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电动塞拉门控制系统故障分析与诊断方法研究

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电动塞拉门控制系统故障分析与诊断方法研究
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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g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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摘要:电子设备应用于各个领域,其以其显著的特点,精准的检测和精确的处理,为各领域带来了极大的便利,然而在获得便利的同时,电子设备因其精密性,会受到各种因素的影响,导致电子设备在使用过程中会常常出现各种故障,本文在基于电子设备发展现状的基础上,提出了电子设备的故障分类及诊断方法。关键词:电子设备;故障诊断;发展现状1电子设备故障分类电子设备故障可以分为两类,第一类是早期故障设备时期,这个时候的电子设.........
对油浸式变压器故障诊断的研究
发布时间:2023-04-11
摘要:变压器是电力系统中的中的重要设备,它的正常运行对电力系统起着至关重要的作用。针对变压器的故障诊断方法,主要有传统比值法以及各种智能诊断方法。针对传统比值法和各种智能诊断方法编码不全,编码与故障类型对应关系太过绝......
基于故障树和规则推理的穿梭车故障诊断研究
发布时间:2022-11-30
0 引言 穿梭车作为自动化物流系统中一种智能型轨道导引搬运设备,在自动化物流系统中的应用日益广泛。它具有沿着固定路径动态移载的功能,可实现物料在不同站点之间的传送,使得自动化输送系统的设备布局更加紧凑、简捷。然而,实际工......
西门子电气元件故障的现场分析与处理研究
发布时间:2023-02-20
摘要:伴随着经济的发展,生活水平不断提高,为了保障用电设备安全,全国范围内已经有很多地方不断提高电力设备的供电能力,导致部分设备在长期高压状态下工作,安全性和稳定性受到了严重威胁,设备内部元件随着使用程度的增加性能不......
地铁车辆牵引控制单元TCU 故障诊断建模与应用
发布时间:2023-03-22
摘要: 绘制了地铁牵引控制单元TCU 的故障机理图, 并对其进行 分析 。根据分析结果与TCU 系统的特性, 建立了以多重复合函数为基础的故障诊断数学模型。运用模糊数学知识对故障诊断过程进行优化, 提高了诊断效率。根据该模型建立的......
新型自动变速器的故障诊断与维修(43)
发布时间:2022-10-23
Ⅲ,波形的分析。利用示波器可以分析各转速信息(发动机转速、输入轴及输出轴转速等)、执行器(脉冲式电磁阀)及网络数据线的通信功能。Ⅳ,注意检查电源、接地点。需要重点检查自动变速器控制单元的供电电源和电磁阀的供电电源,以及各接地点。Ⅴ,不同类型电磁阀的检查方法。对于阻值比较大的开关型电磁阀,可以直接对其供电,查其阀芯的动作情况(响声);对于小阻值的脉冲式电磁阀,可串联电阻或灯泡检查(响声)。如果具备电.........
电流互感器、电压互感器故障处理方法分析与研究
发布时间:2023-03-10
摘要:电流互感器、电压互感器是电气回路中不可缺少的部分,对电力系统的稳定运行起着重要作用。二者的作用主要是实现电力系统的一次和二次的电气隔离,把一次测对应的大电流、高电压转换为合适继电保护装置和测量仪表相适应的电流和......
试述常见电气线路的故障诊断与排除
发布时间:2015-08-05
摘要:在电其设备故障当这种一个较为常见的故障就是电气线路故障。电气设备线路故障是一种经常发生而影响有比较严重的一种电气设备故障,因此杂电气设备管理中要加强对电气线路的检查和维护。本文对电气线路故障的诊断及维护方法进行......
10kV电力系统单相接地故障排查方法
发布时间:2022-08-07
摘 要:10kV配电线路在我国承担着不可忽视的重要作用,相对于输电系统的主干网络而言,10kV配电系统有着自身的重要性和工作特征,而相应的维护工作,也只有在对其进行深入分析和了解的基础之上,才能做出妥善处理和合适的措施。 关......
