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(中國北方車輛研究所，北京 100072)

基于BIT技術的電氣系統(tǒng)故障診斷方法

張思寧，李申，王雪濤

(中國北方車輛研究所，北京100072)

隨著電子技術的不斷發(fā)展，大量先進的電氣設備裝備在車輛上，電氣系統(tǒng)承擔的任務越來越多，地位也越來越重要；電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障如果不能及時檢測并排除，故障就有可能進一步擴大，造成功能失效，影響整車任務的執(zhí)行；近年來，電氣系統(tǒng)的數字化程度逐步提高，總線技術也得到了充分應用，為電氣系統(tǒng)在線故障診斷提供了有利條件；以數字化部件為基礎，選取某控制系統(tǒng)為電氣系統(tǒng)的代表子系統(tǒng)，開展電氣系統(tǒng)BIT技術研究；根據子系統(tǒng)的典型故障，執(zhí)行電機工作故障、傳感器短路斷路故障、電爆管故障、通信模塊故障等給出了相應的故障檢測方法，并設計了故障診斷電路；以樣機為基礎，采用上電BIT、周期BIT和維護BIT三種方式，對系統(tǒng)的典型故障進行了驗證；結果表明，研究方法對電氣系統(tǒng)在線故障診斷設計具有一定的指導意義。

機內測試；故障診斷；故障檢測

0 引言

隨著特種車輛電氣化水平的不斷提高，大量的控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)技術運用到裝甲車上，系統(tǒng)內部結構的復雜程度、信號的交連程度、任務的相關度也越來越高，在提高裝備的功能的同時，也帶來了維護保障的困難，一旦發(fā)生故障，故障模式不易確定。尤其是在野外，系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，乘員無法按傳統(tǒng)的故障診斷方法對車輛進行簡單處理，即使在維修分隊，采用傳統(tǒng)的修復方法，也很難準確定位故障原因。

多年來，車輛維護保養(yǎng)維修從早期的“被動式維修”到“主動式預防維修”，一直到現(xiàn)今的以可靠性理論為指導的“現(xiàn)代維修”階段，電氣系統(tǒng)的故障信息和故障診斷技術的綜合利用已經成為影響著車輛產品應用的重要技術之一。

1 電氣系統(tǒng)BIT設計分析

根據對電氣系統(tǒng)故障的統(tǒng)計與分析，數字控制部件故障是常見故障。數字控制部件的故障主要是指電氣系統(tǒng)中各種控制盒內部電路的故障，故障外部的表現(xiàn)方式為控制系統(tǒng)不能工作或輸出控制信號錯誤，控制系統(tǒng)故障診斷對象主要是控制盒內部數字電路的故障。目前在航空和軍用裝備領域，應用較多的設計方法主要包括余度BIT和回繞BIT。余度BIT是采用增加傳感器和電路通路的數量實現(xiàn)故障診斷，這種方式會增加部件體積和成本，因此該方法在電氣系統(tǒng)BIT設計中很少采用；回繞BIT是由微處理器實現(xiàn)診斷的一種BIT設計方法，通過硬件電路閉環(huán)設計，測試輸入和響應輸出之間的比較分析，由CPU完成系統(tǒng)硬件模塊或分系統(tǒng)的功能測試及故障診斷。

根據電氣系統(tǒng)的特點和使用要求，BIT設計除關重傳感器部件采用冗余設計方法外，其余均采用環(huán)繞BIT設計方法；考慮在線故障診斷需求，數字控制部件BIT工作模式采用啟動BIT、維護BIT和回繞BIT三種工作模式。系統(tǒng)啟動后，首先通過啟動BIT功能實現(xiàn)系統(tǒng)硬件電路的全面檢測。維護BIT功能由操作人員通過直接手動操作實施系統(tǒng)在線或地面測試時的各硬件單元故障診斷。上位機控制BIT工作模式是指受上位機控制可隨時選擇性實現(xiàn)不同部件的檢測即故障診斷。

2 典型子系統(tǒng)故障統(tǒng)計

某控制系統(tǒng)主要由傳感器、報警器、風扇電機、控制盒和執(zhí)行器等部件組成。系統(tǒng)功能結構比較復雜，既包含數字電路也包含模擬電路，又存在功率較大的機電設備等執(zhí)行部件，對于電氣系統(tǒng)來說具有一定的代表性，所以選擇該系統(tǒng)作為研究對象。

