交直流調(diào)速控制系統(tǒng)故障檢測儀設(shè)計(jì)

楊成禹，王愛榮，葉 鵬，徐亭彬

(1.軍事交通學(xué)院 科研部，天津 300161； 2.軍事交通學(xué)院 軍事物流系，天津 300161；3.71357部隊(duì)，山東 萊陽 265206)

● 車輛工程 Vehicle Engineering

交直流調(diào)速控制系統(tǒng)故障檢測儀設(shè)計(jì)

楊成禹1，王愛榮2，葉 鵬1，徐亭彬3

(1.軍事交通學(xué)院 科研部，天津 300161； 2.軍事交通學(xué)院 軍事物流系，天津 300161；3.71357部隊(duì)，山東 萊陽 265206)

為給部隊(duì)蓄電池車輛故障排除提供一種新的檢測手段，根據(jù)交直流調(diào)速控制系統(tǒng)在部隊(duì)蓄電池車輛上的使用情況，分析調(diào)速控制系統(tǒng)的故障，構(gòu)造調(diào)速控制系統(tǒng)故障檢測儀菜單列表，設(shè)計(jì)故障檢測儀通信硬件電路和軟件數(shù)據(jù)格式。通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的故障診斷儀能夠滿足部隊(duì)使用要求。

調(diào)速控制系統(tǒng)；故障分析；故障檢測儀

蓄電池車輛在我軍后勤領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全軍各類倉庫共配備蓄電池車輛數(shù)千輛。但其調(diào)速控制器的故障率較高，故障排除困難，且缺少技術(shù)手段，一定程度上影響了我軍的保障能力。研究蓄電池車輛調(diào)速控制器的故障診斷，對于加強(qiáng)蓄電池車輛的維護(hù)，提高我軍后勤保障能力，起著重要作用。

1 部隊(duì)調(diào)速控制器使用情況

1.1 調(diào)速控制器和故障檢測儀配備情況

蓄電池車輛具有噪聲小、無廢氣排放、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，在我軍彈藥庫、油料庫、器材庫和被裝庫被廣泛使用。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我軍各類倉庫配備蓄電池車輛數(shù)量不等，其中以洞庫和立體庫配備最多，但相應(yīng)的故障檢測儀數(shù)量少。一般洞庫配備蓄電池叉車幾臺到十幾臺，蓄電池牽引車根據(jù)牽引距離不等配備數(shù)臺。少數(shù)的先進(jìn)地面立體庫配有一定數(shù)量交流型托盤車和堆垛車，但配套故障檢測儀僅一兩臺。在配備的蓄電池車輛中，早期的主要以直流薩牌H1型調(diào)速控制器為主，近期配備的戰(zhàn)儲車型為AC1型交流調(diào)速控制器。各團(tuán)級倉庫基本沒有可替代的維修備件使用，當(dāng)遇到緊急任務(wù)車輛損壞時(shí)，一般采用備用車輛進(jìn)行作業(yè)，損壞車輛等待檢修所技術(shù)員進(jìn)行修理。

1.2 常見使用故障

部隊(duì)倉庫使用的蓄電池叉車、牽引車，常見的故障有車輛只能單向行走、車輛速度過慢等非完全損壞性故障[1]，故障情況見表1。

表1 倉庫蓄電池車輛常見故障

通過表1可以看出，蓄電池車輛出現(xiàn)非損壞性故障的頻率很高，如果完全采用替代的方法排除故障，不僅時(shí)間周期長、維修成本高，而且還會影響作業(yè)效率。所以，研究交直流調(diào)速控制系統(tǒng)故障檢測儀，對于解決部隊(duì)需求、提高維修保障能力，有很重要的作用。

2 調(diào)速控制系統(tǒng)故障

故障檢測儀是用來檢測調(diào)速控制系統(tǒng)故障的儀器，在設(shè)計(jì)故障檢測儀前，必須對調(diào)速控制系統(tǒng)存故障情況進(jìn)行分類。

調(diào)速控制系統(tǒng)故障可以根據(jù)系統(tǒng)的組成分為調(diào)速控制器故障和調(diào)速控制系統(tǒng)輔件故障。調(diào)速控制器是集成的電子設(shè)備，故障相對復(fù)雜和繁多；調(diào)速控制系統(tǒng)輔件故障根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)外圍輔件的數(shù)量確定，一個(gè)輔件一般只實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能，其故障相對簡單。對部隊(duì)常用的H1B直流調(diào)速系統(tǒng)和AC1交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行故障分析，為故障檢測儀設(shè)計(jì)提供故障數(shù)據(jù)庫。

(1)H1B直流調(diào)速控制系統(tǒng)故障分析。H1B直流調(diào)速控制系統(tǒng)包括薩牌H1B調(diào)速器、直流串勵電機(jī)、主接觸器和換向接觸器、加速器、微動開關(guān)、安全開關(guān)或手剎、蓄電池等。對H1B直流調(diào)速控制系統(tǒng)故障進(jìn)行分類(如圖1所示)。

