军用车辆电气系统典型故障诊断方法的研究

张思宁，　李　申，　王雪涛

(中国北方车辆研究所，北京　100072)



军用车辆电气系统典型故障诊断方法的研究

张思宁，李申，王雪涛

(中国北方车辆研究所，北京100072)

通过对电气系统常见的传感器类故障、电机类感性绕组的故障、输配电线路故障和数字控制部件故障的分析，提出了相应的基于恒流源的故障诊断方法、基于脉冲序列的故障诊断方法、基于状态信息(电压/电流等)的故障诊断方法和基于BIT的故障诊断方法.针对上述方法，采用Matlab软件进行了仿真，结果表明：提出的4种故障诊断方法能够对相应的典型故障进行合理有效的诊断，为应用新技术推进电气系统故障诊断技术研究提供了一种实现方法.

电气系统；传感器；电机；输配电线路；数字控制部件；故障诊断

随着电子技术的不断发展，大量先进的电气设备装备在车辆上，电气系统承担的任务越来越多.电气系统出现故障如果不能及时检测并排除，故障就有可能进一步扩大，致使上层系统的状态发生变化，造成功能失效，影响整车任务的执行，乃至危机车辆安全.

传统的故障诊断方法和技术手段已凸显落后、诊断能力有限和时效性差的缺点.根据相关统计，新型军用车辆电子电气设备的故障数量约占全车故障总数的30%，而用于故障测试和诊断的时间与维修总时间的百分比高达35%至50%.由此可见，准确、可靠、快速地对故障进行检测、隔离和排除，提高电气系统的故障诊断能力，减少车辆的故障维修时间，已成为保证车辆作战效能的重要因素.

1　电气系统常见故障分析

为了进行电气系统的故障分析， 对多台样本的故障开展了收集工作，并进行了详细的统计分类.根据统计分析结果可知，发生频率和次数较多的故障主要集中在3个方面，分别是：线路的断路或短路故障、电机类耗电装置故障和数字控制部件故障.下面将从这3个方面对其故障的产生机理进行分析，并针对不同种类的故障，提出相应的故障诊断解决办法.

1.1线路的断路或短路故障

在电气系统的故障统计中，线路故障占有相当大的比重，可分为供电线路故障和信号线路故障，主要表现形式为线路的断路和短路.其中供电线路故障是由耗电装置不能工作和配电保护开关动作等故障造成的；信号线路故障包括传感器信号线路故障和各种控制装置的信号检测回路故障，该类故障将会导致仪表和电气子系统状态指示等装置不能工作或不能正常工作，如水温表固定指示中间位置，灭火瓶状态指示灯指示不正确.

在车辆配电系统设计中，可采用电子功率开关代替系统中大量使用的热保护开关.电子功率开关除能够实现传统的开关控制及过流保护功能外，还具有能实时监测控制线路电压、电流等参数的功能.因此，可通过判断电子开关状态及线路电流、电压等信息准确诊断并定位供电线路故障.对于传感器信号线路故障和各种控制装置的信号检测回路故障，可采用恒流小电流检测方法进行故障诊断.

1.2耗电装置故障

电气系统中耗电装置主要为感性负载(各种功能的执行电机)，如乘员风扇和雨刷电机、机油润滑泵及加温锅电机,等等.这些感性负载中存在较多直流并励电机，故障形式主要有负载回路的短路、断路和回路参数畸变.

该类故障虽然出现频率相对较低，但是对整个车辆电气系统的影响很大，而且具有故障产生速度快，征兆信息较难捕捉等特点.电机的故障诊断方法有很多种：基于参考模型的残差诊断法，基于神经网络的状态观测器故障诊断法和FFT频谱分析方法等多种方法.针对电气系统耗电装置感性负载的故障特点，可采用基于脉冲序列的故障诊断方法.

1.3数字控制部件故障

数字控制部件的故障主要是指电气系统中各种控制盒内部电路的故障，故障外部的表现方式为控制系统不能工作或输出控制信号错误，如转向灯控制盒内部电路故障导致转向灯工作不正常，防护系统中各控制盒输出控制信号错误.

