电动塞拉门控制系统故障分析与诊断方法研究

2017-03-24徐春华

中国高新技术企业 2017年1期

摘要：电动塞拉门是地铁车辆车门的主要形式之一，为达到地铁车辆高可靠性和安全性要求，需要对车门控制系统的主要故障进行分析，并进行设计改进。文章对基于控制电路驱动无刷直流电机的塞拉门控制系统组成的典型故障进行分析，并在此基础上提出了基于直流母线电流波形与频谱的故障检测与诊断方法。

关键词：电动塞拉门；控制系统；无刷直流电机；故障模式；诊断方法文献标识码：A

中图分类号：U270 文章编号：1009-2374（2017）01-0106-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.01.052

电动塞拉门是地铁车辆经常采用的一种车门形式，它采用无刷直流电机、控制电路和行程开关等部件构成闭环控制系统，控制门扇的打开和关闭。为满足地铁车辆高可靠性和安全性要求，需要对车门控制系统的主要功能及故障模式进行分析，查找故障原因，分析故障影响，提出合适的故障检测与诊断方法。本文在对塞拉门控制系统组成故障模式分析的基础上，提出采用直流母线电流波形和频谱检测的方法进行故障诊断的方法。

1 系统功能原理及主要故障模式

1.1 车门系统主要功能及故障模式

根据使用场景和使用主体的不同，地铁车辆对车门系统的功能需求也不相同，主要包括：（1）在车辆运动行进时，车门要保持闭锁状态，与车体构成封闭的空间，从而为乘客提供安全舒适的乘坐环境；（2）在车辆静止停靠时，车门能受控开启和关闭，为乘客提供上下车的通道；（3）车门关闭时，遇乘客或其他障碍物时，能中断关闭过程，防止夹伤乘客或损坏其随身物品；（4）当某一车门因故无法打开或关闭时，司机能够隔离其集控状态，单独对其进行打开或关闭；（5）当某一车门因故无法打开或关闭时，司机能够单独锁闭或解锁车门的打开或关闭状态。

针对上述各项功能，还需定义与每项功能相关的性能指标，如车门关闭时锁紧力不小于600N、打开或关闭时间不超过3s、车门防夹力不小于200N等。结合功能描述，利用性能指标作为量化判据，可以从完全丧失、性能下降、时断时续和出现非预期功能四个方面定义车门的主要功能故障模式并分析其对车辆可靠性和安全性的影响，如：车辆运动时意外打开；车辆静止时不能打开、不能关闭、运动超时；车门防夹失效和意外防

夹等。

1.2 电动塞拉门控制系统组成原理

电动塞拉门的上述功能在实现过程中，部分分配给其控制系统，如控制系统接收集控指令后控制车门开启和关闭以及防夹和隔离等，因此车门部分功能故障模式的故障原因可以归结为控制系统故障，有必要对其故障进行深入分析，以确定车门功能故障的原因和相应的故障诊断方法。

电动塞拉门控制系统主要由无刷直流电机、三相逆变桥、控制电路、检测电路和辅助电源组成。三相逆变桥将输入的直流电压变换为驱动电机所需的三相交流电压，控制电路执行塞拉门控制算法并输出三相逆变桥的开关驱动信号，检测电路检测从三相逆变桥输出到无刷直流电机的电压和电流，辅助电源为整个控制系统提供可靠的备份工作电源。其结构原理如图1所示：

传统无刷直流电机都带有位置传感器用于检测永磁转子磁极位置，但位置传感器在实际应用中的故障率很高。如果电机运行时位置传感器故障，将导致系统转子磁极位置检测信号丢失，电机就会失控，进而引发系统故障。因此当前电动塞拉门控制系统普遍采用检测定子相电压过零点判断转子磁极位置等无位置传感器控制算法实现无刷直流电机的控制，这在一定程度上提高了无刷直流电机的可靠性。

2 系统组成故障分析

电动塞拉门控制系统集电磁器件、电力电子线路、传感器、大规模集成电路于一体，除采用无位置传感器的实现方式提高系统的可靠性外，控制系统其他部件的故障仍会对车门系统的可靠性与安全性造成重大影响，且其故障模式各不相同。本文根据对无刷直流电机直流母线电流波形和频谱的分析，梳理控制系统常见的故障模式，作为系统故障检测与诊断功能开发的基础。

2.1 无刷直流电机故障

无刷直流电机常见的故障表现包括机械振动和过热，主要原因是电机轴承故障和绕组故障，轴承故障又可能由于滑油枯竭或滚珠磨损等原因造成；绕组故障则分为短路故障和开路故障。

