機(jī)電系統(tǒng)控制信號異常的故障樹分析

摘 要：機(jī)電產(chǎn)品X的功能是用于架設(shè)負(fù)載設(shè)備，其在長期加電過程中出現(xiàn)了異常工作狀態(tài)，該異常工作的狀態(tài)出現(xiàn)不具有規(guī)律性，呈現(xiàn)出偶然性。機(jī)電產(chǎn)品X偶然性觸發(fā)的異常工作狀態(tài)會造成機(jī)電產(chǎn)品X和負(fù)載設(shè)備的損壞，為此，基于故障樹分析的方法，分析了機(jī)電產(chǎn)品X異常工作狀態(tài)的成因，驗證了故障樹各節(jié)點是否存在故障情況。在正常環(huán)境、高溫潮濕環(huán)境循環(huán)重復(fù)試驗，結(jié)果表明故障成因是腔體工藝孔盲孔打通腔體內(nèi)壁，水汽被吸入機(jī)電產(chǎn)品X的腔體內(nèi)部，不能及時排出，導(dǎo)致腔體內(nèi)部長期處于高溫潮濕環(huán)境。在高溫潮濕環(huán)境下，光耦輸出端電平由于處于低電平電壓最大值1.164 V與高電平電壓最小值1.833 V之間，為芯片檢測的未知狀態(tài)，某時刻電壓處于低電平，光耦輸出端電壓被拉低，芯片檢測到低電平信號時，引起電機(jī)異常轉(zhuǎn)動。在高溫試驗箱烘干腔體各組成部分，用300 ℃的熱風(fēng)槍取下光耦通電，輸出3.27 V，表明光耦未損壞，再用熱風(fēng)槍將光耦焊接至控制板，輸出電壓正常，異常工作狀態(tài)不再出現(xiàn)，機(jī)電產(chǎn)品X工作正常。

關(guān)鍵詞：故障樹分析；機(jī)電系統(tǒng)；異常分析

中圖分類號：TP271+.4" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）14-0034-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.14.007

0" " 引言

機(jī)電產(chǎn)品X的功能是在單方向上進(jìn)行直線運動，往往在其結(jié)構(gòu)上掛載負(fù)載實現(xiàn)特定的功能，機(jī)電產(chǎn)品X的核心是電機(jī)控制，由于本文探討的重心與電機(jī)控制異常有關(guān)，而非執(zhí)行件的具體執(zhí)行方式，因而后文所述電機(jī)可直接代指機(jī)械結(jié)構(gòu)的執(zhí)行件。所研制的機(jī)電產(chǎn)品X在調(diào)試試驗階段，發(fā)現(xiàn)電機(jī)出現(xiàn)異常工作狀態(tài)，具體表現(xiàn)為在沒有外部控制信號下，電機(jī)會出現(xiàn)自行轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象，且現(xiàn)象出現(xiàn)的頻次呈現(xiàn)出無規(guī)律性，有時候短時間出現(xiàn)多次，有時候很長時間僅出現(xiàn)一次。由于該故障會造成潛在的較大經(jīng)濟(jì)損失以及安全事故，因而需對故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位及原因分析，并進(jìn)行機(jī)理分析。在對故障進(jìn)行排查時，在方法論上，工程應(yīng)用中絕大多數(shù)的學(xué)者幾乎均采用故障樹分析法[1-4]。郭靖等人在液壓錨絞機(jī)的調(diào)試階段運用故障樹分析法對液壓錨絞機(jī)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行故障分析[5]，在升降裝置類故障分析中[6-9]，張書軒對升降機(jī)通過設(shè)計試驗方案、試驗裝置，對升降機(jī)相關(guān)性能進(jìn)行了研究，給本文研究提供一定的思路[10]。