控制系统故障诊断对象主要是控制盒内部数字电路的故障.目前在航空和军用装备领域，应用较多的方法主要包括余度BIT和回绕BIT设计方法.余度BIT的方法是指系统通过传感器和信号通道电路的冗余设计实现系统故障自诊断，由于车辆的内部空间有限以及较高的研发成本，使该方法在车辆的设计应用中受到限制.回绕BIT的方法是通过系统闭环硬件电路设计，由CPU实现诊断对象模块的测试输入和响应输出之间的比较分析，完成系统硬件模块或分系统的功能测试及故障诊断，是以微处理器为基础的一种标准BIT设计方法 .

2　电气系统典型故障的诊断方法

通过对电气系统常见故障的分析，确定电气系统的典型故障为：电爆管和传感器等小电阻类故障、电机类感性绕组的故障、输配电线路故障和数字控制部件故障.下面针对典型故障提出了相应的诊断方法.

2.1基于恒流源的故障诊断方法

基于恒流源小电流的回路故障诊断检测方法，适用于电气系统中小电阻阻性负载、电爆管和传感器等阻性器件，可用于实现对待测器件及回路的短路、断路和漏电流故障的有效诊断，故障检测的原理图如图1所示.

图1　基于恒流源小电流回路检测原理图

具体实现方案为：在不使待测器件进入工作状态或损害器件的前提下，经检测使能信号控制，恒流源所产生的恒定小电流If经检测电阻Ra、待测器件、检测电阻Rb和车体地形成检测回路.通过采样并判断采样电阻Ra和Rb的两端电压Ua、Ub，得到待测器件故障状态的诊断结果.

基于小电流的回路故障检测方法具体诊断步骤为：

1)调节可调电阻Ra和Rb，使Ra=Rb；

2)输出检测使能信号，系统进入故障检测状态；

3)对Ra、Rb两端电压Ua和Ub进行采样；

4)判断诊断对象的故障状态为下列哪一种状态：

(1)正常状态.流经Ra和Rb的电流Ia=Ib=If，则Ua=Ub=RaIf.

(2)断路状态.流经Ra和Rb的电流Ia=Ib=0，则Ua=Ub=0.

(3)短路状态.流经Ra和Rb的电流Ia=If,Ib=0，则Ua=RaIf,Ub=0.

(4)漏电状态.流经Ra和Rb的电流Ia=If≠Ib≠0，则Ua=RaIf≠Ub≠0.

2.2基于脉冲序列的故障诊断方法

基于脉冲序列的故障诊断方法适用于对发电机励磁回路、继电器线包及电机等感性负载的短路、断路及回路参数畸变等故障的检测及定位.下面以电气系统中存在较多的直流并励电机为研究对象，进行基于脉冲序列故障诊断方法的分析.

如图2所示，在脉冲检测信号控制下，向待测电机的电枢和励磁回路通入脉冲电压信号，电阻RT用于限制检测回路电流，使待测电机不进入工作状态.通过改变脉冲信号的频率ω，并测量RT两端电压UT，可实现电机励磁及电枢回路故障状态的有效诊断.

图2　电机类负载内部回路状态检测图

其故障诊断原理为：

设加在待测绕组两端的脉冲检测电压信号频率为ω，其基波分量可表示为：

UT=Acosωt.

(1)

式中: A为基波交流信号的幅值.

如图2所示，电枢回路的电阻Ra≈0，计算中可忽略不计；电枢绕组的电感为La；Rf和Lf分别为励磁绕组回路的电阻和电感值.检测信号为ω时，电枢及励磁回路的电抗可表示为：

(2)

1)正常状态.

当待测电机状态正常时，通入检测信号UT=Acosωt，则限流电阻RT两端电压为：

(3)

式中的参数A、RT均为已知量.UT的幅值AT可表示为.

则

(4)

设

(5)

则式(4)可变为：

(6)

2)故障状态1.

