馬曉賀

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所，河南鄭州 450015）

伺服系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)組成，電機(jī)中安裝有轉(zhuǎn)子位置傳感器，用于檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的角度[1]。目前電機(jī)中的轉(zhuǎn)子位置傳感器主要有旋轉(zhuǎn)變壓器、霍爾器件、光柵編碼器等。其中旋轉(zhuǎn)變壓器具有精度高、耐高溫、耐高濕、耐高振動(dòng)、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于武器裝備、航空航天及汽車工業(yè)等領(lǐng)域[2]。

旋轉(zhuǎn)變壓器本質(zhì)上是一種微電機(jī)，由定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組組成。旋轉(zhuǎn)變壓器的關(guān)鍵性能指標(biāo)包括零位電壓、相位移、變壓比等。零位電壓指輸出繞組中感應(yīng)電壓最小時(shí)輸出的電壓。相位移指勵(lì)磁電壓與輸出電壓的基波分量間的相位差。對(duì)于伺服系統(tǒng)而言，結(jié)合解碼芯片的鎖相范圍要求，過大或不穩(wěn)定的相位移不滿足要求。變壓比指在規(guī)定勵(lì)磁環(huán)境和空載條件下，最大輸出電壓的基波分量與勵(lì)磁電壓的基波分量之比[3]。

文章所研究的電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器故障，是在低溫試驗(yàn)過程中驅(qū)動(dòng)器報(bào)旋轉(zhuǎn)變壓器故障。針對(duì)該故障，文章采用故障樹法進(jìn)行故障定位，通過復(fù)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器的低溫故障來驗(yàn)證故障定位的準(zhǔn)確性，最后制訂相應(yīng)的處理措施，并通過一系列試驗(yàn)驗(yàn)證了措施的有效性。

1 故障現(xiàn)象

在進(jìn)行機(jī)電設(shè)備伺服系統(tǒng)環(huán)境試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電機(jī)（內(nèi)含國產(chǎn)52XWF 型旋轉(zhuǎn)變壓器）處于低溫環(huán)境（-30 ℃）、驅(qū)動(dòng)器處于常溫環(huán)境（30 ℃）時(shí)，驅(qū)動(dòng)器報(bào)旋轉(zhuǎn)變壓器故障，電機(jī)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)電機(jī)恢復(fù)到常溫（30 ℃）狀態(tài)后，驅(qū)動(dòng)器故障消失，電機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。多次重復(fù)低溫試驗(yàn)，故障現(xiàn)象一致。

2 故障定位

故障樹分析是一種由上向下的故障判別方法，判別步驟如下：①根據(jù)故障出現(xiàn)的實(shí)際情況識(shí)別出頂事件；②根據(jù)故障類型逐步分析其發(fā)生的原因和最基本的原因（底事件），構(gòu)造出故障樹；③對(duì)故障底事件進(jìn)行逐一判斷排除。

根據(jù)電機(jī)中旋轉(zhuǎn)變壓器的安裝情況及其工作原理，對(duì)可能造成此次故障的原因進(jìn)行梳理分析，建立故障樹（圖1）。

2.1 軸向安裝尺寸的排查

對(duì)照安裝技術(shù)圖紙要求及工藝過程卡片檢查旋轉(zhuǎn)變壓器軸向安裝情況，發(fā)現(xiàn)均符合旋轉(zhuǎn)變壓器推薦的安裝尺寸要求。故可以判定軸向安裝尺寸費(fèi)旋轉(zhuǎn)變壓器低溫故障的原因。

2.2 徑向安裝尺寸的排查

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器定子與轉(zhuǎn)子氣隙均勻，表明徑向安裝尺寸符合旋轉(zhuǎn)變壓器推薦的安裝尺寸要求。故可以判定徑向安裝尺寸非旋轉(zhuǎn)變壓器低溫故障的原因。

2.3 外部電纜的排查

在進(jìn)行常溫和低溫試驗(yàn)前，對(duì)電機(jī)外部信號(hào)電纜和動(dòng)力電纜進(jìn)行了絕緣及通斷的測量，未發(fā)現(xiàn)接觸不良、短路、斷路等異常情況。為進(jìn)一步確認(rèn)，在低溫狀態(tài)下更換完好的電纜，故障現(xiàn)象與未更換電纜時(shí)一致。故可以判定外部電纜非旋轉(zhuǎn)變壓器低溫故障的原因。

2.4 內(nèi)部電纜的排查

取下旋轉(zhuǎn)變壓器，檢查旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)部電纜接線情況，未發(fā)現(xiàn)虛焊、斷線情況。故可以判定內(nèi)部電纜非旋轉(zhuǎn)變壓器低溫故障的原因。

2.5 低溫下變壓比的排查

低溫下檢測52XWF 型旋轉(zhuǎn)變壓器變壓比為0.525（設(shè)計(jì)值為0.5±5%），符合要求。為進(jìn)一步驗(yàn)證，更換同型號(hào)變壓比為0.504的旋轉(zhuǎn)變壓器，低溫狀態(tài)下故障仍然存在。故可以判定低溫下變壓比非旋轉(zhuǎn)變壓器低溫故障的原因。

