基于Pspice仿真的某型裝備電路故障診斷方法

吳付栓 舒暢 陳遠江

（武漢軍械士官學校，武漢 430075）

1 引 言

隨著裝備電子線路日趨復雜，電路測試和診斷在整個裝備維修保障過程中所占的比例急劇增加，最好的解決辦法是在產(chǎn)品設計階段就考慮其一旦發(fā)生故障，應如何測試和診斷。利用計算機輔助分析技術可以對硬件的結構和工作方式進行重構，大大節(jié)約資金和時間，為問題的解決提供了有效途徑，Pspice仿真軟件是實現(xiàn)這一目標的有力工具。故障字典分析診斷法是目前最具實用價值的電路故障診斷方法[1-2]，以往利用故障字典診斷法研究故障診斷，大多只是針對單純的模擬電路或數(shù)字電路，隨著電子技術發(fā)展的日新月異，大量涌現(xiàn)的電子線路多數(shù)是數(shù)?；旌想娐?。因此，尋求混合電路故障診斷的實用方法更加重要，本文將故障字典診斷法的具體實現(xiàn)進行了擴展，采用混合編碼方式，并借助Pspice仿真軟件進行了混合電路故障診斷方法研究，同時設計虛擬測試設備實現(xiàn)混合電路的測試與診斷。

2 原理與實現(xiàn)方法

利用Pspice仿真軟件研究混合電路故障診斷的實用方法PspiceAPD是一個通用的芯片級電路仿真分析程序，它可以對數(shù)字電路、模擬電路及混合電路進行仿真[1,3]，利用PspiceAPD來研究混合電路故障診斷問題主要涉及以下幾個方面。

2.1 建立仿真模型

Pspice的配套軟件 Capture是一個功能強大的電路原理圖設計軟件，它能夠采用人機交互圖形編輯方式繪制電路原理圖。當Pspice自帶模型庫中定義的器件模型難以滿足需要時，還可以自行建模。

2.2 選擇故障模式并注入

理論上可以分析電路中所有的故障模式，但工程上卻難以實現(xiàn)，一般是結合具體電路利用故障模式影響及危害性分析(FMECA)來確定發(fā)生故障概率較高、對系統(tǒng)危害程度較大的故障模式，將具有這種影響的故障模式構成該電路的故障模式集，將故障模式集中的故障注入到仿真模型中即達到故障注入的目的[4]，這可通過修改程序或直接修改仿真模型來實現(xiàn)。

2.3 選測試點采集數(shù)據(jù)

測試點實際上就是提取電路信息的觀測點[5]。測試點數(shù)量的多少要視具體情況而定，一般只要將測試點分布在故障多發(fā)部位，并通過計算適當調整測試點的數(shù)量和位置就可以最終確定?？紤]到故障隔離，初選測試點一般應與故障模式數(shù)量相當，而對于無法提供故障診斷信息的測試點應隨時取消，并適當增加有用測試點。

2.4 進行仿真故障診斷

Probe模塊是 Pspice的輸出圖形處理軟件包，利用Probe模塊可以得到電路中任何節(jié)點電壓和支路電流的信息。Pspice完成電路仿真后可以調用Probe模塊，觀察仿真結果，檢查電路的邏輯是否正確，通過分析電路的各種輸出特性波形和數(shù)據(jù)來判斷電路的故障狀態(tài)，并結合數(shù)?；旌想娐返墓收显\斷方法來隔離故障。若對仿真結果波形進行再加工還可以提取更多的信息。

故障仿真的目的是通過仿真提取系統(tǒng)在各種故障狀態(tài)下的響應特征，用于在實際診斷時與實測的特征響應相比較，最終確定故障狀態(tài)。電子線路故障診斷的實用方法是故障字典法，它本質上是一種經(jīng)驗性的診斷方法，比較適合于作系統(tǒng)硬故障診斷，在實際的電路中硬故障約占電路故障的80%，所以采用故障字典法有實際意義[6～7]，利用故障字典法做故障診斷的關鍵是建立故障字典。

3 仿真實例分析

下面以某型裝備的電源板控制電路為例，討論如何借助Pspice仿真軟件研究混合電路故障診斷方法。由于多故障組合狀態(tài)的數(shù)量過大，發(fā)生的概率較低，且一些多故障往往又是相互聯(lián)系的，有時可以當作單故障處理，因此本文只討論單故障的情況。

3.1 建立仿真模型

該電源板控制電路主要由直流電源、脈寬調制器、后程處理轉換器、保護電路及監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成。電路的輸入是+12 V的直流電源，輸出是一組+60 V、+6 V、+5 V、-2.7 V和-10 V恒定電壓，是一個數(shù)模混合電路。在電源板控制電路中，圍繞著脈寬調制器（PWM）建立起來的直流/直流轉換器接受+12 V主電源電壓，再把它轉換為+60 V、+5 V、-2.7 V和-10V的恒定電壓。此轉換器工作在 100 kHz。一個同步電路通過 25 kHz的參考頻率鎖定此轉換器開關頻率。脈寬調制器用一個穩(wěn)定的內(nèi)部參考電壓做比較而監(jiān)控+5 V的輸出電壓，并產(chǎn)生可控制寬度的脈沖。為維持所要求的輸出電壓穩(wěn)定，靠PWM內(nèi)部電路的作用，脈沖寬度是可變的。

