電動塞拉門控制系統(tǒng)故障分析與診斷方法研究

摘要：電動塞拉門是地鐵車輛車門的主要形式之一，為達(dá)到地鐵車輛高可靠性和安全性要求，需要對車門控制系統(tǒng)的主要故障進(jìn)行分析，并進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)。文章對基于控制電路驅(qū)動無刷直流電機的塞拉門控制系統(tǒng)組成的典型故障進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上提出了基于直流母線電流波形與頻譜的故障檢測與診斷方法。

關(guān)鍵詞：電動塞拉門；控制系統(tǒng)；無刷直流電機；故障模式；診斷方法 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U270 文章編號：1009-2374（2017）01-0106-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.01.052

電動塞拉門是地鐵車輛經(jīng)常采用的一種車門形式，它采用無刷直流電機、控制電路和行程開關(guān)等部件構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制門扇的打開和關(guān)閉。為滿足地鐵車輛高可靠性和安全性要求，需要對車門控制系統(tǒng)的主要功能及故障模式進(jìn)行分析，查找故障原因，分析故障影響，提出合適的故障檢測與診斷方法。本文在對塞拉門控制系統(tǒng)組成故障模式分析的基礎(chǔ)上，提出采用直流母線電流波形和頻譜檢測的方法進(jìn)行故障診斷的方法。

1 系統(tǒng)功能原理及主要故障模式

1.1 車門系統(tǒng)主要功能及故障模式

根據(jù)使用場景和使用主體的不同，地鐵車輛對車門系統(tǒng)的功能需求也不相同，主要包括：（1）在車輛運動行進(jìn)時，車門要保持閉鎖狀態(tài)，與車體構(gòu)成封閉的空間，從而為乘客提供安全舒適的乘坐環(huán)境；（2）在車輛靜止停靠時，車門能受控開啟和關(guān)閉，為乘客提供上下車的通道；（3）車門關(guān)閉時，遇乘客或其他障礙物時，能中斷關(guān)閉過程，防止夾傷乘客或損壞其隨身物品；（4）當(dāng)某一車門因故無法打開或關(guān)閉時，司機能夠隔離其集控狀態(tài)，單獨對其進(jìn)行打開或關(guān)閉；（5）當(dāng)某一車門因故無法打開或關(guān)閉時，司機能夠單獨鎖閉或解鎖車門的打開或關(guān)閉狀態(tài)。

針對上述各項功能，還需定義與每項功能相關(guān)的性能指標(biāo)，如車門關(guān)閉時鎖緊力不小于600N、打開或關(guān)閉時間不超過3s、車門防夾力不小于200N等。結(jié)合功能描述，利用性能指標(biāo)作為量化判據(jù)，可以從完全喪失、性能下降、時斷時續(xù)和出現(xiàn)非預(yù)期功能四個方面定義車門的主要功能故障模式并分析其對車輛可靠性和安全性的影響，如：車輛運動時意外打開；車輛靜止時不能打開、不能關(guān)閉、運動超時；車門防夾失效和意外防

夾等。

1.2 電動塞拉門控制系統(tǒng)組成原理

電動塞拉門的上述功能在實現(xiàn)過程中，部分分配給其控制系統(tǒng)，如控制系統(tǒng)接收集控指令后控制車門開啟和關(guān)閉以及防夾和隔離等，因此車門部分功能故障模式的故障原因可以歸結(jié)為控制系統(tǒng)故障，有必要對其故障進(jìn)行深入分析，以確定車門功能故障的原因和相應(yīng)的故障診斷方法。

電動塞拉門控制系統(tǒng)主要由無刷直流電機、三相逆變橋、控制電路、檢測電路和輔助電源組成。三相逆變橋?qū)⑤斎氲闹绷麟妷鹤儞Q為驅(qū)動電機所需的三相交流電壓，控制電路執(zhí)行塞拉門控制算法并輸出三相逆變橋的開關(guān)驅(qū)動信號，檢測電路檢測從三相逆變橋輸出到無刷直流電機的電壓和電流，輔助電源為整個控制系統(tǒng)提供可靠的備份工作電源。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示：