該子系統(tǒng)的典型故障統(tǒng)計如表1。

表1 控制系統(tǒng)典型故障模式表

3 典型子系統(tǒng)故障檢測方法

3.1 傳感器開路或短路故障檢測方法

針對子系統(tǒng)中傳感器開路或者短路的故障，采用通過恒流源給出小電流的方法進行故障檢測。故障檢測原理圖如圖1所示。

圖1 傳感器故障檢測

具體實現(xiàn)方案為：由恒流源產生恒定的小電流，在待檢測傳感器不工作的情況下或不造成器件損壞的前提下，經過與檢測控制信號的比較，恒流源產生的小電流I通過采樣電阻Ra、待檢測傳感器、采樣電阻Rb和車體地形成檢測通路，通過信號采樣得到檢測電阻Ra和Rb兩端的電壓Ua、Ub，并通過判斷電壓Ua、Ub的狀態(tài)，得到待檢測傳感器的故障狀態(tài)和診斷結果。

設定Ra=Rb，判斷依據和結果：

1)如果Ua=Ub≠0,則為正常狀態(tài)。

2)如果Ua=Ub=0，則為斷路狀態(tài)。

3)如果Ua=RaI,Ub=0，則為短路狀態(tài)。

4)如果Ua=RaI≠Ub≠0則為漏電狀態(tài)。

3.2 風扇電機工作故障檢測方法

風扇電機故障包括勵磁回路短路、斷路及電樞回路參數畸變等故障，采用通過向風扇電機的電樞和勵磁回路輸入不同頻率的脈沖電壓檢測信號的方法，進行風扇電機故障的檢測，故障檢測原理如圖2所示。

圖2 風扇電機故障檢測

具體實現(xiàn)方案為：在待測的風扇電機不進入工作狀態(tài)的前提下，改變脈沖電壓信號的頻率ω，測量RT兩端的電壓UT，通過實測RT兩端的電壓值，判斷風扇電機回路及電樞回路的故障狀態(tài)，進而得到相應的診斷結果。

判斷依據和結果：

1)當風扇電機的狀態(tài)正常時，輸入幅值恒定頻率變化的一組信號，得到正常狀態(tài)下的電壓測試信號UT0。將實測電壓信號與UT0進行比較，當|UT-UT0|≤ξ時，則風扇電機為正常狀態(tài)。

2)當RT兩端的電壓UT=Us=Acosωt時，則風扇電機的電樞回路或勵磁回路發(fā)生短路故障。

5)當風扇電機處于故障狀態(tài)，且排除2)～4)的故障種類，則風扇電機為回路參數故障。

3.3 電爆管故障檢測方法

電爆管輸入電路故障檢測采用通過附加電路產生激勵的方法，在有激勵信號輸入的情況下判斷檢測模塊的響應，確定當前電路的狀態(tài)。

具體實現(xiàn)方案為：由CPU發(fā)送檢測信號，經由光耦、三極管等器件，給定檢測電路附加的激勵信號，檢測檢測信號的輸出，即可實現(xiàn)電路當前故障狀態(tài)的判斷。

電爆管驅動輸出電路故障檢測采用通過CPU產生驅動信號，再檢測電路測試響應，比較驅動信號和檢測信號的關系，確定當前電路的狀態(tài)。

具體實現(xiàn)方案為：CPU上電后控制PWM信號輸出端口輸出低電平信號，經驅動電路使MOSFET導通。如果MOSFET處于正常狀態(tài)，其導通壓降比較小，因此檢測回路中光耦無法導通，輸出檢測信號為高電平；如果MOSFET發(fā)生斷路故障，勵磁電壓直接加在光耦器件原邊，光耦導通，輸出檢測信號為低電平。CPU通過判斷檢測信號的電平狀態(tài)即可實現(xiàn)電爆管驅動輸出電路斷路故障診斷。同理可以檢測電爆管驅動輸出電路短路故障。

3.4 通信模塊故障檢測方法

針對CAN總線通信電路，采用硬件上發(fā)送、接收回繞檢測方法實現(xiàn)對其進行故障測試與診斷?；乩@檢測方法電路原理如圖3。

圖3 CAN通信回繞檢測電路原理圖

圖4 控制系統(tǒng)BIT硬件單元恒流源電路圖

核心控制CPU，通過控制回繞開關實現(xiàn)信息從發(fā)送端到接收端的自發(fā)自收檢測。通過判斷自發(fā)自收檢測過程中發(fā)送郵箱和接收信箱數據，實現(xiàn)CAN通訊功能模塊的故障測試。