折页机塞纸故障分析与解决
发布时间:2023-04-27
报纸印刷对时效要求较高,一般来说,地市级报纸印刷采用的报纸印刷机多是印刷速度为4.5万份/小时的小型机或7万份/小时的中型机。在如此高的印刷速度下,如果折页机调节不到位,生产过程中就会出现如塞纸、歪斜、起皱、掉页等各种各样的问题。这些问题如果不能得到及时有效地解决,就会直接影响出报时间。塞纸是折页机最常出现的故障之一,这里,笔者将以我厂的法国高斯环球45机(其配套的折页机为1∶3∶3型)为例,详细.........
架空输电线路跳闸故障智能诊断
发布时间:2015-09-11
【摘 要】当前人们的生活水平有了很大程度的提升,对用电需求及质量也随之提高,所以保障用电的安全稳定就成了电力企业最为重要的一个任务。架空输电线路倘若是出现了问题故障,势必会对整个电路的运行造成威胁,所以保障架空输电线路......
关于《机械故障诊断学》的教学改革研究
发布时间:2016-09-26
随着现代工业的发展,机械设备的故障诊断技术日益得到重视,已经成为保障生产系统安全稳定运行和提高产品质量的不可或缺的重要手段及关键技术。目前,机械故障诊断在电力、化工、冶金、机械等大型企业得到了十分广泛的应用。此外,在现......
关于现代汽车安全气囊故障诊断与检修方法探讨
发布时间:2023-03-11
由安全气囊系统(SRS)和带预紧器的安全带组成的被动安全保护装置能在汽车发生碰撞时有效保护车内驾驶员和乘员,降低伤害程度。为了确保SRS能发挥应有的保护作用,当SRS发生故障时应尽快修复。但如果不严格执行维修规程而盲目、忙乱检修,容......
闸门启闭机电气控制系统实施PLC改造方案分析
发布时间:2022-10-26
摘要:随着科学技术的快速发展,我国的各项科技产品不断应用到日常的生产生活中,PLC作为可编辑逻辑控制系统得以广泛应用于泵站闸门启闭机控制系统内。文章探究了闸门启闭机的控制要点,介绍了闸门启闭机电气控制系统实施PLC改造步骤......
浅谈本田汽车空调常见故障诊断分析
发布时间:2023-03-28
为提高驾乘人员的舒适性,减轻驾驶疲劳,现代汽车上普遍安装了空调设备,通过加热、降温、去湿和净化的手段,改善车厢内的微环境,提高驾乘舒适性。 1本田汽车空调系统组成原理 以广汽本田雅阁汽车的空调系统为例,汽车空调系统主要......
电力工程质量事故分析与控制研究
发布时间:2017-04-07
1 电力工程项目质量事故分析 1.1 复杂性 电力工程建设的时间长,所面临的因素也很多,因此质量也会被各种复杂因素而影响,进而增加了质量事故发生的几率,也制约了质量管理与控制工作的开展。 1.2 严重性 电力工程质量事故的出现必......
氢气锅炉的仪表控制系统及主要故障分析
发布时间:2015-08-26
【摘要】氢气锅炉在氯碱行业应用广泛,目前的氢气锅炉自动化控制程度非常高,从点炉到正常运行再到停炉,均实现自动控制。仪表控制系统在这里起到了关键作用,一旦仪表系统中的某一部分出现故障,有可能造成无法成功点炉,也有可能在......
自动故障检测与诊断在暖通空调中的运用
发布时间:2022-09-24
摘要:本文着手于自动故障检测与诊断的常用方法,通过对自动故障检测与诊断在暖通空调中的实际应用情况进行探究,并且对自动故障检测与诊断在暖通空调中的发展方向进行分析,为我国今后的自动故障检测与诊断与暖通空调的运用提供参考。......