当电枢或励磁回路发生短路故障，绕组合成电抗Z=0，此时限流电阻RT两端电压

UT=Us=Acosωt.

(7)

3)故障状态2.

当电枢回路发生断路故障，绕组合成电抗Z=Zf=Ra+Lfωj.此时，限流电阻RT两端电压

(8)

4)故障状态3.

当励磁回路发生断路故障，绕组合成电抗Z=Za=Laωj.此时，限流电阻RT两端电压

(9)

5)故障状态4.

电机回路的参数故障是指电机内部励磁及电枢绕组的La、Lf和Rf等参数偏离正常范围，出现较大偏移.

电机回路参数故障的诊断通过故障种类排除法实现，诊断步骤为：首先判断电机回路状态是否正常；如果处于故障状态，结合式(7)、式(8)、式(9)，判断是否属于前3种故障种类.在排除属于前3种故障种类条件下，电机回路处于参数故障状态.故障的具体定位需采用正常状态部分所介绍参数测试及计算方法进行判定.

2.3基于状态信息(电压/电流等)的故障诊断

输配电线路的断路、短路或接触不良故障是输配电系统的主要故障之一.针对该类故障，提出基于开关状态、支路电流、电压信息的故障诊断方法.该诊断方法原理及实现如下：

1)短路故障的判断.

当某支路输配电线路出现短路故障时，接通电路开关瞬间会发生过流现象，采集该过流信息并进行断路故障阀值判断，可实现短路故障的诊断.

2)断路和接触不良故障的判断.

当某支路输配电线路存在断路或接触不良故障时，接通电路开关，负载工作电流为零(断路)或明显小于额定值(接触不良).结合开关状态，判断当前负载电流特征，实现该类故障判定.

2.4基于BIT的故障诊断方法

在电气系统控制部件中，开关量输入及输出硬件电路应用最为广泛，所以针对该类电路进行分析，提出诊断方法.

2.4.1开关量输入电路的BIT诊断

开关量输入处理硬件模块BIT设计通常采用附加激励产生电路，通过判断检测激励信号下输入模块响应，来检测当前电路状态.图3为火警信号检测电路的BIT设计.

图3　开关量输入检测电路诊断电路图

BIT诊断电路工作原理为：由控制器发送测试信号，经过三极管、光耦等器件，给定火警检测电路 “虚拟”火警激励信号，检测火警检测电路的输出，即可实现电路当前故障状态的判断.

2.4.2开关量输出驱动电路的BIT诊断

开关量输出驱动电路的BIT设计通常采用硬件回绕方法，通过CPU产生驱动电路的激励系统，再检测电路测试响应，比较激励和响应之间关系便可得出故障结果.图4为PWM驱动单元核心器件的BIT测试电路.

图4　开关量输出驱动电路Mosfet测试电路图

基本工作原理为：CPU上电执行初始化任务后，由PWM信号输出端口输出低电平信号，经驱动电路使Mosfet导通.如Mosfet状态正常，其导通压降很小，流过检测回路中光耦器件原边电流很小，光耦器件不能导通，输出高电平检测信号；如Mosfet发生断路故障，励磁电压直接加在光耦器件原边，光耦器件导通，输出低电平检测信号.DSP通过判断检测信号电平状态即可实现器件断路故障诊断.短路故障诊断与上述过程相似(PWM信号输出端口输出高电平信号).

3　典型故障的仿真实现

3.1基于恒流源的故障诊断仿真

某传感器故障检测仿真电路如图5所示.

图5　某传感器故障检测仿真电路

设定测试电流Id分别为20 mA、40 mA 、60 mA 、80 mA 、100 mA，设定Ra=Rb=50 Ω，采用变Id条件下测量多组Ua、Ub的方式，仿真结果如下：

正常状态：流经Ra和Rb的电流Ia=Ib=If，改变测试电流，仿真结果Ua=Ub=RaIf.

断路状态：流经Ra和Rb的电流Ia=Ib=0，改变测试电流，仿真结果Ua=Ub=0.

