英格索蘭變頻空壓機故障診斷與芯片級維修技術的研究

粟小寶

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

空壓機問世于第二次工業革命時期。隨著工業技術的發展需要，空壓機已經列為供能設備為各類生產設備提供動力（壓縮空氣）能源，在供能設備中扮演著重要角色。英格索蘭是首個將螺桿機技術引進中國的外資品牌，此舉也奠定了其在壓縮機行業的領先地位[1]。R160N_A10 是英格索蘭公司設計的微油變頻調速螺桿空壓機產品，裝配了160 kW 的強勁混合型永磁電機（HPM）并匹配了相應功率的變頻調速器（Variable speed drive，以下簡稱VSD），以應對負載突變所出現的電機頻繁啟/停而導致機頭不良磨損。使用VSD 后電機轉速可以根據氣壓變化自動調整，最大程度地發揮變頻調速技術的節能特點，同時也改善氣源波動、機頭壽命短等問題。但由于維護不當、交變負荷、浪涌沖擊及電子元器件自身不良等因素影響，VSD 電路出現異常也屢見不鮮。出現異常時雖然在控制器顯示屏上顯示了報警代碼，但憑代碼信息及設備的故障檢修手冊僅能判斷大致方向（指向性不強），其中又以“VSD Falsity 7”報警故障最為典型，也是較難處置的報警之一。

由于該VSD 控制器是由法國“利萊森瑪”公司為英格索蘭特別定制生產的高功率控制器，其電路復雜，配件價格昂貴，資料匱乏，一旦故障，未經訓練的維修人員通常束手無策，只能向廠商支付高額服務費用和配件成本[2]。本文將基于故障代碼、報警觸發條件，通過故障詳解與電路解析、關鍵點檢測及自開發的檢修流程將問題診斷到芯片，系統性解決VSD 控制器“VSD Falsity 7”報警的難題。

1 芯片級維修技術的構建

1.1 故障詳解

如圖1 所示，作業人員在按動設備控制面板“啟動”鍵后，主電機應正常運轉，但15 s 左右控制面板的LCD 屏顯示“VSD Falsity 7”及“Press RESET twice”（按兩次RESET 復位），按提示操作無法解除報警，需要切斷主電源再次重啟，但故障依舊。經查閱產品手冊得知該報警表示“編碼器（霍爾元件）故障”[3]，但手冊并未說明潛在原因及影響因素，從表面上看需要檢查或更換電機編碼器組件，實際并非如此簡單。報警的機理是電機實際速度與目標速度不一致，也稱“失速報警”，從圖2（VSD 驅動控制器框圖）可以看出，電機速度監測是由安裝在電機內部的3 只霍爾元件組成，通過屏蔽電纜與控制主板相連。

圖1 控制面板

圖2 VSD 驅動控制電路框圖

深入分析報警原理可知，編碼器、電機、信號電纜和VSD 控制主板中的任意一個或多個有故障均可觸發報警。然而最困擾用戶的是，一旦出現該報警，在沒有提前儲備相關備件的情況下無法進行故障區分和判斷，故障部位的精準確定已成為困擾維修作業人員的難點問題。因此，需要擁有一套可行的解決方案，只需通過常規的儀器儀表，運用既定檢修流程和測量方法精準確定故障點。只有系統性掌握報警邏輯、自檢流程及關鍵點測試方法才能快速準確判斷故障部位。基于對英格索蘭VSD 變頻驅動的研究，繪制控制圖，分析控制時序，提出檢查流程，給出系統性的解決方案及維修方法。

1.2 控制時序分析

基于圖2（VSD 驅動控制電路框圖）的信號流向，設備正常情況下，作業人員在按下“啟動”按鈕后，VSD 首先執行自檢程序。VSD 主控板向VSD 驅動電路發出低轉速的PWM 信號，VSD 驅動電路將PWM信號放大并驅動主電機以每分鐘60 r/min 的速度旋轉一周，安裝在電機內部的編碼器實時采集電機運轉的情況。轉速不同，輸出的脈沖信號頻率不同，該信號經過屏蔽電纜送至VSD 主板PX4 端口，經信號放大、整形及調制后送到板載CPU，CPU 實時分析并運算該信號，如果反饋回的信號滿足要求CPU 隨即輸出高速PWM 信號驅使控制電機進入全速運行模式。相反，在自檢時序內CPU 未識別到正常轉速信號，則通過CAN 總線接口PX3 向控制面板發出“VSD Falsity 7”報警，同時進入故障保護模式。從控制時序分析可知，啟動后電機運轉狀態、編碼器反饋信號都是故障診斷的關鍵分界點。