結(jié)合上述研究，本文運用故障樹分析法，對故障進(jìn)行分析排查[11-13]。從問題的出現(xiàn)，分析定位產(chǎn)生的故障原因，依據(jù)故障樹模型，結(jié)合系統(tǒng)控制框圖，抽絲剝繭，層層分析，分析到質(zhì)量問題發(fā)生的準(zhǔn)確定位，在保證技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求之下[14-15]，提升了機(jī)電產(chǎn)品X機(jī)電系統(tǒng)的可靠性，同時又為后續(xù)研究者提供了關(guān)于電機(jī)控制異常的潛在解決方案。

1" " 故障定位及原因分析

為了故障定位及原因分析，搭建了試驗平臺，如圖1所示，該平臺包含了直流電源、控制板、位置傳感器、手柄和電機(jī)，被裝配于一個特制腔體內(nèi)部。其控制板程序主要控制流程如圖2所示。

根據(jù)現(xiàn)場試驗人員的描述情況及電機(jī)轉(zhuǎn)動的控制邏輯、流程，建立故障樹，如圖3所示。

各節(jié)點定義如下：

1）X1：被其他信號干擾，誤判為正轉(zhuǎn)；

2）X2：控制板手柄接口接收到正轉(zhuǎn)指令；

3）X3：控制芯片收到正轉(zhuǎn)指令。

初步分析，故障原因可能是機(jī)電系統(tǒng)被干擾，機(jī)電系統(tǒng)接收到或其控制芯片接收到異常的正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動信號，導(dǎo)致電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動。

X1：問題發(fā)生時，控制板的電源接口連接了電源電纜，并接通了外部電源；控制接口未連接手柄，并蓋有防塵蓋。該機(jī)電系統(tǒng)為純有源電氣設(shè)備，沒有無線接收器件，因此其他信號的干擾只能通過電源接口進(jìn)入。該機(jī)電系統(tǒng)的控制板電源部分具備完整的DC/DC轉(zhuǎn)換和濾波防護(hù)功能，外部DC28 V需經(jīng)過濾波器，采用開關(guān)穩(wěn)壓器實現(xiàn)DC28 V轉(zhuǎn)DC12 V、DC12 V轉(zhuǎn)DC5 V，電壓調(diào)節(jié)器實現(xiàn)DC5 V轉(zhuǎn)3.3 V后才會接入控制芯片。該型機(jī)電系統(tǒng)已運用于多個產(chǎn)品，且通過了電磁兼容測試，對輻射干擾和傳導(dǎo)干擾不敏感，故可排除X1被其他信號干擾的可能性。

X2：問題發(fā)生時，未連接控制手柄，無控制指令發(fā)出；其控制接口的各插孔間無金屬異物、無積水，且有防塵蓋保護(hù)，故可排除X2接收到來自手柄的正轉(zhuǎn)指令的可能性。

X3：控制板兼容TTL電平控制和RS485串口控制，既可通過改變控制接口引腳1或B的電平狀態(tài)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，也可通過RS485串口發(fā)送控制指令控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。RS485串口為數(shù)字接口，自行啟動電機(jī)轉(zhuǎn)動的概率幾乎為零，由此可判斷，控制板的TTL電平控制電路部分出現(xiàn)信號異常，導(dǎo)致控制芯片判斷為“正轉(zhuǎn)”信號，從而驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。

綜上所述，該故障定位于X3控制芯片收到正轉(zhuǎn)指令。

正轉(zhuǎn)控制部分的原理圖如圖4所示。

定位的具體過程如下：

TTL電平控制時的工作流程如下：當(dāng)外部手柄“正轉(zhuǎn)鍵”被按下時，手柄控制接口對應(yīng)的引腳與GND接通，接口板上的光耦V13導(dǎo)通，連接控制芯片的UP網(wǎng)絡(luò)由高電平變?yōu)榈碗娖?，此時控制芯片檢測到正轉(zhuǎn)信號，控制電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動（正轉(zhuǎn)）。

1）試驗平臺僅僅接通電源，控制口未接入任何手柄，可判斷無外部指令輸入，不能控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

2）現(xiàn)場檢查手柄控制接口各引腳間無金屬異物、無積水，可判斷控制接口的引腳（正轉(zhuǎn)）或引腳（反轉(zhuǎn)）不會與引腳（GND）接通，不能控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

