谷海濤，王 飛，劉亦然

（1.航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心，北京 100854；2.天津市瑞斯甘科技發(fā)展有限公司，天津 300134）

0 引言

恒定加速度試驗(yàn)機(jī)在結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)上具有安全、可靠和高效率，最大加速度可到100 000 g，采用微處理器控制，并勵(lì)直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，循環(huán)時(shí)間＜3 min。試驗(yàn)機(jī)使用超過10 年，其半導(dǎo)體器件進(jìn)入損耗期，故障逐步顯現(xiàn)，但由于試驗(yàn)機(jī)主體功能和性能穩(wěn)定，故障集中在控制部分。對(duì)試驗(yàn)機(jī)的4 起故障進(jìn)行分析，通過故障現(xiàn)象和診斷，精準(zhǔn)定位，以元器件級(jí)維修代價(jià)修復(fù)控制系統(tǒng)，恢復(fù)試驗(yàn)機(jī)的正常運(yùn)行，重新煥發(fā)試驗(yàn)機(jī)的效能。

1 A/D-D/A 控制板故障處理

試驗(yàn)機(jī)A/D-D/A 控制卡安裝在主機(jī)右側(cè)標(biāo)準(zhǔn)總線電子電路柜中，通過Prolog 70C00 STD bus 總線與78C06 多功能卡中的Z80 處理器進(jìn)行通信?？刂瓶ㄔ谏想娮詸z通過后，連續(xù)采集并實(shí)時(shí)檢測設(shè)備在多種工作模式（設(shè)備初始化，電機(jī)加速、保持、再生模式，設(shè)備復(fù)位模式）下測試運(yùn)行前及運(yùn)行中的設(shè)備模擬量輸入狀態(tài)信號(hào)及模擬量輸出控制信號(hào)。其包含多路模擬量輸入信號(hào)：電機(jī)溫度與主旋轉(zhuǎn)軸承溫度（熱電偶信號(hào)），離心腔室內(nèi)真空度信號(hào)，主軸旋轉(zhuǎn)軸向偏擺度信號(hào)及電子電路工作用的基準(zhǔn)電壓和電源電壓分別為50 mV、5 V、9.5 V、±15 V。該卡具有0～10 V 數(shù)字轉(zhuǎn)模擬輸出，此信號(hào)用于電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，控制電壓0～10 V 對(duì)應(yīng)主軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速0～20 000 r/min。此電壓信號(hào)經(jīng)過電機(jī)控制信號(hào)隔離電路板調(diào)理后輸出給電機(jī)控制器。

1.1 故障現(xiàn)象

設(shè)備LCD 人機(jī)界面提示OVERSPEED 報(bào)警，F(xiàn)AILURE 燈亮，并自動(dòng)控制電機(jī)減速終止試驗(yàn)。

1.2 故障判斷

（1）檢查供電電源及儀器低壓電源輸出電壓，檢查結(jié)果正常。

（2）檢查儀器皮帶傳動(dòng)自動(dòng)張緊裝置，檢查結(jié)果正常。

（3）檢查儀器內(nèi)部保護(hù)互鎖電路，檢查結(jié)果正常。

（4）進(jìn)入儀器設(shè)置模式，檢查設(shè)備運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，檢查結(jié)果正常。

（5）進(jìn)入儀器診斷維護(hù)模式，進(jìn)行模擬低速運(yùn)行測試，使用數(shù)字多用表測量電機(jī)控制器的控制信號(hào)輸入端，實(shí)測電壓-12.7 V，超出正常值范圍（0～10 V）。

（6）測量電機(jī)控制信號(hào)隔離電路板前端的輸入信號(hào)，實(shí)測結(jié)果約為-12.9 V、超出正常值范圍，初步判斷儀器AD/DA 控制卡有問題。

1.3 故障處理

（1）經(jīng)過對(duì)AD/DA 控制卡電路進(jìn)行分析和檢查，測量該控制卡上模擬電壓輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片（DAC811JP）的10 V 基準(zhǔn)電壓輸出引腳與輸出電壓，測量結(jié)果超出正常值范圍，判斷此芯片損壞。

（2）使用該控制卡上另一只同型號(hào)芯片進(jìn)行替換，并測量引腳電壓，測量結(jié)果正常。

（3）更換該數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，并通過對(duì)隔離運(yùn)放卡增益、偏移電位計(jì)進(jìn)行調(diào)整，試驗(yàn)機(jī)恢復(fù)正常。

