機(jī)電系統(tǒng)控制信號異常的故障樹分析
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(yùn)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(yùn)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(yùn)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DC28V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(yùn)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=3.3V供電的情況下,其低電平電壓最大值為1.164V,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(qiáng)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(qiáng)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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