交直流调速控制系统故障检测仪设计

杨成禹，王爱荣，叶 鹏，徐亭彬

(1.军事交通学院 科研部，天津 300161； 2.军事交通学院 军事物流系，天津 300161；3.71357部队，山东 莱阳 265206)

● 车辆工程 Vehicle Engineering

交直流调速控制系统故障检测仪设计

杨成禹1，王爱荣2，叶 鹏1，徐亭彬3

(1.军事交通学院 科研部，天津 300161； 2.军事交通学院 军事物流系，天津 300161；3.71357部队，山东 莱阳 265206)

为给部队蓄电池车辆故障排除提供一种新的检测手段，根据交直流调速控制系统在部队蓄电池车辆上的使用情况，分析调速控制系统的故障，构造调速控制系统故障检测仪菜单列表，设计故障检测仪通信硬件电路和软件数据格式。通过试验，验证了设计的故障诊断仪能够满足部队使用要求。

调速控制系统；故障分析；故障检测仪

蓄电池车辆在我军后勤领域有着广泛应用，据统计，在全军各类仓库共配备蓄电池车辆数千辆。但其调速控制器的故障率较高，故障排除困难，且缺少技术手段，一定程度上影响了我军的保障能力。研究蓄电池车辆调速控制器的故障诊断，对于加强蓄电池车辆的维护，提高我军后勤保障能力，起着重要作用。

1 部队调速控制器使用情况

1.1 调速控制器和故障检测仪配备情况

蓄电池车辆具有噪声小、无废气排放、控制方便等优点，在我军弹药库、油料库、器材库和被装库被广泛使用。经调研发现，我军各类仓库配备蓄电池车辆数量不等，其中以洞库和立体库配备最多，但相应的故障检测仪数量少。一般洞库配备蓄电池叉车几台到十几台，蓄电池牵引车根据牵引距离不等配备数台。少数的先进地面立体库配有一定数量交流型托盘车和堆垛车，但配套故障检测仪仅一两台。在配备的蓄电池车辆中，早期的主要以直流萨牌H1型调速控制器为主，近期配备的战储车型为AC1型交流调速控制器。各团级仓库基本没有可替代的维修备件使用，当遇到紧急任务车辆损坏时，一般采用备用车辆进行作业，损坏车辆等待检修所技术员进行修理。

1.2 常见使用故障

部队仓库使用的蓄电池叉车、牵引车，常见的故障有车辆只能单向行走、车辆速度过慢等非完全损坏性故障[1]，故障情况见表1。

表1 仓库蓄电池车辆常见故障

通过表1可以看出，蓄电池车辆出现非损坏性故障的频率很高，如果完全采用替代的方法排除故障，不仅时间周期长、维修成本高，而且还会影响作业效率。所以，研究交直流调速控制系统故障检测仪，对于解决部队需求、提高维修保障能力，有很重要的作用。

2 调速控制系统故障

故障检测仪是用来检测调速控制系统故障的仪器，在设计故障检测仪前，必须对调速控制系统存故障情况进行分类。

调速控制系统故障可以根据系统的组成分为调速控制器故障和调速控制系统辅件故障。调速控制器是集成的电子设备，故障相对复杂和繁多；调速控制系统辅件故障根据整个系统外围辅件的数量确定，一个辅件一般只实现一个功能，其故障相对简单。对部队常用的H1B直流调速系统和AC1交流调速系统进行故障分析，为故障检测仪设计提供故障数据库。

(1)H1B直流调速控制系统故障分析。H1B直流调速控制系统包括萨牌H1B调速器、直流串励电机、主接触器和换向接触器、加速器、微动开关、安全开关或手刹、蓄电池等。对H1B直流调速控制系统故障进行分类(如图1所示)。

图1 H1B直流调速系统故障分类

H1B调速控制器可以对外部的故障进行检测，外围的辅件故障信息可以传递到调速器内部，然后通过通信到达故障检测仪。外围的故障包括损坏性故障和非损坏性故障，非损坏性故障可以通过调试和设置进行排除。通过信息传递，故障检测仪可以指示操作人进行故障排除。

(2)AC1交流调速控制系统故障分析。AC1交流调速控制系统包括萨牌AC1交流调速控制器、交流电机、主接触器、加速器、运行微动开关、安全开关或手刹、蓄电池、钥匙开关、显示仪表等。对AC1交流调速控制系统故障进行分类(如图2所示)。

图2 AC1交流调速系统故障分类

在交流调速系统中，调速器内部故障和外围辅件故障中都存在非损坏性故障，所占比例30%左右，可以仅通过故障检测仪排除这30%的故障，对剩下的故障做指示说明，所以设计故障检测仪对调速控制系统有重要作用。

3 故障检测仪设计

3.1 硬件设计

设计故障检测仪，兼容H1B和AC1两种型号控制器，首先要保障硬件上兼容。故障检测仪的工作基于与调速控制器之间的数据通信，数据通信采用串口方式实现[2]。

两种单片机之间的通信，只需要将一个单片机发送连接到另一个接收，而接收连接发送即可实现通信。考虑到两种型号的兼容，保证5V、3.3V单片机系统可以通用，将故障检测仪和调速控制器物理隔离，通信采用光耦连接，并采用上拉电路。图3所示为故障检测仪信号发射端的硬件电路。

