恒定加速度試驗機故障診斷與維修

谷海濤，王 飛，劉亦然

（1.航天科工防御技術研究試驗中心，北京 100854；2.天津市瑞斯甘科技發展有限公司，天津 300134）

0 引言

恒定加速度試驗機在結構和設計上具有安全、可靠和高效率，最大加速度可到100 000 g，采用微處理器控制，并勵直流有刷電機驅動，循環時間＜3 min。試驗機使用超過10 年，其半導體器件進入損耗期，故障逐步顯現，但由于試驗機主體功能和性能穩定，故障集中在控制部分。對試驗機的4 起故障進行分析，通過故障現象和診斷，精準定位，以元器件級維修代價修復控制系統，恢復試驗機的正常運行，重新煥發試驗機的效能。

1 A/D-D/A 控制板故障處理

試驗機A/D-D/A 控制卡安裝在主機右側標準總線電子電路柜中，通過Prolog 70C00 STD bus 總線與78C06 多功能卡中的Z80 處理器進行通信。控制卡在上電自檢通過后，連續采集并實時檢測設備在多種工作模式（設備初始化，電機加速、保持、再生模式，設備復位模式）下測試運行前及運行中的設備模擬量輸入狀態信號及模擬量輸出控制信號。其包含多路模擬量輸入信號：電機溫度與主旋轉軸承溫度（熱電偶信號），離心腔室內真空度信號，主軸旋轉軸向偏擺度信號及電子電路工作用的基準電壓和電源電壓分別為50 mV、5 V、9.5 V、±15 V。該卡具有0～10 V 數字轉模擬輸出，此信號用于電機轉速控制，控制電壓0～10 V 對應主軸旋轉轉速0～20 000 r/min。此電壓信號經過電機控制信號隔離電路板調理后輸出給電機控制器。

1.1 故障現象

設備LCD 人機界面提示OVERSPEED 報警，FAILURE 燈亮，并自動控制電機減速終止試驗。

1.2 故障判斷

（1）檢查供電電源及儀器低壓電源輸出電壓，檢查結果正常。

（2）檢查儀器皮帶傳動自動張緊裝置，檢查結果正常。

（3）檢查儀器內部保護互鎖電路，檢查結果正常。

（4）進入儀器設置模式，檢查設備運行參數設置，檢查結果正常。

（5）進入儀器診斷維護模式，進行模擬低速運行測試，使用數字多用表測量電機控制器的控制信號輸入端，實測電壓-12.7 V，超出正常值范圍（0～10 V）。

（6）測量電機控制信號隔離電路板前端的輸入信號，實測結果約為-12.9 V、超出正常值范圍，初步判斷儀器AD/DA 控制卡有問題。

1.3 故障處理

（1）經過對AD/DA 控制卡電路進行分析和檢查，測量該控制卡上模擬電壓輸出的數模轉換芯片（DAC811JP）的10 V 基準電壓輸出引腳與輸出電壓，測量結果超出正常值范圍，判斷此芯片損壞。

（2）使用該控制卡上另一只同型號芯片進行替換，并測量引腳電壓，測量結果正常。

（3）更換該數模轉換芯片，并通過對隔離運放卡增益、偏移電位計進行調整，試驗機恢復正常。

2 電機控制器故障處理

試驗機的電機控制器安裝在主機的背板左下角，該控制器利用可控硅搭建H 橋單相全波整流驅動一臺有刷直流電機。該控制器最大額定功率5 HP（3.675 kW），輸入電壓為AC 230 V，工作電流36 A，最大電樞電壓180 V，電樞電流23 A；勵磁電壓200 V，勵磁電流1 A。控制器輸入信號：（-15～0～15）V 電機轉速控制基準信號，電機轉速反饋信號，電機運轉使能信號。輸出信號：±15 V 基準電壓信號。控制器具有控制方式簡單，啟動電流大，電機加速快的特點。

