摘要：電動(dòng)塞拉門是地鐵車輛車門的主要形式之一，為達(dá)到地鐵車輛高可靠性和安全性要求，需要對(duì)車門控制系統(tǒng)的主要故障進(jìn)行分析，并進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。文章對(duì)基于控制電路驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)的塞拉門控制系統(tǒng)組成的典型故障進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上提出了基于直流母線電流波形與頻譜的故障檢測與診斷方法。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)塞拉門；控制系統(tǒng)；無刷直流電機(jī)；故障模式；診斷方法 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U270 文章編號(hào)：1009-2374（2017）01-0106-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.01.052

電動(dòng)塞拉門是地鐵車輛經(jīng)常采用的一種車門形式，它采用無刷直流電機(jī)、控制電路和行程開關(guān)等部件構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制門扇的打開和關(guān)閉。為滿足地鐵車輛高可靠性和安全性要求，需要對(duì)車門控制系統(tǒng)的主要功能及故障模式進(jìn)行分析，查找故障原因，分析故障影響，提出合適的故障檢測與診斷方法。本文在對(duì)塞拉門控制系統(tǒng)組成故障模式分析的基礎(chǔ)上，提出采用直流母線電流波形和頻譜檢測的方法進(jìn)行故障診斷的方法。

1 系統(tǒng)功能原理及主要故障模式

1.1 車門系統(tǒng)主要功能及故障模式

根據(jù)使用場景和使用主體的不同，地鐵車輛對(duì)車門系統(tǒng)的功能需求也不相同，主要包括：（1）在車輛運(yùn)動(dòng)行進(jìn)時(shí)，車門要保持閉鎖狀態(tài)，與車體構(gòu)成封閉的空間，從而為乘客提供安全舒適的乘坐環(huán)境；（2）在車輛靜止停靠時(shí)，車門能受控開啟和關(guān)閉，為乘客提供上下車的通道；（3）車門關(guān)閉時(shí)，遇乘客或其他障礙物時(shí)，能中斷關(guān)閉過程，防止夾傷乘客或損壞其隨身物品；（4）當(dāng)某一車門因故無法打開或關(guān)閉時(shí)，司機(jī)能夠隔離其集控狀態(tài)，單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行打開或關(guān)閉；（5）當(dāng)某一車門因故無法打開或關(guān)閉時(shí)，司機(jī)能夠單獨(dú)鎖閉或解鎖車門的打開或關(guān)閉狀態(tài)。

針對(duì)上述各項(xiàng)功能，還需定義與每項(xiàng)功能相關(guān)的性能指標(biāo)，如車門關(guān)閉時(shí)鎖緊力不小于600N、打開或關(guān)閉時(shí)間不超過3s、車門防夾力不小于200N等。結(jié)合功能描述，利用性能指標(biāo)作為量化判據(jù)，可以從完全喪失、性能下降、時(shí)斷時(shí)續(xù)和出現(xiàn)非預(yù)期功能四個(gè)方面定義車門的主要功能故障模式并分析其對(duì)車輛可靠性和安全性的影響，如：車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)意外打開；車輛靜止時(shí)不能打開、不能關(guān)閉、運(yùn)動(dòng)超時(shí)；車門防夾失效和意外防

夾等。

1.2 電動(dòng)塞拉門控制系統(tǒng)組成原理

電動(dòng)塞拉門的上述功能在實(shí)現(xiàn)過程中，部分分配給其控制系統(tǒng)，如控制系統(tǒng)接收集控指令后控制車門開啟和關(guān)閉以及防夾和隔離等，因此車門部分功能故障模式的故障原因可以歸結(jié)為控制系統(tǒng)故障，有必要對(duì)其故障進(jìn)行深入分析，以確定車門功能故障的原因和相應(yīng)的故障診斷方法。

電動(dòng)塞拉門控制系統(tǒng)主要由無刷直流電機(jī)、三相逆變橋、控制電路、檢測電路和輔助電源組成。三相逆變橋?qū)⑤斎氲闹绷麟妷鹤儞Q為驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的三相交流電壓，控制電路執(zhí)行塞拉門控制算法并輸出三相逆變橋的開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，檢測電路檢測從三相逆變橋輸出到無刷直流電機(jī)的電壓和電流，輔助電源為整個(gè)控制系統(tǒng)提供可靠的備份工作電源。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示：