后程處理轉換器包括一個開關進程。此開關進程由PWM提供的脈沖驅動，而它本身又驅動一個變壓器。隨著變壓器次級線圈不同，不同的電壓被整流和濾波。輸出電壓都是按比例均衡的，所以為了確保其它輸出電壓在容許限度內(nèi)，僅監(jiān)視一個輸出電壓就是足夠了。被監(jiān)視的電壓是+5 V的輸出電壓：當它的電壓升高，PWM 減少開關進程的導電時間，以便維持+5 V輸出電壓在期望值內(nèi)，反之亦然。

3.2 建立故障字典

假設經(jīng)過FMECA確定需要關注以下6種故障：(1)電容C3短路；(2)整流二極管D1短路；(3)電容C4短路；(4)電阻R1開路；(5)電阻R1短路；(6)三極管D1開路。6種故障分別用 F1～F6表示，電路正常時用 F0表示。下面通過選擇測試點、注入故障來建立該混合電路的故障字典。該電路有十多個節(jié)點，既有模擬量又有數(shù)字量，根據(jù)前面選擇測試點的原則暫選4個測試點，測試點電壓分別用+60 V、+5 V、-2.7 V和-10 V表示。首先利用Pspice仿真，分別求出上述各種狀態(tài)下的電壓波形和相應模擬量的有效值，根據(jù)狀態(tài)仿真結果，將測試點的有效值(此時基本為常值)及測試點在此刻的數(shù)字量值記錄下來。

4 電路故障診斷的實現(xiàn)

下面建立一個虛擬的診斷設備，對上述數(shù)?；旌想娐穼嵗M行故障診斷。為方便診斷，需要建立一個靈活的人機交互測試程序框架。測試框架中的元素，包括操作員界面、執(zhí)行模塊、數(shù)據(jù)庫記錄、數(shù)據(jù)和測試過程傳遞，測試數(shù)據(jù)轉換、電路狀態(tài)對照、顯示結果、生成測試報告等。測試框架建立在Win2000的操作系統(tǒng)下，采用VB語言完成測試界面的友好交互，利用 Access數(shù)據(jù)庫對在仿真過程中產(chǎn)生的故障字典數(shù)據(jù)信息進行統(tǒng)一管理，其它程序可以從中調用這些數(shù)據(jù)。

4.1 測試與診斷實現(xiàn)的基礎數(shù)據(jù)

首先將經(jīng)仿真分析得到的故障字典存入Access2000數(shù)據(jù)庫中，建立一張數(shù)據(jù)庫表來存儲故障字典。

4.2 測試主界面功能

圖1是測試的主控界面，分三個功能區(qū)。電原理圖瀏覽區(qū)：用戶可以察看利用Pspice仿真軟件得到的被測電路原理圖，瀏覽被測電路的功能特點，為測前準備提供幫助；實物瀏覽區(qū)：對照電原理圖顯示實物。輸出測試點波形區(qū)，根據(jù)數(shù)據(jù)采集結果記錄、存儲各測試采集的數(shù)據(jù)、測試數(shù)據(jù)轉換和顯示結果等子功能組成；菜單和按鈕區(qū)：包括幫助系統(tǒng)、輸出測試報告和退出功能。其中，輸出測試報告是對測試過程有用信息的匯總，包括測試的時間值、各測試點的測試值、電路狀態(tài)描述等信息。

圖1 電路仿真測試的主控界面

4.3 實現(xiàn)測試

對于數(shù)?；旌想娐?，電路中各測試信息既有模擬量又有數(shù)字量，因此需要通過不同的接口采集測試點信息。從測試點采集的數(shù)據(jù)是數(shù)字量0或 1，將實測值保存。從模擬量測試點采集的原始數(shù)據(jù)，需經(jīng)過轉換處理得到相應的整數(shù)碼，將它與前期保存的測試點的實測值組合構成測試碼，轉換后的測試碼用數(shù)組方式存儲，與故障字典表中的信息進行比較，并顯示相應的診斷結果。如果電路故障模式得不到確定，則會給測試人員提示信息，在這種情況下，需要再次啟動測前的數(shù)據(jù)準備工作，來補充故障字典中的故障模式信息。在測試工作過程中，為提高準確率，往往需要進行多次重復測試，每個采集時刻都只對應一個故障信息表，且表的結構保持一致，可采用上述實例中提供的方法來增加其它時刻對應的故障信息表，從而使故障信息庫得到完善。

5 結束語

本文結合實例針對數(shù)?；旌想娐返墓收蠝y試與診斷進行了深入研究，得出以下結論：

(1)利用 Pspice仿真在電路設計階段就可以隨時注入故障，無硬件損傷，保證了電路故障分析試驗的安全可靠。

(2)在數(shù)?；旌想娐分校鳒y試點的測試值既有模擬量也有數(shù)字量，由于模擬量在測量上存在一定誤差，所轉換的測試碼可能會出現(xiàn)一定偏差，而數(shù)字量的值不是1就是0，因此，應盡可能選擇數(shù)字量測試點，這會使診斷更加準確。

(3)結合具體電路實現(xiàn)的虛擬測試能夠對可能的測試結果進行預測，發(fā)現(xiàn)測試過程中潛在的可能出現(xiàn)的各種中間和意外結果，同時可以實現(xiàn)對測試環(huán)境的縮放、剖析及測試過程的回溯，更好地了解故障診斷過程。

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