4 控制系統(tǒng)BIT設計

針對表1所示控制系統(tǒng)典型故障模式集，首先基于BIT設計方法構建備用測試集。目前，較為通用的數控系統(tǒng)BIT設計方法主要包括冗余BIT、環(huán)繞BIT、并行BIT和基于邊界掃描的數字BIT。

1)冗余BIT。

冗余BIT通過增加與被測電路相同功能冗余電路的方式，基于兩組電路輸出結果比較實現(xiàn)待測電路的故障診斷?；谌哂郆IT的在線故障診斷具有不影響系統(tǒng)正常工作，且易于實現(xiàn)故障隔離功能等優(yōu)點，但設計成本較高，通常用于關鍵部件的故障診斷。

2)環(huán)繞BIT。

環(huán)繞BIT廣泛應用于以微處理器為核心的系統(tǒng)外圍硬件模塊的功能性故障檢測中，采用增加檢測電路與被測硬件單元形成環(huán)路的方式，通過處理器I/O或其它接口實施激勵并判斷測試環(huán)路響應結果，實現(xiàn)待測硬件單元的故障檢測。環(huán)繞 BIT具有原理簡單、設計靈活以及成本低廉等優(yōu)點，在裝甲車輛數控電氣子系統(tǒng)中具有很好的應用前景。

3)并行BIT。

并行BIT是指系統(tǒng)在執(zhí)行正?？刂乒δ艿耐瑫r，完成待測電路及硬件單元的故障檢測，具有BIT電路設計簡單、開發(fā)成本低和耗費系統(tǒng)資源少等優(yōu)點，不足之處在于其檢測功能的觸發(fā)受系統(tǒng)控制時序的限制。

4)基于邊界掃描的數字BIT。

基于邊界掃描的數字BIT設計是針對集成電子器件的故障檢測方法。借助待測器件內置的邊界掃描結構，由系統(tǒng)控制邊界掃描控制器實現(xiàn)器件靜態(tài)功能和線路連接等故障的在線檢測。與其它三種BIT設計方法相比，基于邊界掃描的數字BIT能突破物理訪問限制，具有測試范圍廣、標準化程度高等優(yōu)點，但BIT設計成本較高，且內置邊界掃描結構的電子器件獲取也存在一定困難。

結合子系統(tǒng)系統(tǒng)的功能結構特點，應用上述BIT設計方法，設計了子系統(tǒng)典型故障相應的測試方法。

表2 典型故障測試方法

5 控制系統(tǒng)BIT設計具體實現(xiàn)

5.1 基于環(huán)繞BIT的傳感器故障診斷設計

針對傳感器的開路、短路及漏電等故障，基于BIT的控制系統(tǒng)傳感器故障診斷設計中，采用變Id條件下測量多組Ua、Ub并通過融合判斷的方式獲取最終診斷結論，有效提高了故障診斷結果的可靠性。圖4中R5/R6=R4/R7，恒流源電路輸出電流Id與基準電壓V1之間關系表達式為:

5.2 基于環(huán)繞BIT的風扇電機線路故障診斷設計

風扇電機屬于控制系統(tǒng)外圍執(zhí)行部件，按其屬性可歸類為直流并勵式電機類負載。風扇電機線路故障診斷實現(xiàn)過程如下：

1)離線獲取風扇電機正常狀態(tài)下的UT測試序列基準值UT0(i)和線路基準參數La0、Rf0和Lf0，并定義誤差容許上界ξ；

2)控制系統(tǒng)初始化，裝載初始參數值UT0(i)、La0、Rf0、Lf0和ξ；

3)當接收到故障檢測指令，由DSP輸出PWM脈沖序列控制，系統(tǒng)向風扇電機順序施加頻率為ω=ωi(i=0,1,2…N)脈沖電壓激勵，A/D獲取UT(i)；

4)判斷∑|UT(i)-UT0(i)|lt;ξ是否成立；如成立，判定風扇電機不存在線路故障；否則，計算風扇電機當前La、Rf和Lf，與La0、Rf0、Lf0對比判定線路故障狀態(tài)。

5.3 基于環(huán)繞BIT的報警信號處理電路故障診斷設計

針對報警信號處理電路功能異常故障，采用環(huán)繞型BIT檢測方法，具體電路如圖5所示。

圖5 報警信號處理電路故障BIT檢測電路圖

系統(tǒng)硬件設計中，增加了環(huán)繞BIT測試電路與系統(tǒng)原有報警信號處理電路構成故障測試回路。當控制器I/O輸出故障檢測使能信號后，由圖示環(huán)繞BIT測試電路模擬生成當前報警信號，如報警信號處理電路功能正常，該信號能夠被控制器I/O輸入端正確檢測；否則，報警信號處理電路存在功能異常故障。為提高檢測結果的準確度，通常輸出多次檢測使能信號，基于多次診斷結果判定故障狀態(tài)。