2 電機(jī)控制器故障處理

試驗(yàn)機(jī)的電機(jī)控制器安裝在主機(jī)的背板左下角，該控制器利用可控硅搭建H 橋單相全波整流驅(qū)動(dòng)一臺(tái)有刷直流電機(jī)。該控制器最大額定功率5 HP（3.675 kW），輸入電壓為AC 230 V，工作電流36 A，最大電樞電壓180 V，電樞電流23 A；勵(lì)磁電壓200 V，勵(lì)磁電流1 A?？刂破鬏斎胄盘?hào)：（-15～0～15）V 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制基準(zhǔn)信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)使能信號(hào)。輸出信號(hào)：±15 V 基準(zhǔn)電壓信號(hào)?？刂破骶哂锌刂品绞胶唵?，啟動(dòng)電流大，電機(jī)加速快的特點(diǎn)。

2.1 故障現(xiàn)象

試驗(yàn)機(jī)在進(jìn)入減速階段，瞬間熔斷電機(jī)控制器保險(xiǎn)管，設(shè)備停機(jī)。

2.2 故障判斷

（1）檢查供電電源及儀器穩(wěn)壓電源輸出電壓，檢查結(jié)果正常。

（2）在電機(jī)在加速與保持階段運(yùn)行正常，排除電機(jī)本身問題，重點(diǎn)排查電機(jī)控制信號(hào)與電機(jī)控制器。

（3）檢查電機(jī)控制信號(hào)隔離電路板輸出的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)，在不同轉(zhuǎn)速設(shè)置下，加速、保持、減速階段電壓輸出均正常。

（4）檢查電機(jī)使能控制信號(hào)，檢查結(jié)果正常。

（5）檢查電機(jī)控制器主回路接觸器，中間控制繼電器，檢查結(jié)果正常。

（6）交換可控硅驅(qū)動(dòng)塊進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果故障依舊，判斷可控硅工作正常。

（7）采用排除法，判斷控制器整流控制板有問題，由于沒有備用板卡可以替換，決定對(duì)該電路板進(jìn)行維修。

2.3 故障處理

（1）在控制器電源電路加裝D 型40 A 2P 斷路器，采用串聯(lián)方式安裝，起到短路保護(hù)作用的同時(shí)有效減少維修過程中保險(xiǎn)管的損耗。

（2）清潔/更換主回路接觸器及電路控制繼電器觸點(diǎn)。

（3）采用阻性負(fù)載功率電阻作為假負(fù)載，將工作電流降低到安全范圍內(nèi)。

（4）利用整流控制板輸出的±15 V 參考電壓結(jié)合電位計(jì)調(diào)壓，模擬電機(jī)控制過程進(jìn)行檢查，最終確定減速過程起限流作用的三極管2N3569 燒壞。

（5）更換該三極管后，試驗(yàn)機(jī)恢復(fù)正常。

3 電機(jī)控制器故障處理

3.1 故障現(xiàn)象

試驗(yàn)機(jī)在運(yùn)行測試過程中，隨機(jī)出現(xiàn)電機(jī)控制器保險(xiǎn)管熔斷現(xiàn)象。

3.2 故障判斷與處理

（1）不同于穩(wěn)定出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，此故障具有一定隨機(jī)性，造成電機(jī)過流的原因較多，采用排除法減小故障出現(xiàn)的范圍。

（2）檢查電樞、勵(lì)磁線圈絕緣阻值正常，檢查電機(jī)電樞、電感、勵(lì)磁電氣回路的連結(jié)并緊固。

（3）清潔、保養(yǎng)電樞結(jié)構(gòu)換向器與碳刷。

（4）清潔電機(jī)回路主接觸器及控制繼電器觸點(diǎn)，更換電機(jī)使能信號(hào)固態(tài)繼電器。

（5）使用帶記錄功能的數(shù)字多用表與示波器監(jiān)控電源電壓波動(dòng)情況，檢查結(jié)果正常。

（6）監(jiān)控儀器運(yùn)行期間電機(jī)使能信號(hào)、轉(zhuǎn)速電壓信號(hào)、轉(zhuǎn)速反饋電壓信號(hào)，檢查結(jié)果正常。

（7）在排除以上干擾因素后，將故障點(diǎn)范圍縮小到電機(jī)整流控制板。

（8）接入假負(fù)載，并調(diào)制控制、反饋電壓信號(hào)，使控制電路運(yùn)行在穩(wěn)定狀態(tài)，采用敲擊法進(jìn)行檢查，在測試中發(fā)現(xiàn)調(diào)整±15 V“零點(diǎn)點(diǎn)位”平衡的P5 BAL 電位計(jì)（圖1）在敲擊時(shí)出現(xiàn)松動(dòng)，導(dǎo)致運(yùn)放電位有輕微波動(dòng)，使用熱熔膠固定處理。

