機電系統控制信號異常的故障樹分析

摘 要：機電產品X的功能是用于架設負載設備，其在長期加電過程中出現了異常工作狀態，該異常工作的狀態出現不具有規律性，呈現出偶然性。機電產品X偶然性觸發的異常工作狀態會造成機電產品X和負載設備的損壞，為此，基于故障樹分析的方法，分析了機電產品X異常工作狀態的成因，驗證了故障樹各節點是否存在故障情況。在正常環境、高溫潮濕環境循環重復試驗，結果表明故障成因是腔體工藝孔盲孔打通腔體內壁，水汽被吸入機電產品X的腔體內部，不能及時排出，導致腔體內部長期處于高溫潮濕環境。在高溫潮濕環境下，光耦輸出端電平由于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，為芯片檢測的未知狀態，某時刻電壓處于低電平，光耦輸出端電壓被拉低，芯片檢測到低電平信號時，引起電機異常轉動。在高溫試驗箱烘干腔體各組成部分，用300 ℃的熱風槍取下光耦通電，輸出3.27 V，表明光耦未損壞，再用熱風槍將光耦焊接至控制板，輸出電壓正常，異常工作狀態不再出現，機電產品X工作正常。

關鍵詞：故障樹分析；機電系統；異常分析

中圖分類號：TP271+.4" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）14-0034-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.14.007

0" " 引言

機電產品X的功能是在單方向上進行直線運動，往往在其結構上掛載負載實現特定的功能，機電產品X的核心是電機控制，由于本文探討的重心與電機控制異常有關，而非執行件的具體執行方式，因而后文所述電機可直接代指機械結構的執行件。所研制的機電產品X在調試試驗階段，發現電機出現異常工作狀態，具體表現為在沒有外部控制信號下，電機會出現自行轉動的現象，且現象出現的頻次呈現出無規律性，有時候短時間出現多次，有時候很長時間僅出現一次。由于該故障會造成潛在的較大經濟損失以及安全事故，因而需對故障進行準確定位及原因分析，并進行機理分析。在對故障進行排查時，在方法論上，工程應用中絕大多數的學者幾乎均采用故障樹分析法[1-4]。郭靖等人在液壓錨絞機的調試階段運用故障樹分析法對液壓錨絞機的液壓系統進行故障分析[5]，在升降裝置類故障分析中[6-9]，張書軒對升降機通過設計試驗方案、試驗裝置，對升降機相關性能進行了研究，給本文研究提供一定的思路[10]。

結合上述研究，本文運用故障樹分析法，對故障進行分析排查[11-13]。從問題的出現，分析定位產生的故障原因，依據故障樹模型，結合系統控制框圖，抽絲剝繭，層層分析，分析到質量問題發生的準確定位，在保證技術標準要求之下[14-15]，提升了機電產品X機電系統的可靠性，同時又為后續研究者提供了關于電機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，被裝配于一個特制腔體內部。其控制板程序主要控制流程如圖2所示。

根據現場試驗人員的描述情況及電機轉動的控制邏輯、流程，建立故障樹，如圖3所示。

各節點定義如下：

1）X1：被其他信號干擾，誤判為正轉；

2）X2：控制板手柄接口接收到正轉指令；

3）X3：控制芯片收到正轉指令。

初步分析，故障原因可能是機電系統被干擾，機電系統接收到或其控制芯片接收到異常的正轉轉動信號，導致電機順時針轉動。

X1：問題發生時，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。該機電系統為純有源電氣設備，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入。該機電系統的控制板電源部分具備完整的DC/DC轉換和濾波防護功能，外部DC28 V需經過濾波器，采用開關穩壓器實現DC28 V轉DC12 V、DC12 V轉DC5 V，電壓調節器實現DC5 V轉3.3 V后才會接入控制芯片。該型機電系統已運用于多個產品，且通過了電磁兼容測試，對輻射干擾和傳導干擾不敏感，故可排除X1被其他信號干擾的可能性。

X2：問題發生時，未連接控制手柄，無控制指令發出；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，故可排除X2接收到來自手柄的正轉指令的可能性。

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的電平狀態控制電機轉動，也可通過RS485串口發送控制指令控制電機轉動。RS485串口為數字接口，自行啟動電機轉動的概率幾乎為零，由此可判斷，控制板的TTL電平控制電路部分出現信號異常，導致控制芯片判斷為“正轉”信號，從而驅動電機轉動。

綜上所述，該故障定位于X3控制芯片收到正轉指令。

正轉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：當外部手柄“正轉鍵”被按下時，手柄控制接口對應的引腳與GND接通，接口板上的光耦V13導通，連接控制芯片的UP網絡由高電平變為低電平，此時控制芯片檢測到正轉信號，控制電機順時針轉動（正轉）。

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，不能控制電機正反轉。

2）現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）或引腳（反轉）不會與引腳（GND）接通，不能控制電機正轉或反轉。

3）控制接口的引腳間是塑料絕緣材料，若其內部有裂縫存在積水的情況可能會造成引腳（正轉）或引腳（反轉）與引腳（GND）導通，可能會導致電機自動正轉或反轉。為此，項目組采用同一狀態的產品進行了模擬測試。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，未發現電機出現異常工作狀態。

4）拆開腔體，常溫情況下通電12 h，未發現類似問題。

5）根據問題出現時試驗環境條件，項目組將腔體放入高低溫試驗箱進行溫度循環試驗。在50 ℃的環境條件下存儲8 h后，測試人員發現電機在未連接手柄的情況下出現順時針轉動（正轉），故障復現。斷電，間隔幾秒后再重新接通電源，問題依然存在，但轉動持續時間從幾秒至幾十分鐘不等。

