淺析故障樹(shù)分析法在驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)檢修課程教學(xué)中的應(yīng)用

江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 謝達(dá)城，李 晶，邱志卓

隨著汽車(chē)行業(yè)“新四化”（電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化）的快速發(fā)展，汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)形式開(kāi)始多樣化，純電動(dòng)汽車(chē)采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)替代原有的內(nèi)燃機(jī)，形成簡(jiǎn)單的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，混合動(dòng)力汽車(chē)采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)與內(nèi)燃機(jī)組合的形式，為汽車(chē)提供驅(qū)動(dòng)力。與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)形式相比，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有響應(yīng)快速、傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操縱方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、噪音低等優(yōu)點(diǎn)。

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)及電機(jī)控制系統(tǒng)組成，目前電動(dòng)汽車(chē)上驅(qū)動(dòng)電機(jī)大部分采用永磁同步電機(jī)，電機(jī)控制系統(tǒng)主要起到調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，使其滿足車(chē)輛不同運(yùn)行要求的作用。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)檢修時(shí)，如果將故障類(lèi)型進(jìn)行合理分類(lèi)和詳細(xì)分析，可以為后續(xù)的故障診斷帶來(lái)極大的便利。

1 故障樹(shù)分析法

故障樹(shù)分析法通常把系統(tǒng)中最不期望發(fā)生的故障現(xiàn)象稱為頂事件，確定造成該頂事件發(fā)生的直接全部原因（可能是軟硬件故障、人為操作失誤或其他相關(guān)事件），再找出造成這些事件發(fā)生的下一層次原因，一直這樣往下執(zhí)行，直到找到最低層次的故障（定義為基本事件）為止。把介于頂事件與基本事件間的一切事件定義為中間事件，最后把頂事件、中間事件和基本事件通過(guò)合適的邏輯門(mén)連接成樹(shù)形圖，即構(gòu)成故障樹(shù)。故障樹(shù)的典型模型如圖1所示。

故障樹(shù)分析法應(yīng)用在汽車(chē)故障診斷時(shí)，首先需要經(jīng)過(guò)大量的理論分析和實(shí)踐分析，總結(jié)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的所有故障類(lèi)型；其次要從各方面對(duì)造成系統(tǒng)故障的可能原因進(jìn)行逐層分析，把所有的故障原因進(jìn)行整合梳理，并分析這些故障原因的邏輯關(guān)系，然后建立起從上至下的故障樹(shù)模型，通過(guò)故障樹(shù)反推導(dǎo)致系統(tǒng)故障的各種可能原因。

圖1 故障樹(shù)的典型模型

2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理分析

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能為車(chē)輛行駛提供驅(qū)動(dòng)力的一種電氣裝置，這種裝置同時(shí)還具備將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能的功能。作為新能源汽車(chē)重要驅(qū)動(dòng)部件之一，其性能好壞直接影響車(chē)輛的正常行駛、驅(qū)動(dòng)效率及行駛安全等。電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)布置形式上主要有以下4種形式。

（1）驅(qū)動(dòng)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)橋組合驅(qū)動(dòng)。組合式驅(qū)動(dòng)形式與傳統(tǒng)車(chē)橋較為相似，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與車(chē)橋間通過(guò)減速器、差速器等聯(lián)結(jié)。具有機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高、易于安裝等特點(diǎn)。

（2）驅(qū)動(dòng)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)橋集成驅(qū)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)方式把驅(qū)動(dòng)電機(jī)、固定速比減速器和差速器集成為一個(gè)整體，并與驅(qū)動(dòng)軸同軸，通過(guò)兩根半軸驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。該布置形式的結(jié)構(gòu)、聯(lián)結(jié)部件進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

（3）輪邊驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。將驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在車(chē)輪內(nèi)側(cè)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可單獨(dú)控制，需要安裝電子差速器解決左右半軸的差速問(wèn)題。這種布置形式使得汽車(chē)動(dòng)力性能更加優(yōu)良、運(yùn)行更加靈活，同時(shí)減少傳動(dòng)系統(tǒng)部件，可有效節(jié)省汽車(chē)空間。

（4）輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)一部分（轉(zhuǎn)子）直接與輪轂固定，輪轂也可以看做是驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)的一部分，另一部分（定子）直接安裝在懸架上。此種布置形式縮短了驅(qū)動(dòng)電機(jī)和車(chē)輪間的機(jī)械傳動(dòng)距離，進(jìn)一步節(jié)省空間，傳動(dòng)效率高。