1.3 “VSD Falsity 7”故障診斷流程

為了精準確定故障點，需要研究并開發一套包含有關鍵測量點的故障診斷流程，從而實現故障診斷作業的規范化及流程化。 根據VSD 自檢的控制時序，并結合各時序正常情況下應該具備的信號，繪制出“VSD Falsity 7”故障診斷流程圖（圖3），流程圖中融入了檢查步驟、關鍵測量點、測量方法及判定標準。

圖3 故障診斷流程圖

1.4 診斷及維修要點

從圖3 的故障診斷流程圖可知，“VSD Falsity 7”故障診斷的核心是關鍵測量點的選擇與測量分析。關鍵測量點的引入將大幅提高鎖定故障分區的效率，只有在鎖定故障分區后再能在更小范圍內開展局部檢查，最終確定最小故障器件。從VSD 驅動控制框圖（圖2）可知，電機本體內部安裝的三組霍爾傳感器模塊（型號LSY380-1-93）對電機的轉速信號進行實時采集，三組信號（A、B、C）通過電纜及D9 插頭與VSD主控板PX4 口相連，信號進入主板首先分別送達U22、U25、U45 運算放大器芯片LM293 進行放大、整形，隨后信號再送至可編程邏輯芯片U12 (型號IM4A5-64-10VC)進行調制，經過調制后的信號最后到達U14（意法微處理器ST10F269Z2Q6)進行解析運算，基于信號處理流程，若關鍵測量點設在VSD 主控板會較為合理。經過對VSD 主控板布局進行分析，利萊森瑪公司在VSD 主控板設計之初預設了三組（6個）用于產品性能檢測的信號點（圖4），分別是：A1、B1、C1 與A2、B2、C2、這6 個測量點可作為故障診斷的關鍵測量點。其中A1、B1、C1 為霍爾編碼器信號輸出測量點，A2、B2、C2 為運放輸出測量點，可選用帶寬為20 MHz 數字示波器進行在線測量判定。

圖4 VSD 主控板框圖

根據“VSD Falsity 7”故障診斷流程，首先要透過電機散熱口觀測永磁電機在啟動后的運轉狀態。正常情況下主板得電后要按時序進行自檢，主板自檢完成后開始向整流電路與逆變電路輸出脈沖，以驅動電機微轉，在微轉過程中主板實時監測編碼器返回的脈沖及U/V/W 相的工作電流，只有滿足條件的情況下才會全速運行。若在按下啟動鍵后，電機已經微轉，說明整流電路、逆變電路、電機基本正常，此時用示波器分別測量VSD 主板上的關鍵測試點A1、B1、C1 波形并與圖5 波形對比，如有明顯差異，則需檢查并更換電機內部的霍爾傳感器、信號電纜。在測試點A1、B1、C1 波形正常情況下，進一步測量VSD 主板關鍵測試點A2、B2、C2 波形并與圖6 波形對比，如有明顯差異則對應的運放芯片U22/U25/U45 存在問題，否則可編程邏輯芯片U12 損壞。

圖5 A1/B1/C1 測試點波形

圖6 A2/B2/C2 測試點波形

2 結束語

經過實際驗證，當英格索蘭變頻空壓機出現“VSD Falsity 7”報警，通過本文故障診斷流程的指引，基于關鍵測量點及判斷方法，使用常規的儀器儀表，就能在較短的時間內完成設備報警的系統性檢查，準確鎖定故障部位，若查明故障在VSD 主控板側的轉速信號放大、整形、調制方面，可依據檢查流程中的指引進一步開展芯片級維修，這不僅大幅減少故障停機時間，而且對減少備件儲備、降低委托外部門維修費用方面發揮重要的作用，“VSD Falsity 7”故障診斷與維修技術可行、有效。