6）拆開腔體，取下控制板，發現腔體內表面有水漬。

7）進一步檢查發現，正轉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）或引腳（反轉）與引腳（GND）導通，光耦V13也不會導通，由此可判斷即使外部接口的電平變化不會導致電機轉動，可將問題定位至光耦V13的輸出端。

8）接通電源，用數字萬用表測得光耦V13輸出端第4腳（正轉）對地的電壓為1.26 V；處于單片機低電平檢測電壓的臨界區（1.2 V）附近，可能會導致電機轉動。正常情況下電壓的理論值應為3.25 V左右。

9）將腔體的各組成部分在常溫狀態下恢復8 h，測得光耦V13輸出端第4腳（正轉）對地的電壓仍然僅有1.57 V，達不到正常電平電壓。

10）綜合8）、9）的測試結果，可確定電機異常轉動是光耦V13輸出端異常導致。

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；與正常狀態一致，問題消失。此外，為舉一反三檢查，同步放入了其余產品的腔體，通電測試，未出現類似現象。由此，可判斷該異常現象是光耦V13輸出端引腳積水造成短路引起。

12）為進一步確定問題原因，測試人員將光耦V13的輸出端滴上自來水，模擬積水的現象，通電測量光耦V13的輸出電壓為1.45 V，與8）測試結果基本一致，可導致電機異常轉動。

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；也未出現電機異常轉動的情況。

14）腔體的內部積水在高溫環境下，蒸餾后在電路板表面沉積，導致控制板上控制正轉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”的誤動作信號，引起電機異常轉動，引發故障。

15）進一步檢查腔體各密封部位，未發現由防水圈漏裝、損壞的情況；再次進行腔體的密封性測試，發現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部貫通。

16）檢查設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，其余產品均滿足設計要求。

17）工藝孔與腔體內部貫通，在長期的溫度變化過程中，水汽被吸入卻不能及時排出，導致腔體內部長期處于高溫潮濕環境中。

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，防護能力較弱，經反復溫濕變化，漆層失去防護能力，內部積水蒸餾后在光耦V13輸出端凝結為水，導致光耦輸出端電壓被拉低，控制板檢測到“正轉”的信號，引起電機異常轉動故障。

2" " 機理分析

查閱設計文件，當手柄正轉被按下時，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的輸入端導通，輸出端（UP）輸出低電平信號，使控制板具有正轉控制電平信號輸出，芯片接收到正轉的控制電平信號，控制電機順時針轉動（正轉）。正轉控制電路原理圖如圖4所示。

查閱芯片數據手冊，芯片IO電氣參數如表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。在標準電源電壓VDD=3.3 V供電的情況下，其低電平電壓最大值為1.164 V，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，某時刻，當芯片檢測到低電平信號時，控制電機轉動。

3" " 結束語

根據電機異常自行轉動故障現象，采用了下行法建立了故障樹，根據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，造成腔體內部高溫潮濕，在該環境下，光耦輸出端電壓被拉低，芯片檢測到低電平信號時，引起電機異常工作，重復試驗符合故障判定預期。經過此次研究，后續有三方面亟待改進：第一，加強制造過程的管理，避免質量問題發生，如工藝盲孔被打穿類似事件；第二，對腔體密封進行優化，避免水汽進入腔體內部引起設備工作異常，提升產品的可靠性；第三，加強控制板的表面三防漆處理，提升其防護能力，從而提升了機械系統整體的可靠性。

[參考文獻]

[1] 王昕燦，郭志陽，王賀，等.基于多層次故障樹分析法的電機在線故障診斷[J].現代制造工程，2023（11）：137-143.

[2] 余俊松，杜雪，張馳.基于故障樹法的電機驅動芯片故障分析與改進[J].科技創新與應用，2023，13（14）：160-165.

[3] 王岳恒，馬殷元.基于模糊故障樹的垂直升降式立體車庫升降系統可靠性分析[J].制造業自動化，2022，44（11）：72-74.

[4] 李東亞，張濤，牛青波，等.故障樹分析法在高速電主軸系統故障診斷中的應用[J].機電工程技術，2019，48（3）：8-11.

[5] 郭靖，李森林.船用液壓錨絞機液壓系統故障樹分析[J].內燃機與配件，2023（13）：62-64.

[6] 張勇，何振杰，張敬芳.基于T-S故障樹的數控加工中心液壓托架升降系統可靠性分析[J].液壓與氣動，2020（12）：118-124.

[7] 張冬梅，馬文華，劉昕彤，等.基于故障樹分析的礦井提升機故障診斷[J].煤炭技術，2018，37（4）：265-267.

[8] 宋盼.提升機設備故障診斷中故障樹技術的應用[J].機電工程技術，2018，47（12）：213-215.

[9] 劉瑞.某型飛機升降舵系統故障樹分析[J].中國科技縱橫，2014（1）：102-103.

[10] 張書軒.某型導彈發射車用升降機設計及可靠性分析[D].廊坊：北華航天工業學院，2019.

[11] 楊凱，瞿福林，邱秀姣，等.基于故障樹分析法的高速鐵路鋼軌斷裂機理分析[J].鐵道標準設計，2017，61（4）：33-37.

[12] 卓陳祥.應用故障樹分析無刷同步電機的可靠性[J].電力系統及其自動化學報，2011，23（5）：142-146.

[13] 閆志強，謝紅衛.繼電控制電路的交互式故障診斷研究[J].機電工程技術，2006（1）：77-80.

[14] 電子元器件故障樹分析方法與程序：T/CIE 116—2021[S].

[15] 軍用地面電子設施防雷通用要求：GJB 6784—2009[S].

收稿日期：2024-03-25

作者簡介：夏飛（1987—），男，重慶潼南人，工程師，研究方向：機電控制。

通信作者：周明（1995—），男，四川廣安人，工程師，研究方向：機械工程。