2.6 低溫下電氣誤差的排查

更換故障旋轉(zhuǎn)變壓器同型號(hào)但電氣誤差較小（8′）的旋轉(zhuǎn)變壓器，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，常溫測試良好。低溫-30 ℃保溫1 h，電氣誤差滿足要求，但驅(qū)動(dòng)器報(bào)旋轉(zhuǎn)變壓器故障，故障仍然存在。故可以判定低溫下電氣誤差非旋轉(zhuǎn)變壓器低溫故障的原因。

2.7 低溫下相位移的排查

驅(qū)動(dòng)器中的旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片可接受相位移為-44°～+44°。在常溫下，用示波器測量52XWF型旋轉(zhuǎn)變壓器的相位移為37.4°，符合芯片鎖相范圍。

低溫環(huán)境（-30 ℃）保溫1 h 后，用示波器測量該型旋轉(zhuǎn)變壓器的相位移為44.6°，超過了驅(qū)動(dòng)器解碼芯片的鎖相范圍。故暫時(shí)判定低溫下相位移超差疑似旋轉(zhuǎn)變壓器低溫故障的原因。

將市面上常見的進(jìn)口TS2640 型旋轉(zhuǎn)變壓器和國產(chǎn)J52XF 型旋轉(zhuǎn)變壓器放置在低溫下保溫1 h，再用示波器監(jiān)測相位移發(fā)現(xiàn)，TS2640 型旋轉(zhuǎn)變壓器的相位移為28.8°，J52XF 型旋轉(zhuǎn)變壓器相位移為30.24°，均符合驅(qū)動(dòng)器解碼芯片鎖相范圍。

電機(jī)安裝的52XWF 型旋轉(zhuǎn)變壓器在低溫狀態(tài)下的相位移超過了驅(qū)動(dòng)器解碼芯片的鎖相范圍，從而致使驅(qū)動(dòng)器報(bào)旋轉(zhuǎn)變壓器故障。

3 機(jī)理分析

旋轉(zhuǎn)變壓器原理如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)變壓器原理

旋轉(zhuǎn)變壓器的原理與傳統(tǒng)變壓器類似，在原邊繞組（R1、R2）加上勵(lì)磁電壓，當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，S1、S3之間輸出電壓與轉(zhuǎn)角成余弦關(guān)系，S2、S4之間輸出電壓與轉(zhuǎn)角成正弦關(guān)系。輸出的正、余弦信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)器中的解碼芯片解析后，可以得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置等信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。

根據(jù)電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器與驅(qū)動(dòng)器的原理，驅(qū)動(dòng)器解碼芯片（型號(hào)為AD2S1210）提供峰值為7V、頻率為10kHz 的電壓。驅(qū)動(dòng)器對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器輸出正、余弦信號(hào)進(jìn)行解碼，得到電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制。AD2S1210型解碼芯片可接受相位移為-44°～+44°，52XWF 型旋轉(zhuǎn)變壓器在低溫狀態(tài)下相位移為44.6°，超過該驅(qū)動(dòng)器解碼芯片的鎖相范圍，使得驅(qū)動(dòng)器解碼芯片解碼故障，最終導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器報(bào)旋轉(zhuǎn)變壓器故障，無法驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 故障復(fù)現(xiàn)

使用與原故障旋轉(zhuǎn)變壓器同型號(hào)、不同批次的52XWF 型旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，驅(qū)動(dòng)器提供標(biāo)準(zhǔn)激磁電壓，常溫測試良好。

電機(jī)低溫-30 ℃保溫1 h，用驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)器報(bào)旋轉(zhuǎn)變壓器故障，故障復(fù)現(xiàn)。

故障發(fā)生時(shí)，使用示波器測量該旋轉(zhuǎn)變壓器相位移為46.08°，超過驅(qū)動(dòng)器解碼芯片的鎖相范圍。

5 改進(jìn)措施及驗(yàn)證

針對(duì)故障定位和機(jī)理分析，結(jié)合當(dāng)前電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，在不改變電機(jī)結(jié)構(gòu)的前提下，將電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器由52XWF 型產(chǎn)品更換為J52XF 型產(chǎn)品。在常溫狀態(tài)兩種旋轉(zhuǎn)變壓器均可滿足技術(shù)要求。為進(jìn)一步對(duì)比低溫狀態(tài)下兩種旋轉(zhuǎn)變壓器的區(qū)別，將兩種旋轉(zhuǎn)變壓器分別放在常溫（30 ℃）與低溫（-30 ℃）環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)，測量兩種旋轉(zhuǎn)變壓器的相位移、輸入阻抗、輸出阻抗及變壓比，得到的參數(shù)見表1。

