英格索蘭變頻空壓機(jī)“VSD Falsity7”故障診斷與芯片級(jí)維修技術(shù)的研究

摘 要：英格索蘭是全球知名的動(dòng)力設(shè)備制造商，因其技術(shù)領(lǐng)先、品質(zhì)可靠，在工業(yè)空壓縮機(jī)領(lǐng)域占領(lǐng)導(dǎo)地位。隨著節(jié)能技術(shù)的不斷發(fā)展，以及國家對(duì)節(jié)能減排的日益關(guān)注，英格索蘭推出NirvanaVSD系列變頻空壓機(jī)產(chǎn)品，不僅大幅提升了設(shè)備運(yùn)行效率節(jié)省電能消耗，并讓機(jī)組壽命得到有效延長。但由于增加了電機(jī)變頻控制功能，設(shè)備在信號(hào)采集、控制以及保護(hù)方面都進(jìn)行了相應(yīng)擴(kuò)展，使得變頻空壓機(jī)較工頻空壓機(jī)電路變得更為復(fù)雜，電氣故障也隨之增加。本文通過故障詳解，深入剖析故障報(bào)警觸發(fā)條件，并基于電路解析、確定關(guān)鍵檢測(cè)點(diǎn)以及自開發(fā)的檢修流程將故障診斷到芯片，最終實(shí)現(xiàn)該系列變頻控制器“VSD Falsity 7”故障的芯片級(jí)維修。

關(guān)鍵詞：英格索蘭變頻空壓機(jī);VSD Falsity 7;芯片級(jí)維修技術(shù)

前言

空壓機(jī)問世于第二次工業(yè)革命，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展需要，空壓機(jī)已經(jīng)列為供能設(shè)備為各類生產(chǎn)設(shè)備提供動(dòng)力（壓縮空氣）能源，在供能設(shè)備中扮演著重要角色。英格索蘭是首個(gè)將螺桿機(jī)技術(shù)引進(jìn)中國的外資品牌，此舉也奠定了其在壓縮機(jī)行業(yè)的領(lǐng)先地位。R160N_A10是英格索蘭公司設(shè)計(jì)的微油變頻調(diào)速螺桿空壓機(jī)產(chǎn)品，裝配了160KW的強(qiáng)勁混合型永磁電機(jī)（HPM）并匹配了相應(yīng)功率的變頻調(diào)速器（Variable speed drive，以下簡稱VSD），以應(yīng)對(duì)負(fù)載突變所出現(xiàn)的電機(jī)頻繁啟/停而導(dǎo)致機(jī)頭不良磨損，使用VSD后電機(jī)轉(zhuǎn)速可以根據(jù)氣壓變化自動(dòng)調(diào)整，最大程度的發(fā)揮了變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)能特點(diǎn)，同時(shí)也改善氣源波動(dòng)、機(jī)頭壽命短等問題。但由于維護(hù)不當(dāng)、交變負(fù)荷、浪涌沖擊及電子元器件自身不良等因素影響，VSD電路出現(xiàn)異常也屢見不鮮，出現(xiàn)異常時(shí)雖然在控制器顯示屏上顯示了報(bào)警代碼，但憑代碼信息及設(shè)備的故障檢修手冊(cè)僅能判斷大致方向（指向性不強(qiáng)），其中又以“VSD Falsity 7”報(bào)警故障最為典型，也是較難處置的報(bào)警之一。由于該VSD控制器是由法國“利萊森瑪”公司為英格索蘭特別定制生產(chǎn)的高功率控制器，其電路復(fù)雜，配件價(jià)格昂貴，資料匱乏，一旦故障，未經(jīng)訓(xùn)練的維修人員通常束手無策，只能向廠商支付高額服務(wù)費(fèi)用和配件成本。本文將基于故障代碼、報(bào)警觸發(fā)條件，通過故障詳解與電路解析、關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)及自開發(fā)的檢修流程將問題診斷到芯片，系統(tǒng)性解決VSD控制器“VSD Falsity 7”報(bào)警的難題。

1 芯片級(jí)維修技術(shù)的構(gòu)建

1.1故障詳解

如圖1所示，作業(yè)人員在按動(dòng)設(shè)備控制面板“啟動(dòng)”鍵后，主電機(jī)應(yīng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但15秒左右控制面板的LCD屏顯示“VSD Falsity 7”及“Press RESET twice”（按兩次RESET 復(fù)位），按提示操作無法解除報(bào)警，需要切斷主電源再次重啟，但故障依舊。經(jīng)查閱產(chǎn)品手冊(cè)得知該報(bào)警表示“編碼器（霍爾元件）故障”，但手冊(cè)并未說明潛在原因及影響因素，從表面上看需要檢查或更換電機(jī)編碼器組件，實(shí)際并非如此簡單。報(bào)警的機(jī)理是電機(jī)實(shí)際速度與目標(biāo)速度不一致，也稱“失速報(bào)警”，從圖2（VSD驅(qū)動(dòng)控制器框圖）可以看出，電機(jī)速度監(jiān)測(cè)是由安裝在電機(jī)內(nèi)部的3只霍爾元件組成，通過屏蔽電纜與控制主板相連。深入分析報(bào)警原理可知，編碼器、電機(jī)、信號(hào)電纜和VSD控制主板其中一個(gè)或多個(gè)部件故障均可觸發(fā)該報(bào)警。然而最困擾用戶的是，一旦出現(xiàn)該報(bào)警，在沒有提前儲(chǔ)備相關(guān)備件的情況下是無法進(jìn)行故障區(qū)分和判斷的，故障部位的精準(zhǔn)確定已成為困擾維修作業(yè)人員的難點(diǎn)問題。我們需要擁有一套可行的解決方案，只需通過常規(guī)的儀器儀表，運(yùn)用既定檢修流程和測(cè)量方法精準(zhǔn)確定故障點(diǎn)，這是本文重點(diǎn)解決的主要課題。只有系統(tǒng)性掌握?qǐng)?bào)警邏輯、自檢流程、關(guān)鍵點(diǎn)測(cè)試方法才能快速準(zhǔn)確判斷故障部位。下面將基于對(duì)英格索蘭VSD變頻驅(qū)動(dòng)的研究，繪制控制圖，分析控制時(shí)序，提出檢查流程，給出系統(tǒng)性的解決方案及維修方法。