关于网络故障的诊断问题探析
发布时间:2023-02-15
在当今这个计算机网络技术日新月异,飞速发展的时代里,计算机网络遍及世界各个角落,应用在各行各业,普及到千家万户,它给人们可谓带来了诸多便利,但同时也带来了很多的烦恼,笔者对常见的网络故障进行了分类和排查方法的介绍,相信......
铁路货车制动系统在运用中多发故障分析
发布时间:2023-03-24
摘 要:文章分析了部分铁路车辆制动系统在运用中经常出现故障的部位,和故障发生的原因及改进建议,总结了列检所在日常维修中应该注意的问题。 关键词:铁路车辆;制动系统;日常维修;故障;原因分析 中图分类号: U270.331 文献......
分析电动机常见故障及处理方法(1)论文
发布时间:2013-12-18
论文摘要:现针对电机出现故障各种现象和相应对策做一分析和研究。 论文关键词:电动机;故障;维护;检修 0 引言 运作中的电动机要严格按照国家相关质量标准进行检查以确保电动机的正常使用,运作的电动机与被拖动的设备位置要恰......
电气自动化工程控制系统研究
发布时间:2020-02-26
摘要:基于智能控制技术,将先进的数字化信息技术应用在电气自动化程序系统中,分析电气自动化在电气工程中的融合应用,包括自动化控制、优化配置、故障检测。阐述智能控制系统的发展趋势。关键词:电气自动化;优化配置;故障检测1引言作为电气工程发展中的一个重大趋势,电气自动化的存在不仅可以起到重要作用。在此技术上进行加强,可以有效地保障工程运行期间的有效性与安全性。在此基础上还可以针对运行方面的数据进行分析与.........
探析自动化控制系统设计方法
发布时间:2016-12-25
在工业控制系统中胶带机控制是一个主要的控制设备,在运输控制系统中占据很大的份额,由于胶带机的控制相当于一个单机设备的启停控制,往往视为简单的设备,不被人们重视,但是当多条胶带机时,那么系统的设计就是一个非常系统的专业的工程,......
盾构机主轴承润滑故障诊断分析及维修
发布时间:2023-07-14
摘 要:盾构机是进行地下盾构施工的重要机械设备,该设备可以防止开挖软地基时出现崩塌的情况,可以在机内安全的开展开挖或衬砌施工。文中以某盾构机构出现的故障情况为研究视角,介绍了盾构机主轴承润滑系统诊断故障的方法及解决对策......
电动汽车电池包管理控制系统研究
发布时间:2022-11-18
本文主要对电动汽车的电池包管理控制系统进行研究,在分析电池包管理控制需求的基础上完成控制器的硬件系统及功能模块的设计,通过将AD7280A菊花链型链接应用到分控制器模块的外围电路中实现隔离器数量的减少,进而使控制电路得以简化,在降低运行成本的同时显著提升电池组的稳定性及安全性,最终实现对电池包的有效管理和控制过程。【关键词】电动汽车;锂电池组管理系统;控制器;菊花链型连接新能源汽车得到了迅速的发展.........
关于汽车故障诊断技术的发展与应用现状研究
发布时间:2022-11-19
所谓的汽车故障诊断技术,主要就是利用汽车以及内燃机的相关理论,并且结合汽车故障的诊断学作为理论上的指导,通过汽车以及内燃机在结构原理、计算机控制技术等方面的分析把握来实现工作效率的不断提高。汽车诊断的智能化为汽车故障诊......
高压开关柜的故障诊断技术浅析
发布时间:2015-07-30
摘 要:高压开关柜是电网系统的主要装置,起到保护、断电等作用。高压开关柜与电网系统的安全运行存在很大的联系,但是高压开关柜很容易出现故障,直接降低了电网系统的安全性。电力企业逐渐提高对高压开关柜的重视度,采用故障诊断技......
WNPMCD及其在滚动轴承故障诊断中的应用
发布时间:2022-12-14
摘要:多变量预测模型(Variable predictive ITIOdel based class discriminate,简称VPMCD)分类方法是建立在回归模型为同方差性基础上的,而当模型出现畀方差性时,会导致预测精度降低.基于此,本文提出了WVPMCD(WLS-Variable pre......
