposed four kinds of fault diagnosis methods are able to produce reasonable and effective to the corresponding typical fault diagnosis, wahic demonstrates a novel applicable method for the application in fault diagnosis of the electrical system.
electricity system;sensor;motor;transmission and distribution line fault;the numeral controls parts;fault diagnosis
1009-4687(2016)03-0037-07
2015-12-09;修回稿日期:2016-06-30.
張思寧(1979-),女,副研究員,研究方向?yàn)殡姎饪傮w技術(shù).
TJ81+0.36;TP391.77
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