机电系统控制信号异常的故障树分析

0引言

机电产品X的功能是在单方向上进行直线运动,往往在其结构上挂载负载实现特定的功能,机电产品X的核心是电机控制,由于本文探讨的重心与电机控制异常有关,而非执行件的具体执行方式,因而后文所述电机可直接代指机械结构的执行件。所研制的机电产品X在调试试验阶段,发现电机出现异常工作状态,具体表现为在没有外部控制信号下,电机会出现自行转动的现象,且现象出现的频次呈现出无规律性,有时候短时间出现多次,有时候很长时间仅出现一次。由于该故障会造成潜在的较大经济损失以及安全事故,因而需对故障进行准确定位及原因分析,并进行机理分析。在对故障进行排查时,在方法论上,工程应用中绝大多数的学者几乎均采用故障树分析法^[1—4]。郭靖等人在液压锚绞机的调试阶段运用故障树分析法对液压锚绞机的液压系统进行故障分析^[5],在升降装置类故障分析中^[6—9],张书轩对升降机通过设计试验方案、试验装置,对升降机相关性能进行了研究,给本文研究提供一定的思路^[10]。

结合上述研究,本文运用故障树分析法,对故障进行分析排查^[11—13]。从问题的出现,分析定位产生的故障原因,依据故障树模型,结合系统控制框图,抽丝剥茧,层层分析,分析到质量问题发生的准确定位,在保证技术标准要求之下^[14—15],提升了机电产品X机电系统的可靠性,同时又为后续研究者提供了关于电机控制异常的潜在解决方案。

1故障定位及原因分析

为了故障定位及原因分析,搭建了试验平台,如图1所示,该平台包含了直流电源、控制板、位置传感器、手柄和电机,被装配于一个特制腔体内部。其控制板程序主要控制流程如图2所示。

根据现场试验人员的描述情况及电机转动的控制逻辑、流程,建立故障树,如图3所示。

各节点定义如下:

1)X1:被其他信号干扰,误判为正转;

2)X2:控制板手柄接口接收到正转指令;3)X3:控制芯片收到正转指令。

初步分析,故障原因可能是机电系统被干扰,机电系统接收到或其控制芯片接收到异常的正转转动信号,导致电机顺时针转动。

X1:问题发生时,控制板的电源接口连接了电源电缆,并接通了外部电源;控制接口未连接手柄,并盖有防尘盖。该机电系统为纯有源电气设备,没有无线接收器件,因此其他信号的干扰只能通过电源接口进入。该机电系统的控制板电源部分具备完整的DC/DC转换和滤波防护功能,外部DC28V需经过滤波器,采用开关稳压器实现DC28 V转DC12 V、 DC12 V转DC5 V,电压调节器实现DC5 V转3.3 V后才会接入控制芯片。该型机电系统已运用于多个产品,且通过了电磁兼容测试,对辐射干扰和传导干扰不敏感,故可排除X1被其他信号干扰的可能性。

X2:问题发生时,未连接控制手柄,无控制指令发出;其控制接口的各插孔间无金属异物、无积水,且有防尘盖保护,故可排除X2接收到来自手柄的正转指令的可能性。

X3:控制板兼容TTL电平控制和RS485串 口控制,既可通过改变控制接口引脚1或B的电平状态控制电机转动,也可通过RS485串口发送控制指令控制电机转动。RS485串口为数字接口,自行启动电机转动的概率几乎为零,由此可判断,控制板的TTL电平控制电路部分出现信号异常,导致控制芯片判断为“正转”信号,从而驱动电机转动。

综上所述,该故障定位于X3控制芯片收到正转指令。

正转控制部分的原理图如图4所示。

定位的具体过程如下:

TTL电平控制时的工作流程如下:当外部手柄“正转键”被按下时,手柄控制接口对应的引脚与 GND接通,接口板上的光耦V₁₃导通,连接控制芯片的 UP网络由高电平变为低电平,此时控制芯片检测到正转信号,控制电机顺时针转动(正转)。

1)试验平台仅仅接通电源,控制口未接入任何手柄,可判断无外部指令输入,不能控制电机正反转。

2)现场检查手柄控制接口各引脚间无金属异物、无积水,可判断控制接口的引脚(正转)或引脚(反转)不会与引脚(GND)接通,不能控制电机正转或反转。

3)控制接口的引脚间是塑料绝缘材料,若其内部有裂缝存在积水的情况可能会造成引脚(正转)或引脚(反转)与引脚(GND)导通,可能会导致电机自动正转或反转。为此,项目组采用同一状态的产品进行了模拟测试。首先,使用万用表的欧姆挡测得自来水的阻值为34.1 kΩ;其次,将手柄控制接口注满自来水,接通电源,未发现电机出现异常工作状态。

4)拆开腔体,常温情况下通电12 h,未发现类似问题。

5)根据问题出现时试验环境条件,项目组将腔体放入高低温试验箱进行温度循环试验。在50℃的环境条件下存储8 h后,测试人员发现电机在未连接手柄的情况下出现顺时针转动(正转),故障复现。断电,间隔几秒后再重新接通电源,问题依然存在,但转动持续时间从几秒至几十分钟不等。