短路状态：流经Ra和Rb的电流Ia=If,Ib=0，改变测试电流，仿真结果Ua=RaIt,Ub=0.

漏电状态：流经Ra和Rb的电流Ia=If≠Ib≠0，改变测试电流，仿真结果Ua=RaIt≠Ub≠0.

仿真结果表明，通过判断采样电阻Ra和Rb的两端电压Ua、Ub，就能够正确判断出诊断对象的故障状态.

3.2基于脉冲序列的故障诊断仿真

电机类负载线路故障检测仿真电路如图6所示.

图6　电机类负载线路故障检测电路仿真

设定加在待测绕组两端的脉冲检测电压信号频率ω分别为20 kHz、30 kHz，其基波分量可表示为：UT=Acosωt，A为基波交流信号的幅值，设定A=100 V，电枢绕组的电感La=1.5 mF，励磁绕组回路的电阻和电感值分别为Rf=10 Ω、Lf=1 mF，限流电阻RT=50 Ω.在两组不同的角频率下进行故障诊断.设置电枢或励磁回路短路、电枢回路断路、励磁回路断路等不同的故障状态， RT两端电压UT均与2.2节诊断方法中的式(7)、式(8)、式(9)的结果一致，能够判断出电机励磁及电枢回路不同的故障状态，从而实现电机类负载线路故障的有效诊断.

3.3基于BIT的故障诊断仿真

3.3.1开关量输入电路的BIT诊断

开关量输入故障检测仿真电路如图7所示.

图7　开关信号故障检测仿真电路

仿真中给定电源电压为直流+28 V，利用大电阻Rtest对Mosfet两端电压进行测试.当Mosfet正常工作时，Mosfet导通，Mosfet两端压降为0；当Mosfet故障出现断路的情况，其两端压降为28 V.仿真结果表明，通过Mosfet两端电压可以判断其故障状态，实现开关量输入电路的故障诊断.

3.3.2开关量输出驱动电路的BIT诊断

开关量输出驱动故障检测仿真电路如图8所示.

图8　开关量驱动电路故障检测仿真电路

利用大电阻Rtest检测引爆管两侧的电压跳变情况.当Mosfet正常工作时，引爆管两侧电压会发生由低到高的跳变；当Mosfet发生故障时，引爆管两侧电压不会发生变化，一直为低.仿真结果表明，通过Mosfet两端电压可以判断其故障状态，实现开关量输出驱动电路的故障诊断.

4　结论和建议

在电气系统故障数据统计的基础上，找出发生次数和频率较高的4类常见典型故障.针对典型故障提出了基于恒流源的故障诊断方法、基于脉冲序列的故障诊断方法、基于状态信息(电压/电流等)的故障诊断方法和基于BIT的故障诊断方法，并进行了仿真.结果表明，提出的4种故障诊断方法能够对相应的典型故障进行合理有效的诊断，为应用新技术推进电气系统故障诊断技术研究提供了一种实现方法.

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Research on Diagnosis Method of the Military VehicleElectricity System Typical Fault

ZHANG Si-ning，LI Shen，WANG Xue-tao

(China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072,China)

Through the analysis of the common electrical system faults imcluding sensor fault, motor perceptual winding fault, power transmission and distribution line fault and digital control unit, a series of fault diagnosis methods was proposed based on the constant current， the pulse sequence, the state information and the BIT in this paper. To evaluate these methods,the Matlab software is employed to simualte the diagnose， the results show that the proposed four kinds of fault diagnosis methods are able to produce reasonable and effective to the corresponding typical fault diagnosis, wahic demonstrates a novel applicable method for the application in fault diagnosis of the electrical system.

electricity system；sensor；motor；transmission and distribution line fault；the numeral controls parts；fault diagnosis

1009-4687(2016)03-0037-07

2015-12-09；修回稿日期：2016-06-30.

张思宁(1979-)，女,副研究员，研究方向为电气总体技术.

TJ81+0.36；TP391.77

A