对于铁路机车车辆运行故障监测诊断技术的研究与应用的分析
发布时间:2022-11-20
近年来科技水平不断上升,各种科学技术被研发后运用到各个行业中,有效地促进了各个行业的发展与进步。交通的便利程度是一个城市、一个国家基本经济实力的直接体现,同时也是该城市、该国家不断发展的重要基础设施与前提条件。我国有句俗语:要想富,先修路。由此可见,加强道路建设是我国发展经济、促进文明进步的,其中,铁路机车作为我国重要的交通运输工具,对方便人们出行、促进货物进出口顺利进口等方面有着重要作用。提高铁.........
水电厂电气自动化监控系统功能分析研究
发布时间:2023-04-03
摘 要:随着我国经济的持续高速发展,电力事业也进入了快速发展期。而电气自动化监控技术在水电厂中的应用,不仅使电力机械设备得到进一步发展,更是有效提升电力机械设备工作效率的重要手段。为此,本文主要就水电厂电气自动化监控系......
电动拖拉机电动悬挂系统的设计与仿真性能分析
发布时间:2016-10-18
0引言 目前,拖拉机大都采用液压悬挂系统。液压悬挂系统由液压泵、分配器、油缸、提升臂及悬挂杆件等组成。其中,液压泵、油缸、分配器结构较复杂,在工作过程中液压系统可能出现阀门卡死、安全阀失灵、泄漏等故障而使整个液压提升悬......
基于电梯控制方式分析与研究
发布时间:2023-04-03
摘要:本文首先分析了电梯的工作原理及不同的电梯控制技术,给出了不同的电梯控制方式的比较,然后总结出最适合现代工业控制的电梯控制方式。本文是个人的见解,可与同行共同探讨。 关键词:电梯控制; 继电器; plc; 中图分类号:tu85......
电动机转子故障的分析
发布时间:2023-04-28
摘要 电动机是工厂的主要运行设备,在实际运行中由于各方面的原因,电动机转子易出现各种形式的故障,为此就电动机转子的故障原因进行全面分析,找出存在的问题。根据电动机转子的不同结构,可采用多种方法进行检测;至于转子绕组的损......
基于噪声检测的水轮机组故障诊断系
发布时间:2013-12-14
噪声检测是水轮机组运行检测的一个重要项目,本文采用虚拟仪器技术、MATLAB技术和智能诊断技术,利用机组运行检测的噪声信号的特征向量,构建水轮机组故障诊断系统。系统采用LabVIEW虚拟仪器软件平台,实现机组运行噪声信号的实时采集,......
停电区域及广域同步信息基础上的电网故障快速诊断分析
发布时间:2022-07-24
摘要 文章提出以停电区域及广域同步信息为技术支撑快速诊断电网故障的新方法,以期为行业和技术发展提供方向性参考。该方法仅与故障复杂程度有关,而和保护信息没有关系,也不受网络规模的制约,诊断成果快速有效。在对故障元件识别确......
电力工程变压器故障诊断中人工智能技术的应用研究
发布时间:2023-03-05
电力工程变压器故障诊断中人工智能技术的应用研究 1 变压器故障以及诊断方法变压器的故障有多种形式,造成故障的原因也较为复杂多样,根据实际情况来看,变压器制造上的问题占据了事故发生总量的80%左右,运行维护中的问题占据了20%左右......
陶瓷搅拌设备故障诊断与解决途径
发布时间:2015-07-29
1陶瓷机械搅拌设备的组成及结构 1.1搅拌容器 搅拌容器俗称搅拌釜,结构形式通常为立式圆筒形,其高径比值主要依据操作时容器装液高径比以及装料系数大小而定。釜底形状有平底、椭圆底、锥形底等,有时亦可用方形底。 搅拌器俗称叶......