表1 兩種旋轉(zhuǎn)變壓器常溫與低溫狀態(tài)參數(shù)對(duì)比

由表1可知，J52XF 型旋轉(zhuǎn)變壓器在低溫狀態(tài)下的相位移性能優(yōu)于52XWF 型旋轉(zhuǎn)變壓器。52XWF型旋轉(zhuǎn)變壓器不能滿足系統(tǒng)在低溫-30 ℃的運(yùn)行環(huán)境要求。

綜上所述，兩種旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)一致，可在伺服系統(tǒng)電機(jī)上實(shí)現(xiàn)原位替換，不會(huì)改變電機(jī)結(jié)構(gòu)。使用J52XF 型旋轉(zhuǎn)變壓器替換52XWF 型旋轉(zhuǎn)變壓器，能滿足伺服系統(tǒng)在常溫和低溫運(yùn)行狀態(tài)下的要求。

將故障電機(jī)中的52XWF 型旋轉(zhuǎn)變壓器更換為J52XF 型旋轉(zhuǎn)變壓器，并按技術(shù)要求調(diào)整旋轉(zhuǎn)變壓器在電機(jī)中的初始位置，完善旋轉(zhuǎn)變壓器安裝及接線工作，同時(shí)將該型號(hào)電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)圖紙及明細(xì)表中有關(guān)旋轉(zhuǎn)變壓器型號(hào)進(jìn)行更新改版。

針對(duì)新更換的J52XF 型旋轉(zhuǎn)變壓器的環(huán)境適應(yīng)性展開試驗(yàn)驗(yàn)證工作如下。

5.1 常溫試驗(yàn)

電機(jī)更換新型號(hào)旋轉(zhuǎn)變壓器后，在常溫環(huán)境下，用驅(qū)動(dòng)器低壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，驅(qū)動(dòng)器未報(bào)故障；在常溫下對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行高壓380 V 測試，并進(jìn)行帶負(fù)載大正弦30 min 試驗(yàn)，伺服伺服系統(tǒng)運(yùn)行良好。

5.2 低溫試驗(yàn)

電機(jī)更換新型號(hào)旋轉(zhuǎn)變壓器后，在低溫（-30 ℃）保溫1 h 后，用驅(qū)動(dòng)器低壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，驅(qū)動(dòng)器未報(bào)故障；對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行高壓380V 測試，并進(jìn)行帶負(fù)載大正弦30 min 試驗(yàn)，伺服系統(tǒng)運(yùn)行良好。電機(jī)在低溫（-30 ℃）環(huán)境下進(jìn)行了24 h 低溫試驗(yàn)，試驗(yàn)期間伺服系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

5.3 高溫試驗(yàn)

在高溫（65 ℃）保溫1 h 后，用驅(qū)動(dòng)器低壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，驅(qū)動(dòng)器未報(bào)故障；對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行高壓380 V 測試，并進(jìn)行帶負(fù)載大正弦30 min 試驗(yàn)，伺服系統(tǒng)運(yùn)行良好。電機(jī)在高溫（65 ℃）環(huán)境下進(jìn)行了24 h 高溫試驗(yàn)，試驗(yàn)期間伺服系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

5.4 振動(dòng)及沖擊試驗(yàn)

電機(jī)更換為J52XF 型旋轉(zhuǎn)變壓器后，在環(huán)境試驗(yàn)室按照相關(guān)國軍標(biāo)完成了電機(jī)振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)期間伺服系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

經(jīng)過以上試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)伺服系統(tǒng)中電機(jī)的52XWF 型旋轉(zhuǎn)變壓器更換為J52XF 型旋轉(zhuǎn)變壓器后，性能指標(biāo)能夠滿足系統(tǒng)各項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)的要求。

6 結(jié)束語

文章以解決電機(jī)中的旋轉(zhuǎn)變壓器低溫故障為出發(fā)點(diǎn)，使用故障樹分析法對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器的低溫故障現(xiàn)象進(jìn)行分析和定位，經(jīng)排查分析可以確定電機(jī)中安裝的52XWF 型旋轉(zhuǎn)變壓器在低溫狀態(tài)下相位移超差，使得驅(qū)動(dòng)器解碼芯片解碼故障，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器報(bào)旋轉(zhuǎn)變壓器故障，從而無法正常驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。并進(jìn)一步通過機(jī)理分析、使用原型號(hào)旋轉(zhuǎn)變壓器對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)。根據(jù)故障機(jī)理制訂了更換低溫狀態(tài)下性能更好的J52XF 型旋轉(zhuǎn)變壓器的改進(jìn)措施，并進(jìn)行了常溫、低溫、高溫等環(huán)境下的試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，新型號(hào)的旋轉(zhuǎn)變壓器在各種環(huán)境下性能均滿足要求，該問題得到圓滿解決。該研究對(duì)其他有低溫工作需求的電機(jī)設(shè)計(jì)、旋轉(zhuǎn)變壓器研究具有較高的參考價(jià)值。