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(guó)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(guó)北方車輛研究所，北京100072)

通過對(duì)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(duì)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(shí)檢測(cè)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(shí)效性差的缺點(diǎn).根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，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(cè)試和診斷的時(shí)間與維修總時(shí)間的百分比高達(dá)35%至50%.由此可見，準(zhǔn)確、可靠、快速地對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)、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(shí)間，已成為保證車輛作戰(zhàn)效能的重要因素.

1　電氣系統(tǒng)常見故障分析

為了進(jìn)行電氣系統(tǒng)的故障分析， 對(duì)多臺(tái)樣本的故障開展了收集工作，并進(jìn)行了詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)分類.根據(jù)統(tǒng)計(jì)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(gè)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(gè)方面對(duì)其故障的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，并針對(duì)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(jì)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(hào)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(dòng)作等故障造成的；信號(hào)線路故障包括傳感器信號(hào)線路故障和各種控制裝置的信號(hào)檢測(cè)回路故障，該類故障將會(huì)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(jì)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(shí)監(jiān)測(cè)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(duì)于傳感器信號(hào)線路故障和各種控制裝置的信號(hào)檢測(cè)回路故障，可采用恒流小電流檢測(cè)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(rùn)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(lì)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(duì)較低，但是對(duì)整個(gè)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(cè)器故障診斷法和FFT頻譜分析方法等多種方法.針對(duì)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(hào)錯(cuò)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(hào)錯(cuò)誤.

控制系統(tǒng)故障診斷對(duì)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(jì)方法.余度BIT的方法是指系統(tǒng)通過傳感器和信號(hào)通道電路的冗余設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)，由CPU實(shí)現(xiàn)診斷對(duì)象模塊的測(cè)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(cè)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(jì)方法 .

2　電氣系統(tǒng)典型故障的診斷方法

通過對(duì)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(duì)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(cè)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(duì)待測(cè)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(cè)的原理圖如圖1所示.

圖1　基于恒流源小電流回路檢測(cè)原理圖

具體實(shí)現(xiàn)方案為：在不使待測(cè)器件進(jìn)入工作狀態(tài)或損害器件的前提下，經(jīng)檢測(cè)使能信號(hào)控制，恒流源所產(chǎn)生的恒定小電流If經(jīng)檢測(cè)電阻Ra、待測(cè)器件、檢測(cè)電阻Rb和車體地形成檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)使能信號(hào)，系統(tǒng)進(jìn)入故障檢測(cè)狀態(tài)；

3)對(duì)Ra、Rb兩端電壓Ua和Ub進(jìn)行采樣；

4)判斷診斷對(duì)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(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)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(cè)及定位.下面以電氣系統(tǒng)中存在較多的直流并勵(lì)電機(jī)為研究對(duì)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(cè)信號(hào)控制下，向待測(cè)電機(jī)的電樞和勵(lì)磁回路通入脈沖電壓信號(hào)，電阻RT用于限制檢測(cè)回路電流，使待測(cè)電機(jī)不進(jìn)入工作狀態(tài).通過改變脈沖信號(hào)的頻率ω，并測(cè)量RT兩端電壓UT，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)勵(lì)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(cè)圖

其故障診斷原理為：

設(shè)加在待測(cè)繞組兩端的脈沖檢測(cè)電壓信號(hào)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(hào)的幅值.

如圖2所示，電樞回路的電阻Ra≈0，計(jì)算中可忽略不計(jì)；電樞繞組的電感為L(zhǎng)a；Rf和Lf分別為勵(lì)磁繞組回路的電阻和電感值.檢測(cè)信號(hào)為ω時(shí)，電樞及勵(lì)磁回路的電抗可表示為：

(2)

1)正常狀態(tài).

當(dāng)待測(cè)電機(jī)狀態(tài)正常時(shí)，通入檢測(cè)信號(hào)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(lì)磁回路發(fā)生短路故障，繞組合成電抗Z=0，此時(shí)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(shí)，限流電阻RT兩端電壓

(8)

4)故障狀態(tài)3.

當(dāng)勵(lì)磁回路發(fā)生斷路故障，繞組合成電抗Z=Za=Laωj.此時(shí)，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(lì)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(cè)試及計(jì)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(duì)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(shí)，接通電路開關(guān)瞬間會(huì)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(shí)，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(duì)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(jì)通常采用附加激勵(lì)產(chǎn)生電路，通過判斷檢測(cè)激勵(lì)信號(hào)下輸入模塊響應(yīng)，來檢測(cè)當(dāng)前電路狀態(tài).圖3為火警信號(hào)檢測(cè)電路的BIT設(shè)計(jì).

圖3　開關(guān)量輸入檢測(cè)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(cè)試信號(hào)，經(jīng)過三極管、光耦等器件，給定火警檢測(cè)電路 “虛擬”火警激勵(lì)信號(hào)，檢測(cè)火警檢測(cè)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(dòng)電路的BIT診斷

開關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)電路的BIT設(shè)計(jì)通常采用硬件回繞方法，通過CPU產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電路的激勵(lì)系統(tǒng)，再檢測(cè)電路測(cè)試響應(yīng)，比較激勵(lì)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(dòng)單元核心器件的BIT測(cè)試電路.

圖4　開關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)電路Mosfet測(cè)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(hào)輸出端口輸出低電平信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)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(cè)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(cè)信號(hào)；如Mosfet發(fā)生斷路故障，勵(lì)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(cè)信號(hào).DSP通過判斷檢測(cè)信號(hào)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(hào)輸出端口輸出高電平信號(hào)).

3　典型故障的仿真實(shí)現(xiàn)

3.1基于恒流源的故障診斷仿真

某傳感器故障檢測(cè)仿真電路如圖5所示.

圖5　某傳感器故障檢測(cè)仿真電路

設(shè)定測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)仿真電路如圖6所示.

圖6　電機(jī)類負(fù)載線路故障檢測(cè)電路仿真

設(shè)定加在待測(cè)繞組兩端的脈沖檢測(cè)電壓信號(hào)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(hào)的幅值，設(shè)定A=100 V，電樞繞組的電感La=1.5 mF，勵(lì)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(lì)磁回路短路、電樞回路斷路、勵(lì)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(lì)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(cè)仿真電路如圖7所示.

圖7　開關(guān)信號(hào)故障檢測(cè)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(duì)Mosfet兩端電壓進(jìn)行測(cè)試.當(dāng)Mosfet正常工作時(shí)，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(dòng)電路的BIT診斷

開關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)故障檢測(cè)仿真電路如圖8所示.

圖8　開關(guān)量驅(qū)動(dòng)電路故障檢測(cè)仿真電路

利用大電阻Rtest檢測(cè)引爆管兩側(cè)的電壓跳變情況.當(dāng)Mosfet正常工作時(shí)，引爆管兩側(cè)電壓會(huì)發(fā)生由低到高的跳變；當(dāng)Mosfet發(fā)生故障時(shí)，引爆管兩側(cè)電壓不會(huì)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(dòng)電路的故障診斷.

4　結(jié)論和建議

在電氣系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(duì)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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