圖1 H1B直流調(diào)速系統(tǒng)故障分類

H1B調(diào)速控制器可以對外部的故障進(jìn)行檢測，外圍的輔件故障信息可以傳遞到調(diào)速器內(nèi)部，然后通過通信到達(dá)故障檢測儀。外圍的故障包括損壞性故障和非損壞性故障，非損壞性故障可以通過調(diào)試和設(shè)置進(jìn)行排除。通過信息傳遞，故障檢測儀可以指示操作人進(jìn)行故障排除。

(2)AC1交流調(diào)速控制系統(tǒng)故障分析。AC1交流調(diào)速控制系統(tǒng)包括薩牌AC1交流調(diào)速控制器、交流電機(jī)、主接觸器、加速器、運(yùn)行微動開關(guān)、安全開關(guān)或手剎、蓄電池、鑰匙開關(guān)、顯示儀表等。對AC1交流調(diào)速控制系統(tǒng)故障進(jìn)行分類(如圖2所示)。

圖2 AC1交流調(diào)速系統(tǒng)故障分類

在交流調(diào)速系統(tǒng)中，調(diào)速器內(nèi)部故障和外圍輔件故障中都存在非損壞性故障，所占比例30%左右，可以僅通過故障檢測儀排除這30%的故障，對剩下的故障做指示說明，所以設(shè)計(jì)故障檢測儀對調(diào)速控制系統(tǒng)有重要作用。

3 故障檢測儀設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)故障檢測儀，兼容H1B和AC1兩種型號控制器，首先要保障硬件上兼容。故障檢測儀的工作基于與調(diào)速控制器之間的數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)通信采用串口方式實(shí)現(xiàn)[2]。

兩種單片機(jī)之間的通信，只需要將一個(gè)單片機(jī)發(fā)送連接到另一個(gè)接收，而接收連接發(fā)送即可實(shí)現(xiàn)通信。考慮到兩種型號的兼容，保證5V、3.3V單片機(jī)系統(tǒng)可以通用，將故障檢測儀和調(diào)速控制器物理隔離，通信采用光耦連接，并采用上拉電路。圖3所示為故障檢測儀信號發(fā)射端的硬件電路。

圖3 故障檢測儀信號發(fā)送電路

信號高低電平通過TX_G端發(fā)出，通過PNP三極管Q2擴(kuò)大驅(qū)動電流，控制光耦U1，光耦U1實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)的物理隔離，光電信號傳遞，將信號傳遞到另一側(cè)。在光耦的輸出端，也就是調(diào)速控制器的接收端，RX_K可能出現(xiàn)的信號電平為12 V/0、5 V/0兩種情況，采用VX電壓的4.7K上拉電阻，12 V/0信號電平選擇VX為12 V上拉，5 V/0信號電平選擇5 V上拉，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制器端的信號通用。

圖4所示為故障檢測儀信號接收端的硬件電路，兩個(gè)系統(tǒng)之間也是采用U2光耦進(jìn)行隔離，在故障檢測儀接收端，采用系統(tǒng)自帶5 V電源實(shí)現(xiàn)信號的傳輸。在調(diào)速控制系統(tǒng)發(fā)送端，VXK的電壓大小可以適應(yīng)兩種不同的控制器，實(shí)現(xiàn)型號的通用。

圖4 故障檢測儀信號接收電路

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 菜單設(shè)計(jì)

故障檢測儀是調(diào)速控制器的人機(jī)交互設(shè)備，為了盡可能多地提供調(diào)速系統(tǒng)信息，輔助工作人員對調(diào)速控制器進(jìn)行調(diào)試、設(shè)置和故障診斷[3]。根據(jù)調(diào)速控制器的功能，將故障檢測儀的菜單設(shè)置功能分為5類：一般參數(shù)設(shè)置、一般參數(shù)查詢、專業(yè)性參數(shù)查詢、專業(yè)性參數(shù)設(shè)置、故障查詢。圖5所示為故障檢測儀菜單列表設(shè)置情況。

圖5 故障檢測儀菜單列表情況

由菜單可以看出，一般性參數(shù)查詢和設(shè)置的表單項(xiàng)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于專業(yè)性參數(shù)查詢和設(shè)置表單項(xiàng)目，這說明故障檢測儀實(shí)現(xiàn)的功能對于普通人來說適用，部隊(duì)?wèi)?zhàn)士經(jīng)過簡單的培訓(xùn)之后就可以掌握故障診斷儀大多數(shù)功能的使用方法，這利于故障檢測儀在部隊(duì)推廣應(yīng)用，為部隊(duì)解決實(shí)際問題。

3.2.2 數(shù)據(jù)通信格式

故障檢測儀使用的是串口通信獲取調(diào)速控制器的狀態(tài)信息。軟件設(shè)計(jì)的首要問題就是如何使用ASC碼對調(diào)速控制器的狀態(tài)進(jìn)行描述[4]。為保證故障檢測儀準(zhǔn)確地獲取調(diào)速控制器的狀態(tài)信息，對通信的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行定義，一個(gè)完整的數(shù)據(jù)鏈格式如圖6所示。