图3 故障检测仪信号发送电路

信号高低电平通过TX_G端发出，通过PNP三极管Q2扩大驱动电流，控制光耦U1，光耦U1实现两个系统的物理隔离，光电信号传递，将信号传递到另一侧。在光耦的输出端，也就是调速控制器的接收端，RX_K可能出现的信号电平为12 V/0、5 V/0两种情况，采用VX电压的4.7K上拉电阻，12 V/0信号电平选择VX为12 V上拉，5 V/0信号电平选择5 V上拉，可以实现调速控制器端的信号通用。

图4所示为故障检测仪信号接收端的硬件电路，两个系统之间也是采用U2光耦进行隔离，在故障检测仪接收端，采用系统自带5 V电源实现信号的传输。在调速控制系统发送端，VXK的电压大小可以适应两种不同的控制器，实现型号的通用。

图4 故障检测仪信号接收电路

3.2 软件设计

3.2.1 菜单设计

故障检测仪是调速控制器的人机交互设备，为了尽可能多地提供调速系统信息，辅助工作人员对调速控制器进行调试、设置和故障诊断[3]。根据调速控制器的功能，将故障检测仪的菜单设置功能分为5类：一般参数设置、一般参数查询、专业性参数查询、专业性参数设置、故障查询。图5所示为故障检测仪菜单列表设置情况。

图5 故障检测仪菜单列表情况

由菜单可以看出，一般性参数查询和设置的表单项目要远远多于专业性参数查询和设置表单项目，这说明故障检测仪实现的功能对于普通人来说适用，部队战士经过简单的培训之后就可以掌握故障诊断仪大多数功能的使用方法，这利于故障检测仪在部队推广应用，为部队解决实际问题。

3.2.2 数据通信格式

故障检测仪使用的是串口通信获取调速控制器的状态信息。软件设计的首要问题就是如何使用ASC码对调速控制器的状态进行描述[4]。为保证故障检测仪准确地获取调速控制器的状态信息，对通信的数据格式进行定义，一个完整的数据链格式如图6所示。

图6 通信数据链格式

在数据链中，包头和包尾用于指示数据通信的完整性，包头表示数据发送的开始，包尾表示数据发送的结束。包头和包尾可以使用特定的ASC码来表示，要求使用的ASC码不能包括在命令和数据链的数值范围内，比如可以采用23h(#)表示包头，24h($)表示包尾。命令包含两层意思：一层命令表示是查询参数还是设置参数，二层命令表示操作的具体参数。所以命令包括了两个ASC码，这里一层有5个命令，可以采用31h～35h来分别表示，二层根据不同的菜单包含的操作数不同命令数不同。数据则表示当前数据链需要发送的关键信息，采用3位ASC码来表示。每一位ASC码用30 h～39 h表示十进制数的0～9。校验码用于保证命令和数据通信的准确性。将命令和数据信息根据一定的规则进行计算，得出一组校验码，放入通信数据链的尾部。采用尾数相加的办法，取尾数和转换成ASC码进行数据的校验。表2列举了数据通信格式的几种实例。

表2 数据通信格式举例

4 试验验证

为验证设计的故障诊断仪的可行性，在某仓库分别对2台蓄电池叉车进行了试验，叉车分别使用H1B直流调速系统和AC1交流调速系统，分别对叉车正常运行状态和两种故障状态进行检验。检测仪显示模块能够把重要信息传递给操作人员，显示电动叉车当前运行情况，有利于操作人员及时了解蓄电池叉车的状态，如电流大小、系统温度和蓄电池容量等。

(1)利用故障诊断仪对状态良好的叉车正常行驶状态进行检测，检测仪状态检测显示的电流、温度、电池电压、电机电压等参数均属正常范围。

(2)用导线将调速控制器主MOS管的漏源两极短接，使叉车产生短路故障，此时故障诊断仪显示“主MOS管短路”，说明检测故障结果准确。

(3)打开电锁，电路上电复位。此时，叉车电路连接正常，但电瓶电压过低。利用故障诊断仪进行检测，显示“电瓶电压低”，说明故障判断正确。

试验证明，设计的智能检测仪能够显示调速控制系统中出现的故障，有利于维修人员及时发现故障和排除故障。

5 结 语

本文分析了部队常用的萨牌H1B直流调速系统和AC1交流调速系统的故障情况，设计了调速系统故障检测仪菜单列表、通信硬件电路和软件数据格式，并通过试验验证了设计的可行性。

[1] 肖云魁.汽车故障诊断学[M].北京:北京理工大学出版社,2006:33-57.

[2] 朱大奇.电子设备故障原理检验与实践[M].北京:电子工业出版社,2004:73-75.

[3] 孙丰涛，张承慧.变频器故障诊断技术研究与分析[J].电机与控制学报,2005(5):13-17.

[4] 陈琳.蓄电池车辆调速控制系统故障诊断仪的设计与实现[D].天津:军事交通学院,2008:36-38.

(编辑：张峰)

Design of Fault Detector for AC and DC Speed Control System

YANG Chengyu1, WANG Airong2, YE Peng1， XU Tingbin3

(1.Scientific Research Division, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Military Logistics Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;3.Unit 71357, Laiyang 265206, China)

To provide a new detecting method for trouble clearing of battery vehicle in the army and lay a technical foundation for designing the fault detector of AC and DC speed control system, the paper analyzes the fault of the speed control system according to the usage of AC and DC speed control system in battery vehicle in the army, and sets the fault detector menu lists of speed control system and designs the hardware circuit and software data formats of fault detector. The experiment proves that this fault detector can meet the demand of the army.

speed control system; fault analysis; fault detector

2016-06-24；

2016-07-04．

军事交通学院科研基金项目．

杨成禹(1986—)，男，硕士.

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.01.012

TP206．3

A

1674-2192(2017)01- 0050- 05