3）控制接口的引腳間是塑料絕緣材料，若其內(nèi)部有裂縫存在積水的情況可能會造成引腳（正轉(zhuǎn)）或引腳（反轉(zhuǎn)）與引腳（GND）導(dǎo)通，可能會導(dǎo)致電機(jī)自動正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。為此，項目組采用同一狀態(tài)的產(chǎn)品進(jìn)行了模擬測試。首先，使用萬用表的歐姆擋測得自來水的阻值為34.1 kΩ；其次，將手柄控制接口注滿自來水，接通電源，未發(fā)現(xiàn)電機(jī)出現(xiàn)異常工作狀態(tài)。

4）拆開腔體，常溫情況下通電12 h，未發(fā)現(xiàn)類似問題。

5）根據(jù)問題出現(xiàn)時試驗環(huán)境條件，項目組將腔體放入高低溫試驗箱進(jìn)行溫度循環(huán)試驗。在50 ℃的環(huán)境條件下存儲8 h后，測試人員發(fā)現(xiàn)電機(jī)在未連接手柄的情況下出現(xiàn)順時針轉(zhuǎn)動（正轉(zhuǎn)），故障復(fù)現(xiàn)。斷電，間隔幾秒后再重新接通電源，問題依然存在，但轉(zhuǎn)動持續(xù)時間從幾秒至幾十分鐘不等。

6）拆開腔體，取下控制板，發(fā)現(xiàn)腔體內(nèi)表面有水漬。

7）進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，正轉(zhuǎn)控制部分電路的光耦輸入端器件R23為焊接，此時，即使控制接口的引腳（正轉(zhuǎn)）或引腳（反轉(zhuǎn)）與引腳（GND）導(dǎo)通，光耦V13也不會導(dǎo)通，由此可判斷即使外部接口的電平變化不會導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)動，可將問題定位至光耦V13的輸出端。

8）接通電源，用數(shù)字萬用表測得光耦V13輸出端第4腳（正轉(zhuǎn)）對地的電壓為1.26 V；處于單片機(jī)低電平檢測電壓的臨界區(qū)（1.2 V）附近，可能會導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)動。正常情況下電壓的理論值應(yīng)為3.25 V左右。

9）將腔體的各組成部分在常溫狀態(tài)下恢復(fù)8 h，測得光耦V13輸出端第4腳（正轉(zhuǎn)）對地的電壓仍然僅有1.57 V，達(dá)不到正常電平電壓。

10）綜合8）、9）的測試結(jié)果，可確定電機(jī)異常轉(zhuǎn)動是光耦V13輸出端異常導(dǎo)致。

11）測試人員將腔體的各組成部分放入高溫試驗箱，烘干后用300 ℃的熱風(fēng)槍取下光耦V13，通電測量得到光耦V13輸出端的電壓為3.27 V（測量部位為光耦輸出端的焊盤），然后再將其重新焊接到控制板上，通電測量得到光耦V13輸出端的電壓為3.27 V；與正常狀態(tài)一致，問題消失。此外，為舉一反三檢查，同步放入了其余產(chǎn)品的腔體，通電測試，未出現(xiàn)類似現(xiàn)象。由此，可判斷該異?，F(xiàn)象是光耦V13輸出端引腳積水造成短路引起。

12）為進(jìn)一步確定問題原因，測試人員將光耦V13的輸出端滴上自來水，模擬積水的現(xiàn)象，通電測量光耦V13的輸出電壓為1.45 V，與8）測試結(jié)果基本一致，可導(dǎo)致電機(jī)異常轉(zhuǎn)動。

13）測試人員將光耦重新涂覆三防漆，再重新做滴水試驗，通電測試，其光耦輸出端電壓為3.25 V；也未出現(xiàn)電機(jī)異常轉(zhuǎn)動的情況。

14）腔體的內(nèi)部積水在高溫環(huán)境下，蒸餾后在電路板表面沉積，導(dǎo)致控制板上控制正轉(zhuǎn)的光耦輸出端電平被拉低，電壓異常，控制板檢測到“TTL電平控制電路低電平”即“正轉(zhuǎn)”的誤動作信號，引起電機(jī)異常轉(zhuǎn)動，引發(fā)故障。