電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主流的驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)類(lèi)型有：永磁同步電機(jī)、交流異步電機(jī)、直流電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等。這幾種驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)性能各異，目前，新能源汽車(chē)尤其是純電動(dòng)汽車(chē)大部分使用永磁同步電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、運(yùn)行可靠、傳動(dòng)效率高、控制精度高、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性及低振動(dòng)噪聲等特點(diǎn)。

永磁同步電機(jī)的定子與普通電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同，由電樞鐵芯和電樞繞組2部分構(gòu)成。轉(zhuǎn)子主要由永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)軸等部分構(gòu)成。此外，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器是將轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)反饋給電機(jī)控制器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的閉環(huán)控制。

電機(jī)控制系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、冷卻系統(tǒng)等組成，其作用是通過(guò)有效的控制策略將動(dòng)力電池提供的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相應(yīng)控制，主要包括速度控制、轉(zhuǎn)矩控制、正反轉(zhuǎn)控制及在減速/制動(dòng)時(shí)進(jìn)行能量回收。純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成如圖2所示。

3 故障樹(shù)分析法的教學(xué)應(yīng)用

驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)檢修課程作為高職新能源汽車(chē)技術(shù)專業(yè)的核心課程，具有課程難度大、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)。通過(guò)教學(xué)，學(xué)生雖能理解驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理，但在故障檢修的實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，當(dāng)遇到實(shí)際問(wèn)題時(shí)還不具備快速高效的故障診斷思路，學(xué)生排除故障往往花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)效果不理想。故障樹(shù)分析法通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的分析、研究、總結(jié)，可以將導(dǎo)致系統(tǒng)故障的各事件層層遞進(jìn)的關(guān)系直觀展現(xiàn)，自上而下對(duì)事件進(jìn)行分析，可以找到故障與哪些因素有關(guān)（硬件、軟件、環(huán)境、人為因素等），并可按照概率的大小進(jìn)行逐一排查，因此在教學(xué)過(guò)程中運(yùn)用故障樹(shù)分析法，結(jié)合理實(shí)一體、任務(wù)驅(qū)動(dòng)等教學(xué)方法，對(duì)指導(dǎo)學(xué)生摸清系統(tǒng)故障范圍、理清故障診斷思路、高效排除故障具有重要指導(dǎo)價(jià)值。

圖2 純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成

根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障作為頂事件，整個(gè)事件可以看作二級(jí)事件，劃分為機(jī)械故障、電氣故障、控制系統(tǒng)故障3種故障類(lèi)型。

針對(duì)機(jī)械故障、電氣故障及控制系統(tǒng)故障分別構(gòu)建故障樹(shù)。構(gòu)建故障樹(shù)時(shí)，需要學(xué)生進(jìn)一步熟悉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，才能列出故障分類(lèi)、故障間的邏輯關(guān)系、構(gòu)成故障樹(shù)的中間事件及基本事件。如在控制系統(tǒng)故障樹(shù)（圖3）的構(gòu)建過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生先從汽車(chē)電氣系統(tǒng)控制原理出發(fā)，控制系統(tǒng)一般由信號(hào)輸入（傳感器）、信號(hào)傳輸（CAN網(wǎng)絡(luò)）、信號(hào)分析處理及執(zhí)行（控制單元）組成，所以可將傳感器故障、CAN通訊故障、控制單元故障作為中間事件，因?yàn)槔鋮s系統(tǒng)也是驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)的重要組成部分，所以控制系統(tǒng)故障由4個(gè)中間事件構(gòu)成，再進(jìn)一步分析中間事件的組成、功能，繼續(xù)對(duì)故障進(jìn)行分類(lèi)、溯源，直至找到底層故障（基本事件），從而構(gòu)建完整的故障樹(shù)。通過(guò)對(duì)整個(gè)故障樹(shù)模型的分析和構(gòu)建，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)的故障診斷實(shí)訓(xùn)時(shí)，教師可以快速指導(dǎo)學(xué)生，學(xué)生也能做到思路清晰、邏輯正確。

4 結(jié)束語(yǔ)

故障樹(shù)分析法可以直觀地展現(xiàn)故障因素及相互間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，便于高效故障診斷，對(duì)于高職新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)檢修課程的教學(xué)，起到重要輔助作用，在對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)故障樹(shù)的構(gòu)建過(guò)程中，通過(guò)教師引導(dǎo)和學(xué)生自主探究，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，讓教和學(xué)更有效率。

圖3 控制系統(tǒng)故障的故障樹(shù)