傳統(tǒng)無刷直流電機都帶有位置傳感器用于檢測永磁轉(zhuǎn)子磁極位置，但位置傳感器在實際應(yīng)用中的故障率很高。如果電機運行時位置傳感器故障，將導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)子磁極位置檢測信號丟失，電機就會失控，進(jìn)而引發(fā)系統(tǒng)故障。因此當(dāng)前電動塞拉門控制系統(tǒng)普遍采用檢測定子相電壓過零點判斷轉(zhuǎn)子磁極位置等無位置傳感器控制算法實現(xiàn)無刷直流電機的控制，這在一定程度上提高了無刷直流電機的可靠性。

2 系統(tǒng)組成故障分析

電動塞拉門控制系統(tǒng)集電磁器件、電力電子線路、傳感器、大規(guī)模集成電路于一體，除采用無位置傳感器的實現(xiàn)方式提高系統(tǒng)的可靠性外，控制系統(tǒng)其他部件的故障仍會對車門系統(tǒng)的可靠性與安全性造成重大影響，且其故障模式各不相同。本文根據(jù)對無刷直流電機直流母線電流波形和頻譜的分析，梳理控制系統(tǒng)常見的故障模式，作為系統(tǒng)故障檢測與診斷功能開發(fā)的基礎(chǔ)。

2.1 無刷直流電機故障

無刷直流電機常見的故障表現(xiàn)包括機械振動和過熱，主要原因是電機軸承故障和繞組故障，軸承故障又可能由于滑油枯竭或滾珠磨損等原因造成；繞組故障則分為短路故障和開路故障。

軸承的滑油枯竭和滾珠磨損會使軸承旋轉(zhuǎn)時所受的摩擦力矩不均衡增大，進(jìn)而導(dǎo)致電機的機械振動。機械振動下的直流母線電流表現(xiàn)出圖2（a）所示的故障現(xiàn)象。

電機繞組任一相因絕緣受損發(fā)生短路故障時，該相的等效電感、電阻和反電動勢都會減小，三相電流不平衡且故障繞組過熱，并進(jìn)一步使得短路故障惡化，最終導(dǎo)致相間短路或?qū)Φ囟搪返群蠊?/p>

當(dāng)繞組短路故障時，直流母線電流波形發(fā)生變化，經(jīng)快速傅立葉變換FFT分析表現(xiàn)出不同的頻譜，如圖2（b）所示。

電機繞組任一相開路時，電機就不能旋轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為電機無法啟動。

2.2 三相逆變橋故障

三相逆變橋的基本原理是由六個功率開關(guān)器件組成三相橋結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其故障主要是開關(guān)器件的短路故障和開路故障。

當(dāng)有開關(guān)器件發(fā)生短路故障時，三相逆變橋中的保護(hù)電路會立即作用，封鎖控制信號，整個電路停止工作。

當(dāng)有開關(guān)器件發(fā)生開路故障時，電機處于缺相狀態(tài)。直流母線電流波形如圖4所示，相較圖4（a）正常情況的電流波形，圖4（b）為一個開關(guān)器件開路時的電流波形。