轴承的滑油枯竭和滚珠磨损会使轴承旋转时所受的摩擦力矩不均衡增大，进而导致电机的机械振动。机械振动下的直流母线电流表现出图2（a）所示的故障现象。

电机绕组任一相因绝缘受损发生短路故障时，该相的等效电感、电阻和反电动势都会减小，三相电流不平衡且故障绕组过热，并进一步使得短路故障恶化，最终导致相間短路或对地短路等后果。

当绕组短路故障时，直流母线电流波形发生变化，经快速傅立叶变换FFT分析表现出不同的频谱，如图2（b）所示。

电机绕组任一相开路时，电机就不能旋转，表现为电机无法启动。

2.2 三相逆变桥故障

三相逆变桥的基本原理是由六个功率开关器件组成三相桥结构，如图3所示。其故障主要是开关器件的短路故障和开路故障。

当有开关器件发生短路故障时，三相逆变桥中的保护电路会立即作用，封锁控制信号，整个电路停止工作。

当有开关器件发生开路故障时，电机处于缺相状态。直流母线电流波形如图4所示，相较图4（a）正常情况的电流波形，图4（b）为一个开关器件开路时的电流波形。

2.3 控制电路故障

控制系统的控制电路采用DSP作为中央处理器。其故障包括软件故障和硬件故障，软件故障是在处理器处理指令与数据的过程中受到干扰，系统出现不可复现故障，离开干扰环境或重启后恢复正常。与超大规模集成电路的可靠性相比，硬件故障一般容易出现在外围接口电路上，包括与列控系统RS485通信总线的接口、与车门行程开关的接口和与三相逆变桥的接口等。故障时控制系统的状态为：（1）当控制电路与通信总线接口故障时，将无法接收集控指令或反馈状态信号，控制系统处于失控状态并在列控系统上报故；（2）当控制电路与行程开关接口故障时，将无法反馈车门的开闭状态，控制系统对列控系统报车门故障；（3）当控制电路与三相逆变桥输出接口故障时，三相逆变桥将得到错误的输入信号，进而影响自身的输出。当某个控制信号故障后呈高电平输出，则对应的开关器件始终处于导通状态，在同桥臂另一开关器件正常的情况下形成三相逆变桥短路故障；当某个控制信号故障后呈低电平输出，则对应的开关器件始终截止，形成三相逆变桥的缺相故障。

3 控制系统的故障诊断

通过以上电动塞拉门控制系统组成的典型故障分析，可以站在系统级的层面从故障检测与诊断的角度进行故障分类并提出相应的故障诊断方法。

3.1 故障现象的分类

控制系统各组成的故障可以分为三种类型：（1）由于部件故障导致控制系统完全不能工作，对应车门不能打开或关闭，包括三相逆变桥两个以上的开关器件开路故障和控制电路与列控系统通信总线接口故障等。此时控制系统不能控制电机运行，因此进行故障检测与诊断时需要外加测试激励；（2）由于开关器件短路、控制电路与三相逆变桥输出接口故障引起的逆变器短路。此时控制系统处于自我保护状态，也表现为电机不能运行，同样导致对应车门不能打开或关闭，对其进行故障检测与诊断时需要外加测试激励；（3）电机带故障运行，可能导致车门的意外打开、运动超时和意外防夹等故障：包括单个开关器件开路、控制电路输出信号低电平故障，电机轴承和绕组故障等。该类故障因为电动机能够运行，因此能够进行在线故障检测与诊断。

3.2 故障诊断方法

根据图2至图4所表现的直流母线电流频谱分析，可以看出不同故障下各次谐波幅值各不相同，由此可以建立故障判据，作为系统级故障检测规则。

对无刷直流电机的两路直流母线电流分别进行FFT变换，得到归一化的幅值频谱关系。其中直流分量、基波、四次谐波和六次谐波共同表征不同故障的特征，如表1所示：

在制定系统故障检测判据时，首先根据其最显著特征量和特征值设定阈值。当不能区分故障模式时，再补充次显著特征，并定义阈值，以此类推，最后达到区分各种故障状态的目的。

4 结语

地铁车辆的电动塞拉门控制系统是一个典型的机电一体化系统，虽然各组成部件故障模式多种多样，但可以通过直流母线电流波形和频谱实现相关故障检测与诊断，可用于支持后续系统设计改进与更新。

参考文献

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