傳統(tǒng)無刷直流電機(jī)都帶有位置傳感器用于檢測永磁轉(zhuǎn)子磁極位置，但位置傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的故障率很高。如果電機(jī)運(yùn)行時(shí)位置傳感器故障，將導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)子磁極位置檢測信號(hào)丟失，電機(jī)就會(huì)失控，進(jìn)而引發(fā)系統(tǒng)故障。因此當(dāng)前電動(dòng)塞拉門控制系統(tǒng)普遍采用檢測定子相電壓過零點(diǎn)判斷轉(zhuǎn)子磁極位置等無位置傳感器控制算法實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的控制，這在一定程度上提高了無刷直流電機(jī)的可靠性。

2 系統(tǒng)組成故障分析

電動(dòng)塞拉門控制系統(tǒng)集電磁器件、電力電子線路、傳感器、大規(guī)模集成電路于一體，除采用無位置傳感器的實(shí)現(xiàn)方式提高系統(tǒng)的可靠性外，控制系統(tǒng)其他部件的故障仍會(huì)對(duì)車門系統(tǒng)的可靠性與安全性造成重大影響，且其故障模式各不相同。本文根據(jù)對(duì)無刷直流電機(jī)直流母線電流波形和頻譜的分析，梳理控制系統(tǒng)常見的故障模式，作為系統(tǒng)故障檢測與診斷功能開發(fā)的基礎(chǔ)。

2.1 無刷直流電機(jī)故障

無刷直流電機(jī)常見的故障表現(xiàn)包括機(jī)械振動(dòng)和過熱，主要原因是電機(jī)軸承故障和繞組故障，軸承故障又可能由于滑油枯竭或滾珠磨損等原因造成；繞組故障則分為短路故障和開路故障。

軸承的滑油枯竭和滾珠磨損會(huì)使軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)所受的摩擦力矩不均衡增大，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)的機(jī)械振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)下的直流母線電流表現(xiàn)出圖2（a）所示的故障現(xiàn)象。

電機(jī)繞組任一相因絕緣受損發(fā)生短路故障時(shí)，該相的等效電感、電阻和反電動(dòng)勢都會(huì)減小，三相電流不平衡且故障繞組過熱，并進(jìn)一步使得短路故障惡化，最終導(dǎo)致相間短路或?qū)Φ囟搪返群蠊?/p>

當(dāng)繞組短路故障時(shí)，直流母線電流波形發(fā)生變化，經(jīng)快速傅立葉變換FFT分析表現(xiàn)出不同的頻譜，如圖2（b）所示。

電機(jī)繞組任一相開路時(shí)，電機(jī)就不能旋轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為電機(jī)無法啟動(dòng)。

2.2 三相逆變橋故障

三相逆變橋的基本原理是由六個(gè)功率開關(guān)器件組成三相橋結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其故障主要是開關(guān)器件的短路故障和開路故障。

當(dāng)有開關(guān)器件發(fā)生短路故障時(shí)，三相逆變橋中的保護(hù)電路會(huì)立即作用，封鎖控制信號(hào)，整個(gè)電路停止工作。

當(dāng)有開關(guān)器件發(fā)生開路故障時(shí)，電機(jī)處于缺相狀態(tài)。直流母線電流波形如圖4所示，相較圖4（a）正常情況的電流波形，圖4（b）為一個(gè)開關(guān)器件開路時(shí)的電流波形。