6)拆开腔体,取下控制板,发现腔体内表面有水渍。

7)进一步检查发现,正转控制部分电路的光耦输入端器件R₂₃为焊接,此时,即使控制接口的引脚(正转)或引脚(反转)与引脚(GND)导通,光耦V₁₃也不会导通,由此可判断即使外部接口的电平变化不会导致电机转动,可将问题定位至光耦V₁₃ 的输出端。

8)接通电源,用数字万用表测得光耦V₁₃输出端第4脚(正转)对地的电压为1.26 V;处于单片机低电平检测电压的临界区(1.2 V)附近,可能会导致电机转动。正常情况下电压的理论值应为3.25 V左右。

9)将腔体的各组成部分在常温状态下恢复8 h,测得光耦V₁₃输出端第4脚(正转)对地的电压仍然仅有1.57 V,达不到正常电平电压。

10)综合8)、9)的测试结果,可确定电机异常转动是光耦V₁₃输出端异常导致。

11)测试人员将腔体的各组成部分放入高温试验箱,烘干后用300℃的热风枪取下光耦V₁₃,通电测量得到光耦V₁₃输出端的电压为3.27 V(测量部位为光耦输出端的焊盘),然后再将其重新焊接到控制板上,通电测量得到光耦V₁₃输出端的电压为3.27 V;与正常状态一致,问题消失。此外,为举一反三检查,同步放入了其余产品的腔体,通电测试,未出现类似现象。由此,可判断该异常现象是光耦V₁₃输出端引脚积水造成短路引起。

12)为进一步确定问题原因,测试人员将光耦V₁₃的输出端滴上自来水,模拟积水的现象,通电测量光耦V₁₃ 的输出电压为1.45 V,与8)测试结果基本一致,可导致电机异常转动。

13)测试人员将光耦重新涂覆三防漆,再重新做滴水试验,通电测试,其光耦输出端电压为3.25 V;也未出现电机异常转动的情况。

14)腔体的内部积水在高温环境下,蒸馏后在电路板表面沉积,导致控制板上控制正转的光耦输出端电平被拉低,电压异常,控制板检测到“TTL电平控制电路低电平”即“正转”的误动作信号,引起电机异常转动,引发故障。

15)进一步检查腔体各密封部位,未发现由防水圈漏装、损坏的情况;再次进行腔体的密封性测试,发现功能控制模块上的工艺孔有少量气泡冒出,由此,可确定该工艺孔与腔体内部贯通。

16)检查设计文件工艺孔为盲孔,检测同批次工件,功能控制模块的工艺孔被打穿,其余产品均满足设计要求。

17)工艺孔与腔体内部贯通,在长期的温度变化过程中,水汽被吸入却不能及时排出,导致腔体内部长期处于高温潮湿环境中。

18)电路板表面三防漆为人工涂覆,其光耦V13输出端漆层较薄,防护能力较弱,经反复温湿变化,漆层失去防护能力,内部积水蒸馏后在光耦V13输出端凝结为水,导致光耦输出端电压被拉低,控制板检测到“正转”的信号,引起电机异常转动故障。

2机理分析

查阅设计文件,当手柄正转被按下时,控制板引脚(UP—KEY)与电源地存在电流回路,电流逐渐增大后,光耦V13的输入端导通,输出端(UP)输出低电平信号,使控制板具有正转控制电平信号输出,芯片接收到正转的控制电平信号,控制电机顺时针转动(正转)。正转控制电路原理图如图4所示。

查阅芯片数据手册,芯片IO电气参数如表1所示,表中V_IL表示逻辑低电平,V_IH表示逻辑高电平, V_DD表示芯片电源端电压,IO FT表示芯片兼容5 V电压。在标准电源电压V_DD=3.3V供电的情况下,其低电平电压最大值为1.164V,高电平电压最小值为1.833 V。在光耦V₁₃输出端引脚积水情况下,光耦输出端电平电压处于低电平电压最大值1.164 V与高电平电压最小值1.833 V之间,处于一个未知状态,某时刻,当芯片检测到低电平信号时,控制电机转动。

3 结束语

根据电机异常自行转动故障现象,采用了下行法建立了故障树,根据故障树逐层查找分析,定位了故障原因,由于加工原因,腔体的工艺盲孔被打穿,水汽被吸入,造成腔体内部高温潮湿,在该环境下,光耦输出端电压被拉低,芯片检测到低电平信号时,引起电机异常工作,重复试验符合故障判定预期。经过此次研究,后续有三方面亟待改进:第一,加强制造过程的管理,避免质量问题发生,如工艺盲孔被打穿类似事件;第二,对腔体密封进行优化,避免水汽进入腔体内部引起设备工作异常,提升产品的可靠性;第三,加强控制板的表面三防漆处理,提升其防护能力,从而提升了机械系统整体的可靠性。

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2024年第14期第7篇