2.1 故障現象

試驗機在進入減速階段，瞬間熔斷電機控制器保險管，設備停機。

2.2 故障判斷

（1）檢查供電電源及儀器穩壓電源輸出電壓，檢查結果正常。

（2）在電機在加速與保持階段運行正常，排除電機本身問題，重點排查電機控制信號與電機控制器。

（3）檢查電機控制信號隔離電路板輸出的電機轉速控制信號，在不同轉速設置下，加速、保持、減速階段電壓輸出均正常。

（4）檢查電機使能控制信號，檢查結果正常。

（5）檢查電機控制器主回路接觸器，中間控制繼電器，檢查結果正常。

（6）交換可控硅驅動塊進行檢查，檢查結果故障依舊，判斷可控硅工作正常。

（7）采用排除法，判斷控制器整流控制板有問題，由于沒有備用板卡可以替換，決定對該電路板進行維修。

2.3 故障處理

（1）在控制器電源電路加裝D 型40 A 2P 斷路器，采用串聯方式安裝，起到短路保護作用的同時有效減少維修過程中保險管的損耗。

（2）清潔/更換主回路接觸器及電路控制繼電器觸點。

（3）采用阻性負載功率電阻作為假負載，將工作電流降低到安全范圍內。

（4）利用整流控制板輸出的±15 V 參考電壓結合電位計調壓，模擬電機控制過程進行檢查，最終確定減速過程起限流作用的三極管2N3569 燒壞。

（5）更換該三極管后，試驗機恢復正常。

3 電機控制器故障處理

3.1 故障現象

試驗機在運行測試過程中，隨機出現電機控制器保險管熔斷現象。

3.2 故障判斷與處理

（1）不同于穩定出現的故障現象，此故障具有一定隨機性，造成電機過流的原因較多，采用排除法減小故障出現的范圍。

（2）檢查電樞、勵磁線圈絕緣阻值正常，檢查電機電樞、電感、勵磁電氣回路的連結并緊固。

（3）清潔、保養電樞結構換向器與碳刷。

（4）清潔電機回路主接觸器及控制繼電器觸點，更換電機使能信號固態繼電器。

（5）使用帶記錄功能的數字多用表與示波器監控電源電壓波動情況，檢查結果正常。

（6）監控儀器運行期間電機使能信號、轉速電壓信號、轉速反饋電壓信號，檢查結果正常。

（7）在排除以上干擾因素后，將故障點范圍縮小到電機整流控制板。

（8）接入假負載，并調制控制、反饋電壓信號，使控制電路運行在穩定狀態，采用敲擊法進行檢查，在測試中發現調整±15 V“零點點位”平衡的P5 BAL 電位計（圖1）在敲擊時出現松動，導致運放電位有輕微波動，使用熱熔膠固定處理。

圖1 電機控制電路板

（9）使用大功率電爐絲做假負載提高工作電流，并調整控制信號，使控制器運行在不同的工況，分別對電流采樣電路、控制信號運放電路、反向運放電路、鎖相環電路進行監控（圖2），最終監控到電流采樣運算放大芯片LM741CN 輸出信號在放大區域內非線性，在特定條件下有突變信號，判斷LM741CN 損壞。

圖2 電流采樣放大器輸出信號

（10）更換LM741CN 芯片后，連續試驗100 次未再出現故障，試驗機恢復正常。

4 電機控制信號隔離電路板故障處理

4.1 故障現象

試驗機在進入離心測試流程過程中，離心主軸旋轉加速運行并快速超出設定值，直至觸發超速報警后進入緊機停車狀態。

4.2 故障判斷與處理

（1）分別設置不同轉速測試，每次測試故障現象一致。且測量電機驅動器中轉速控制電壓信號均為12.7 V，主軸轉速反饋電壓與實際轉速呈線性變化，初步推斷此12.7 V 轉速控制信號異常。

（2）經過檢查發現，在AD/DA 輸出板與電機驅動器之間有電機控制信號隔離電路板（圖3）。經過實際測量、查詢芯片資料分析后得知此板基本功能：隔離板分別將轉速控制電壓信號和實際轉速信號進行1∶1 隔離后輸出給電機驅動器。隔離運放U1、U2（ISO100AP）輸入端電源±15 V 來源于試驗機低壓電源，輸出端電源±15 V 來源于電機驅動器輸出。兩個電源零位存在約100 V 壓差；AD/DA 板輸出模擬量主軸驅動電壓信號接入隔離運放U1 一次輸入端，進行1∶1 隔離放大后二次輸出信號接入常開繼電器K1 的NO 點。K1 得電動作，驅動電壓信號輸出至電機驅動器，電機進入啟動狀態；K1 失電，電機驅動信號接至零電位（電機控制器零電位），電機轉入剎車/再生階段；主軸轉速脈沖信號經由隔直電容C3 后接入FVC（Frequency to Voltage Converter）芯片U3 輸出電壓信號，此信號分別經過R3、R13 多圈電位計調整電壓的增益與偏移來保證實際轉速與設定轉速一致，最終經由U2 進行1∶1 隔離放大后輸出給電機驅動器轉速反饋。

圖3 電機控制信號隔離電路板

（3）梳理電路板功能后，故障判斷思路逐漸清晰。斷開電機驅動器可控硅部分電氣連接，保留±15 V 電源輸出。進入試驗機診斷模式，分別設定不同轉速后對隔離板上關鍵點位進行測量得知，轉速設定0～20 000 r/min時，電壓控制信號為0～10 V，但經由U1 后輸出12.7 V 未發生改變。使用板上同型號U2 替換后，輸出電壓變化與一次端保持一致。由此判定U1 芯片損壞。

（4）替換該芯片后，恢復設備測試，超速故障恢復正常。存在實際轉速與設定值偏差大的問題，經調整R3、R13 電位計校準主軸轉速后，設備恢復正常使用。

5 結語

隨著恒定加速度試驗機服役年限越來越長，設備故障率開始逐漸頻繁，尤其針對恒定加速度試驗機運轉中本身存在振動的情況，設備維護人員需要加深對設備的運行狀態及電子電路的深入研究分析，進一步掌握控制系統的原理，挖掘出故障深層次本質原因。并可使用可靠成熟的新技術工藝，對故障頻發的部件進行升級改造。進一步做到設備預防性維修，降低設備故障，延長設備使用壽命，創造更大的價值。