圖1 電機(jī)控制電路板

（9）使用大功率電爐絲做假負(fù)載提高工作電流，并調(diào)整控制信號(hào)，使控制器運(yùn)行在不同的工況，分別對(duì)電流采樣電路、控制信號(hào)運(yùn)放電路、反向運(yùn)放電路、鎖相環(huán)電路進(jìn)行監(jiān)控（圖2），最終監(jiān)控到電流采樣運(yùn)算放大芯片LM741CN 輸出信號(hào)在放大區(qū)域內(nèi)非線性，在特定條件下有突變信號(hào)，判斷LM741CN 損壞。

圖2 電流采樣放大器輸出信號(hào)

（10）更換LM741CN 芯片后，連續(xù)試驗(yàn)100 次未再出現(xiàn)故障，試驗(yàn)機(jī)恢復(fù)正常。

4 電機(jī)控制信號(hào)隔離電路板故障處理

4.1 故障現(xiàn)象

試驗(yàn)機(jī)在進(jìn)入離心測試流程過程中，離心主軸旋轉(zhuǎn)加速運(yùn)行并快速超出設(shè)定值，直至觸發(fā)超速報(bào)警后進(jìn)入緊機(jī)停車狀態(tài)。

4.2 故障判斷與處理

（1）分別設(shè)置不同轉(zhuǎn)速測試，每次測試故障現(xiàn)象一致。且測量電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中轉(zhuǎn)速控制電壓信號(hào)均為12.7 V，主軸轉(zhuǎn)速反饋電壓與實(shí)際轉(zhuǎn)速呈線性變化，初步推斷此12.7 V 轉(zhuǎn)速控制信號(hào)異常。

（2）經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，在AD/DA 輸出板與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間有電機(jī)控制信號(hào)隔離電路板（圖3）。經(jīng)過實(shí)際測量、查詢芯片資料分析后得知此板基本功能：隔離板分別將轉(zhuǎn)速控制電壓信號(hào)和實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行1∶1 隔離后輸出給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。隔離運(yùn)放U1、U2（ISO100AP）輸入端電源±15 V 來源于試驗(yàn)機(jī)低壓電源，輸出端電源±15 V 來源于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出。兩個(gè)電源零位存在約100 V 壓差；AD/DA 板輸出模擬量主軸驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)接入隔離運(yùn)放U1 一次輸入端，進(jìn)行1∶1 隔離放大后二次輸出信號(hào)接入常開繼電器K1 的NO 點(diǎn)。K1 得電動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)輸出至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)；K1 失電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)接至零電位（電機(jī)控制器零電位），電機(jī)轉(zhuǎn)入剎車/再生階段；主軸轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)經(jīng)由隔直電容C3 后接入FVC（Frequency to Voltage Converter）芯片U3 輸出電壓信號(hào)，此信號(hào)分別經(jīng)過R3、R13 多圈電位計(jì)調(diào)整電壓的增益與偏移來保證實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速一致，最終經(jīng)由U2 進(jìn)行1∶1 隔離放大后輸出給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)速反饋。

圖3 電機(jī)控制信號(hào)隔離電路板

（3）梳理電路板功能后，故障判斷思路逐漸清晰。斷開電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可控硅部分電氣連接，保留±15 V 電源輸出。進(jìn)入試驗(yàn)機(jī)診斷模式，分別設(shè)定不同轉(zhuǎn)速后對(duì)隔離板上關(guān)鍵點(diǎn)位進(jìn)行測量得知，轉(zhuǎn)速設(shè)定0～20 000 r/min時(shí)，電壓控制信號(hào)為0～10 V，但經(jīng)由U1 后輸出12.7 V 未發(fā)生改變。使用板上同型號(hào)U2 替換后，輸出電壓變化與一次端保持一致。由此判定U1 芯片損壞。

（4）替換該芯片后，恢復(fù)設(shè)備測試，超速故障恢復(fù)正常。存在實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定值偏差大的問題，經(jīng)調(diào)整R3、R13 電位計(jì)校準(zhǔn)主軸轉(zhuǎn)速后，設(shè)備恢復(fù)正常使用。

5 結(jié)語

隨著恒定加速度試驗(yàn)機(jī)服役年限越來越長，設(shè)備故障率開始逐漸頻繁，尤其針對(duì)恒定加速度試驗(yàn)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中本身存在振動(dòng)的情況，設(shè)備維護(hù)人員需要加深對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及電子電路的深入研究分析，進(jìn)一步掌握控制系統(tǒng)的原理，挖掘出故障深層次本質(zhì)原因。并可使用可靠成熟的新技術(shù)工藝，對(duì)故障頻發(fā)的部件進(jìn)行升級(jí)改造。進(jìn)一步做到設(shè)備預(yù)防性維修，降低設(shè)備故障，延長設(shè)備使用壽命，創(chuàng)造更大的價(jià)值。