2.3 控制電路故障

控制系統(tǒng)的控制電路采用DSP作為中央處理器。其故障包括軟件故障和硬件故障，軟件故障是在處理器處理指令與數(shù)據(jù)的過程中受到干擾，系統(tǒng)出現(xiàn)不可復(fù)現(xiàn)故障，離開干擾環(huán)境或重啟后恢復(fù)正常。與超大規(guī)模集成電路的可靠性相比，硬件故障一般容易出現(xiàn)在外圍接口電路上，包括與列控系統(tǒng)RS485通信總線的接口、與車門行程開關(guān)的接口和與三相逆變橋的接口等。故障時控制系統(tǒng)的狀態(tài)為：（1）當(dāng)控制電路與通信總線接口故障時，將無法接收集控指令或反饋狀態(tài)信號，控制系統(tǒng)處于失控狀態(tài)并在列控系統(tǒng)上報故；（2）當(dāng)控制電路與行程開關(guān)接口故障時，將無法反饋車門的開閉狀態(tài)，控制系統(tǒng)對列控系統(tǒng)報車門故障；（3）當(dāng)控制電路與三相逆變橋輸出接口故障時，三相逆變橋?qū)⒌玫藉e誤的輸入信號，進(jìn)而影響自身的輸出。當(dāng)某個控制信號故障后呈高電平輸出，則對應(yīng)的開關(guān)器件始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，在同橋臂另一開關(guān)器件正常的情況下形成三相逆變橋短路故障；當(dāng)某個控制信號故障后呈低電平輸出，則對應(yīng)的開關(guān)器件始終截止，形成三相逆變橋的缺相故障。

3 控制系統(tǒng)的故障診斷

通過以上電動塞拉門控制系統(tǒng)組成的典型故障分析，可以站在系統(tǒng)級的層面從故障檢測與診斷的角度進(jìn)行故障分類并提出相應(yīng)的故障診斷方法。

3.1 故障現(xiàn)象的分類

控制系統(tǒng)各組成的故障可以分為三種類型：（1）由于部件故障導(dǎo)致控制系統(tǒng)完全不能工作，對應(yīng)車門不能打開或關(guān)閉，包括三相逆變橋兩個以上的開關(guān)器件開路故障和控制電路與列控系統(tǒng)通信總線接口故障等。此時控制系統(tǒng)不能控制電機運行，因此進(jìn)行故障檢測與診斷時需要外加測試激勵；（2）由于開關(guān)器件短路、控制電路與三相逆變橋輸出接口故障引起的逆變器短路。此時控制系統(tǒng)處于自我保護(hù)狀態(tài)，也表現(xiàn)為電機不能運行，同樣導(dǎo)致對應(yīng)車門不能打開或關(guān)閉，對其進(jìn)行故障檢測與診斷時需要外加測試激勵；（3）電機帶故障運行，可能導(dǎo)致車門的意外打開、運動超時和意外防夾等故障：包括單個開關(guān)器件開路、控制電路輸出信號低電平故障，電機軸承和繞組故障等。該類故障因為電動機能夠運行，因此能夠進(jìn)行在線故障檢測與診斷。

3.2 故障診斷方法

根據(jù)圖2至圖4所表現(xiàn)的直流母線電流頻譜分析，可以看出不同故障下各次諧波幅值各不相同，由此可以建立故障判據(jù)，作為系統(tǒng)級故障檢測規(guī)則。

對無刷直流電機的兩路直流母線電流分別進(jìn)行FFT變換，得到歸一化的幅值頻譜關(guān)系。其中直流分量、基波、四次諧波和六次諧波共同表征不同故障的特征，如表1所示：

在制定系統(tǒng)故障檢測判據(jù)時，首先根據(jù)其最顯著特征量和特征值設(shè)定閾值。當(dāng)不能區(qū)分故障模式時，再補充次顯著特征，并定義閾值，以此類推，最后達(dá)到區(qū)分各種故障狀態(tài)的目的。

4 結(jié)語

地鐵車輛的電動塞拉門控制系統(tǒng)是一個典型的機電一體化系統(tǒng)，雖然各組成部件故障模式多種多樣，但可以通過直流母線電流波形和頻譜實現(xiàn)相關(guān)故障檢測與診斷，可用于支持后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計改進(jìn)與更新。

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作者簡介：徐春華（1965-），女，山東青島人，中車青島四方機車車輛股份有限公司高級工程師，研究方向：軌道車輛RAMS。

（責(zé)任編輯：王 波）