英格索蘭變頻空壓機(jī)故障診斷與芯片級(jí)維修技術(shù)的研究

粟小寶

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

空壓機(jī)問世于第二次工業(yè)革命時(shí)期。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(guó)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[1]。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160 kW 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(jiǎn)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，最大程度地發(fā)揮變頻調(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(guó)“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[2]。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 s 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”[3]，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(jiǎn)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。

圖1 控制面板

圖2 VSD 驅(qū)動(dòng)控制電路框圖

深入分析報(bào)警原理可知，編碼器、電機(jī)、信號(hào)電纜和VSD 控制主板中的任意一個(gè)或多個(gè)有故障均可觸發(fā)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)備件的情況下無法進(jìn)行故障區(qū)分和判斷，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。因此，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)。只有系統(tǒng)性掌握?qǐng)?bào)警邏輯、自檢流程及關(guān)鍵點(diǎn)測(cè)試方法才能快速準(zhǔn)確判斷故障部位。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60 r/min 的速度旋轉(zhuǎn)一周，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)的情況。轉(zhuǎn)速不同，輸出的脈沖信號(hào)頻率不同，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 “VSD Falsity 7”故障診斷流程

為了精準(zhǔn)確定故障點(diǎn)，需要研究并開發(fā)一套包含有關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)的故障診斷流程，從而實(shí)現(xiàn)故障診斷作業(yè)的規(guī)范化及流程化。 根據(jù)VSD 自檢的控制時(shí)序，并結(jié)合各時(shí)序正常情況下應(yīng)該具備的信號(hào)，繪制出“VSD Falsity 7”故障診斷流程圖（圖3），流程圖中融入了檢查步驟、關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)、測(cè)量方法及判定標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 故障診斷流程圖

1.4 診斷及維修要點(diǎn)

從圖3 的故障診斷流程圖可知，“VSD Falsity 7”故障診斷的核心是關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)的選擇與測(cè)量分析。關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)的引入將大幅提高鎖定故障分區(qū)的效率，只有在鎖定故障分區(qū)后再能在更小范圍內(nèi)開展局部檢查，最終確定最小故障器件。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，若關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)設(shè)在VSD 主控板會(huì)較為合理。經(jīng)過對(duì)VSD 主控板布局進(jìn)行分析，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)）用于產(chǎn)品性能檢測(cè)的信號(hào)點(diǎn)（圖4），分別是：A1、B1、C1 與A2、B2、C2、這6 個(gè)測(cè)量點(diǎn)可作為故障診斷的關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)。其中A1、B1、C1 為霍爾編碼器信號(hào)輸出測(cè)量點(diǎn)，A2、B2、C2 為運(yùn)放輸出測(cè)量點(diǎn)，可選用帶寬為20 MHz 數(shù)字示波器進(jìn)行在線測(cè)量判定。

圖4 VSD 主控板框圖

根據(jù)“VSD Falsity 7”故障診斷流程，首先要透過電機(jī)散熱口觀測(cè)永磁電機(jī)在啟動(dòng)后的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。正常情況下主板得電后要按時(shí)序進(jìn)行自檢，主板自檢完成后開始向整流電路與逆變電路輸出脈沖，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)微轉(zhuǎn)，在微轉(zhuǎn)過程中主板實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)編碼器返回的脈沖及U/V/W 相的工作電流，只有滿足條件的情況下才會(huì)全速運(yùn)行。若在按下啟動(dòng)鍵后，電機(jī)已經(jīng)微轉(zhuǎn)，說明整流電路、逆變電路、電機(jī)基本正常，此時(shí)用示波器分別測(cè)量VSD 主板上的關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)A1、B1、C1 波形并與圖5 波形對(duì)比，如有明顯差異，則需檢查并更換電機(jī)內(nèi)部的霍爾傳感器、信號(hào)電纜。在測(cè)試點(diǎn)A1、B1、C1 波形正常情況下，進(jìn)一步測(cè)量VSD 主板關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)A2、B2、C2 波形并與圖6 波形對(duì)比，如有明顯差異則對(duì)應(yīng)的運(yùn)放芯片U22/U25/U45 存在問題，否則可編程邏輯芯片U12 損壞。

圖5 A1/B1/C1 測(cè)試點(diǎn)波形

圖6 A2/B2/C2 測(cè)試點(diǎn)波形

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 Falsity 7”報(bào)警，通過本文故障診斷流程的指引，基于關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)及判斷方法，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、降低委托外部門維修費(fèi)用方面發(fā)揮重要的作用，“VSD Falsity 7”故障診斷與維修技術(shù)可行、有效。