圖6 通信數(shù)據(jù)鏈格式

在數(shù)據(jù)鏈中，包頭和包尾用于指示數(shù)據(jù)通信的完整性，包頭表示數(shù)據(jù)發(fā)送的開始，包尾表示數(shù)據(jù)發(fā)送的結(jié)束。包頭和包尾可以使用特定的ASC碼來表示，要求使用的ASC碼不能包括在命令和數(shù)據(jù)鏈的數(shù)值范圍內(nèi)，比如可以采用23h(#)表示包頭，24h($)表示包尾。命令包含兩層意思：一層命令表示是查詢參數(shù)還是設(shè)置參數(shù)，二層命令表示操作的具體參數(shù)。所以命令包括了兩個(gè)ASC碼，這里一層有5個(gè)命令，可以采用31h～35h來分別表示，二層根據(jù)不同的菜單包含的操作數(shù)不同命令數(shù)不同。數(shù)據(jù)則表示當(dāng)前數(shù)據(jù)鏈需要發(fā)送的關(guān)鍵信息，采用3位ASC碼來表示。每一位ASC碼用30 h～39 h表示十進(jìn)制數(shù)的0～9。校驗(yàn)碼用于保證命令和數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確性。將命令和數(shù)據(jù)信息根據(jù)一定的規(guī)則進(jìn)行計(jì)算，得出一組校驗(yàn)碼，放入通信數(shù)據(jù)鏈的尾部。采用尾數(shù)相加的辦法，取尾數(shù)和轉(zhuǎn)換成ASC碼進(jìn)行數(shù)據(jù)的校驗(yàn)。表2列舉了數(shù)據(jù)通信格式的幾種實(shí)例。

表2 數(shù)據(jù)通信格式舉例

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的故障診斷儀的可行性，在某倉庫分別對2臺蓄電池叉車進(jìn)行了試驗(yàn)，叉車分別使用H1B直流調(diào)速系統(tǒng)和AC1交流調(diào)速系統(tǒng)，分別對叉車正常運(yùn)行狀態(tài)和兩種故障狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)。檢測儀顯示模塊能夠把重要信息傳遞給操作人員，顯示電動叉車當(dāng)前運(yùn)行情況，有利于操作人員及時(shí)了解蓄電池叉車的狀態(tài)，如電流大小、系統(tǒng)溫度和蓄電池容量等。

(1)利用故障診斷儀對狀態(tài)良好的叉車正常行駛狀態(tài)進(jìn)行檢測，檢測儀狀態(tài)檢測顯示的電流、溫度、電池電壓、電機(jī)電壓等參數(shù)均屬正常范圍。

(2)用導(dǎo)線將調(diào)速控制器主MOS管的漏源兩極短接，使叉車產(chǎn)生短路故障，此時(shí)故障診斷儀顯示“主MOS管短路”，說明檢測故障結(jié)果準(zhǔn)確。

(3)打開電鎖，電路上電復(fù)位。此時(shí)，叉車電路連接正常，但電瓶電壓過低。利用故障診斷儀進(jìn)行檢測，顯示“電瓶電壓低”，說明故障判斷正確。

試驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的智能檢測儀能夠顯示調(diào)速控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障，有利于維修人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障和排除故障。

5 結(jié) 語

本文分析了部隊(duì)常用的薩牌H1B直流調(diào)速系統(tǒng)和AC1交流調(diào)速系統(tǒng)的故障情況，設(shè)計(jì)了調(diào)速系統(tǒng)故障檢測儀菜單列表、通信硬件電路和軟件數(shù)據(jù)格式，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

[1] 肖云魁.汽車故障診斷學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2006:33-57.

[2] 朱大奇.電子設(shè)備故障原理檢驗(yàn)與實(shí)踐[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004:73-75.

[3] 孫豐濤，張承慧.變頻器故障診斷技術(shù)研究與分析[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2005(5):13-17.

[4] 陳琳.蓄電池車輛調(diào)速控制系統(tǒng)故障診斷儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].天津:軍事交通學(xué)院,2008:36-38.

(編輯：張峰)

Design of Fault Detector for AC and DC Speed Control System

YANG Chengyu1, WANG Airong2, YE Peng1， XU Tingbin3

(1.Scientific Research Division, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Military Logistics Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;3.Unit 71357, Laiyang 265206, China)

To provide a new detecting method for trouble clearing of battery vehicle in the army and lay a technical foundation for designing the fault detector of AC and DC speed control system, the paper analyzes the fault of the speed control system according to the usage of AC and DC speed control system in battery vehicle in the army, and sets the fault detector menu lists of speed control system and designs the hardware circuit and software data formats of fault detector. The experiment proves that this fault detector can meet the demand of the army.

speed control system; fault analysis; fault detector

2016-06-24；

2016-07-04．

軍事交通學(xué)院科研基金項(xiàng)目．

楊成禹(1986—)，男，碩士.

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.01.012

TP206．3

A

1674-2192(2017)01- 0050- 05