1.2控制時(shí)序分析

基于圖2（VSD驅(qū)動(dòng)控制電路框圖）的信號(hào)流向，設(shè)備正常情況下，作業(yè)人員在按下“啟動(dòng)”按鈕后，VSD首先執(zhí)行自檢程序。VSD主控板向VSD驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出低轉(zhuǎn)速的PWM信號(hào)，VSD驅(qū)動(dòng)電路將PWM信號(hào)放大并驅(qū)動(dòng)主電機(jī)以每分鐘60r/min的速度旋轉(zhuǎn)2～3周，安裝在電機(jī)內(nèi)部的編碼器實(shí)時(shí)采集電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，轉(zhuǎn)速不同輸出頻率不同的脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過屏蔽電纜送至VSD主板PX4端口，經(jīng)信號(hào)放大、整形及調(diào)制后送到板載CPU，CPU實(shí)時(shí)分析并運(yùn)算該信號(hào)，如果反饋回的信號(hào)滿足要求CPU隨即輸出高速PWM信號(hào)驅(qū)使控制電機(jī)進(jìn)入全速運(yùn)行模式。相反，在自檢時(shí)序內(nèi)CPU未識(shí)別到正常轉(zhuǎn)速信號(hào)，則通過CAN總線接口PX3向控制面板發(fā)出 “VSD Falsity 7” 報(bào)警，同時(shí)進(jìn)入故障保護(hù)模式。 從控制時(shí)序分析可知，啟動(dòng)后電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、編碼器反饋信號(hào)都是故障診斷的關(guān)鍵分界點(diǎn)。

1.3關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)

故障的診斷離不開信號(hào)的測(cè)量與分析，而確定關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)則是提高故障診斷效率的最好途徑，適宜的關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)能快速縮小故障范圍，達(dá)到事半功倍的效果。從VSD驅(qū)動(dòng)控制框圖（圖2）可知，電機(jī)本體內(nèi)部安裝的三組霍爾傳感器模塊（型號(hào)LSY380-1-93）對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，三組信號(hào)（A、B、C）通過電纜及D9插頭與VSD主控板PX4口相連，信號(hào)進(jìn)入主板首先分別送達(dá)U22、U25、U45 運(yùn)算放大器芯片LM293進(jìn)行放大、整形，隨后信號(hào)再送至可編程邏輯芯片 U12（型號(hào)IM4A5-64-10VC）進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)過調(diào)制后的信號(hào)最后到達(dá)U14（意法微處理器ST10F269Z2Q6）進(jìn)行解析運(yùn)算，基于信號(hào)處理流程，關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)應(yīng)設(shè)在VSD主控板上。經(jīng)過分析，利萊森瑪公司在VSD主控板設(shè)計(jì)之初預(yù)設(shè)了三組（6個(gè)）信號(hào)測(cè)試點(diǎn)，分別是：A1、B1、C1與A2、B2、C2、這6個(gè)測(cè)試點(diǎn)可成為故障判斷的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。其中A1、B1、C1為霍爾編碼器信號(hào)輸出測(cè)試點(diǎn)，A2、B2、C2為運(yùn)放輸出測(cè)試點(diǎn)，可選用帶寬為20MHz數(shù)字示波器進(jìn)行在線測(cè)量判定。

1.4 “VSD Falsity 7”報(bào)警檢查流程

為了更準(zhǔn)確更高效確定故障部位，僅有關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)是不夠的，還需要將故障檢查與診斷作業(yè)過程規(guī)范化、流程化。 基于VSD自檢的控制時(shí)序，信號(hào)處理流，繪制出“VSD Falsity 7”報(bào)警的檢查流程，流程圖中融合了詳細(xì)檢查步驟、測(cè)量方法、參考數(shù)據(jù)、判定標(biāo)準(zhǔn)以及處置方式。

2 結(jié)束語

經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，當(dāng)英格索蘭變頻空壓機(jī)出現(xiàn) “VSD Falsity7”報(bào)警，通過本文報(bào)警檢查流程的指引，基于關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)及判定方法，使用常規(guī)的儀器儀表，就能在較短的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)備報(bào)警的系統(tǒng)性檢查，準(zhǔn)確鎖定故障部位，若查明故障在VSD主控板側(cè)的轉(zhuǎn)速信號(hào)放大、整形、調(diào)制方面，可依據(jù)檢查流程中的指引進(jìn)一步開展芯片級(jí)維修，這不僅大幅減少故障停機(jī)時(shí)間，而且對(duì)減少備件儲(chǔ)備、降低委外維修費(fèi)用方面發(fā)揮重要的作用，“VSD Falsity7”報(bào)警的故障診斷及維修方法可行、有效。

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作者簡介：

粟小寶（1980-），男，廣西南寧人，本科，工程師，企業(yè)內(nèi)訓(xùn)師，廣西柳工機(jī)械股份有限公司，專注高端數(shù)控系統(tǒng)及其板卡的芯片級(jí)維修技術(shù)研究以及培訓(xùn)課程開發(fā)。

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545007）