2.3 控制電路故障

控制系統(tǒng)的控制電路采用DSP作為中央處理器。其故障包括軟件故障和硬件故障，軟件故障是在處理器處理指令與數(shù)據(jù)的過程中受到干擾，系統(tǒng)出現(xiàn)不可復(fù)現(xiàn)故障，離開干擾環(huán)境或重啟后恢復(fù)正常。與超大規(guī)模集成電路的可靠性相比，硬件故障一般容易出現(xiàn)在外圍接口電路上，包括與列控系統(tǒng)RS485通信總線的接口、與車門行程開關(guān)的接口和與三相逆變橋的接口等。故障時(shí)控制系統(tǒng)的狀態(tài)為：（1）當(dāng)控制電路與通信總線接口故障時(shí)，將無法接收集控指令或反饋狀態(tài)信號(hào)，控制系統(tǒng)處于失控狀態(tài)并在列控系統(tǒng)上報(bào)故；（2）當(dāng)控制電路與行程開關(guān)接口故障時(shí)，將無法反饋車門的開閉狀態(tài)，控制系統(tǒng)對(duì)列控系統(tǒng)報(bào)車門故障；（3）當(dāng)控制電路與三相逆變橋輸出接口故障時(shí)，三相逆變橋?qū)⒌玫藉e(cuò)誤的輸入信號(hào)，進(jìn)而影響自身的輸出。當(dāng)某個(gè)控制信號(hào)故障后呈高電平輸出，則對(duì)應(yīng)的開關(guān)器件始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，在同橋臂另一開關(guān)器件正常的情況下形成三相逆變橋短路故障；當(dāng)某個(gè)控制信號(hào)故障后呈低電平輸出，則對(duì)應(yīng)的開關(guān)器件始終截止，形成三相逆變橋的缺相故障。

3 控制系統(tǒng)的故障診斷

通過以上電動(dòng)塞拉門控制系統(tǒng)組成的典型故障分析，可以站在系統(tǒng)級(jí)的層面從故障檢測與診斷的角度進(jìn)行故障分類并提出相應(yīng)的故障診斷方法。

3.1 故障現(xiàn)象的分類

控制系統(tǒng)各組成的故障可以分為三種類型：（1）由于部件故障導(dǎo)致控制系統(tǒng)完全不能工作，對(duì)應(yīng)車門不能打開或關(guān)閉，包括三相逆變橋兩個(gè)以上的開關(guān)器件開路故障和控制電路與列控系統(tǒng)通信總線接口故障等。此時(shí)控制系統(tǒng)不能控制電機(jī)運(yùn)行，因此進(jìn)行故障檢測與診斷時(shí)需要外加測試激勵(lì)；（2）由于開關(guān)器件短路、控制電路與三相逆變橋輸出接口故障引起的逆變器短路。此時(shí)控制系統(tǒng)處于自我保護(hù)狀態(tài)，也表現(xiàn)為電機(jī)不能運(yùn)行，同樣導(dǎo)致對(duì)應(yīng)車門不能打開或關(guān)閉，對(duì)其進(jìn)行故障檢測與診斷時(shí)需要外加測試激勵(lì)；（3）電機(jī)帶故障運(yùn)行，可能導(dǎo)致車門的意外打開、運(yùn)動(dòng)超時(shí)和意外防夾等故障：包括單個(gè)開關(guān)器件開路、控制電路輸出信號(hào)低電平故障，電機(jī)軸承和繞組故障等。該類故障因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)能夠運(yùn)行，因此能夠進(jìn)行在線故障檢測與診斷。

3.2 故障診斷方法

根據(jù)圖2至圖4所表現(xiàn)的直流母線電流頻譜分析，可以看出不同故障下各次諧波幅值各不相同，由此可以建立故障判據(jù)，作為系統(tǒng)級(jí)故障檢測規(guī)則。

對(duì)無刷直流電機(jī)的兩路直流母線電流分別進(jìn)行FFT變換，得到歸一化的幅值頻譜關(guān)系。其中直流分量、基波、四次諧波和六次諧波共同表征不同故障的特征，如表1所示：

在制定系統(tǒng)故障檢測判據(jù)時(shí)，首先根據(jù)其最顯著特征量和特征值設(shè)定閾值。當(dāng)不能區(qū)分故障模式時(shí)，再補(bǔ)充次顯著特征，并定義閾值，以此類推，最后達(dá)到區(qū)分各種故障狀態(tài)的目的。

4 結(jié)語

地鐵車輛的電動(dòng)塞拉門控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，雖然各組成部件故障模式多種多樣，但可以通過直流母線電流波形和頻譜實(shí)現(xiàn)相關(guān)故障檢測與診斷，可用于支持后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)與更新。

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作者簡介：徐春華（1965-），女，山東青島人，中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司高級(jí)工程師，研究方向：軌道車輛RAMS。

（責(zé)任編輯：王 波）