15）進(jìn)一步檢查腔體各密封部位，未發(fā)現(xiàn)由防水圈漏裝、損壞的情況；再次進(jìn)行腔體的密封性測試，發(fā)現(xiàn)功能控制模塊上的工藝孔有少量氣泡冒出，由此，可確定該工藝孔與腔體內(nèi)部貫通。

16）檢查設(shè)計文件工藝孔為盲孔，檢測同批次工件，功能控制模塊的工藝孔被打穿，其余產(chǎn)品均滿足設(shè)計要求。

17）工藝孔與腔體內(nèi)部貫通，在長期的溫度變化過程中，水汽被吸入?yún)s不能及時排出，導(dǎo)致腔體內(nèi)部長期處于高溫潮濕環(huán)境中。

18）電路板表面三防漆為人工涂覆，其光耦V13輸出端漆層較薄，防護(hù)能力較弱，經(jīng)反復(fù)溫濕變化，漆層失去防護(hù)能力，內(nèi)部積水蒸餾后在光耦V13輸出端凝結(jié)為水，導(dǎo)致光耦輸出端電壓被拉低，控制板檢測到“正轉(zhuǎn)”的信號，引起電機(jī)異常轉(zhuǎn)動故障。

2" " 機(jī)理分析

查閱設(shè)計文件，當(dāng)手柄正轉(zhuǎn)被按下時，控制板引腳（UP_KEY）與電源地存在電流回路，電流逐漸增大后，光耦V13的輸入端導(dǎo)通，輸出端（UP）輸出低電平信號，使控制板具有正轉(zhuǎn)控制電平信號輸出，芯片接收到正轉(zhuǎn)的控制電平信號，控制電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動（正轉(zhuǎn)）。正轉(zhuǎn)控制電路原理圖如圖4所示。

查閱芯片數(shù)據(jù)手冊，芯片IO電氣參數(shù)如表1所示，表中VIL表示邏輯低電平，VIH表示邏輯高電平，VDD表示芯片電源端電壓，IO FT表示芯片兼容5 V電壓。在標(biāo)準(zhǔn)電源電壓VDD=3.3 V供電的情況下，其低電平電壓最大值為1.164 V，高電平電壓最小值為1.833 V。在光耦V13輸出端引腳積水情況下，光耦輸出端電平電壓處于低電平電壓最大值1.164 V與高電平電壓最小值1.833 V之間，處于一個未知狀態(tài)，某時刻，當(dāng)芯片檢測到低電平信號時，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。

3" " 結(jié)束語

根據(jù)電機(jī)異常自行轉(zhuǎn)動故障現(xiàn)象，采用了下行法建立了故障樹，根據(jù)故障樹逐層查找分析，定位了故障原因，由于加工原因，腔體的工藝盲孔被打穿，水汽被吸入，造成腔體內(nèi)部高溫潮濕，在該環(huán)境下，光耦輸出端電壓被拉低，芯片檢測到低電平信號時，引起電機(jī)異常工作，重復(fù)試驗符合故障判定預(yù)期。經(jīng)過此次研究，后續(xù)有三方面亟待改進(jìn)：第一，加強制造過程的管理，避免質(zhì)量問題發(fā)生，如工藝盲孔被打穿類似事件；第二，對腔體密封進(jìn)行優(yōu)化，避免水汽進(jìn)入腔體內(nèi)部引起設(shè)備工作異常，提升產(chǎn)品的可靠性；第三，加強控制板的表面三防漆處理，提升其防護(hù)能力，從而提升了機(jī)械系統(tǒng)整體的可靠性。

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收稿日期：2024-03-25

作者簡介：夏飛（1987—），男，重慶潼南人，工程師，研究方向：機(jī)電控制。

通信作者：周明（1995—），男，四川廣安人，工程師，研究方向：機(jī)械工程。