5.4 電爆管驅動電路及引爆回路BIT設計

電爆管的在不小于3A直流電流的作用下才能可靠引爆。因此，控制系統(tǒng)硬件設計中，DSP 輸出引爆I/O信號需經過驅動電路進行隔離和功率放大處理?；诓⑿蠦IT方法設計電爆管驅動電路的故障診斷電路。

圖6 電爆管驅動電路及引爆回路故障診斷電路圖

其工作原理描述如下：DSP輸出低電平檢測信號導通光耦及三極管T1；此時，T1集電極電壓經R10與引爆回路、R11并聯(lián)阻值串聯(lián)分壓后控制T3及后續(xù)光耦電路；當存在引爆回路開路故障，引爆回路與R11的并聯(lián)阻值較大，T3及光耦U3導通，引爆回路狀態(tài)信號輸出高電平；引爆回路狀態(tài)正常時，其回路阻值很小，與R11并聯(lián)后獲取的分壓值不足以導通T3，此時引爆回路狀態(tài)信號為低電平。

5.5 CAN總線通信電路BIT及冗余功能設計

控制系統(tǒng)CAN總線通電路具體設計如圖7，該電路除具備基于環(huán)繞BIT的在線故障診斷功能外，還可實現(xiàn)主回路故障狀態(tài)下的冗余通信，能有效隔離總線故障，提高了總線信息交互的可靠性。

圖7 控制系統(tǒng)CAN總線通信電路圖

6 試驗驗證與分析

6.1 驗證方法

基于上一節(jié)的設計，進行樣機驗證。驗證采用上電BIT、周期BIT和維護BIT三種方式。

1)上電BIT。

上電BIT由系統(tǒng)加電啟動，在系統(tǒng)未運行正?？刂乒δ苤八鶊?zhí)行的測試功能?？刂葡到y(tǒng)的上電BIT功能不受總線控制，主要針對系統(tǒng)關鍵電路或硬件單元故障。

2)周期BIT。

周期BIT屬于非入侵式測試，是指在不干擾系統(tǒng)執(zhí)行正常工作的同時，針對相關軟、硬件單元實施的后臺故障診斷功能。周期BIT故障診斷功能的觸發(fā)不受總線控制，實施測試的種類和觸發(fā)時間由系統(tǒng)功能時序決定?？刂葡到y(tǒng)BIT功能設計中，當運行BIT檢測到系統(tǒng)故障時，故障消息以事件觸發(fā)的方式通過CAN總線實時上傳。

3)維護BIT。

維護BIT應維修人員的請求進行，通過操作駕駛員顯控終端發(fā)送總線指令的方式觸發(fā)，對系統(tǒng)進行更為詳盡和廣泛的檢查，為車輛乘員提供系統(tǒng)當前狀態(tài)信息。當接收到總線傳輸的測試BIT使能指令后，控制系統(tǒng)由正常工作模式進入系統(tǒng)自檢模式，開始執(zhí)行預設故障檢測任務，并存儲故障狀態(tài)信息；檢測結束后，系統(tǒng)恢復正常工作模式，并通過總線上傳系統(tǒng)當前狀態(tài)信息。

6.2 試驗步驟

1)在系統(tǒng)上電模式測試電源故障、CAN總線通信故障、傳感器故障和報警信號處理電路故障。

2)在系統(tǒng)運行模式測試電爆管引爆驅動電路和引爆回路故障。

3)在系統(tǒng)自檢模式測試應盡量包涵故障測試集中的所有可測試故障。測試針對典型故障，完成除電源故障和電爆管引爆驅動電路故障外的所有故障模式的檢測。

6.3 試驗結果及分析

上電BIT：設置外部系統(tǒng)供電電壓超限，對應的電源故障狀態(tài)指示燈點亮；制造CAN總線通信故障，對應的總線通信故障狀態(tài)指示燈點亮；當檢測到傳感器故障時，控制器屏蔽自身驅動控制功能，同時將故障狀態(tài)通過CAN總線上傳，由顯示終端顯示當前故障狀態(tài)。當檢測到報警信號處理電路故障時，控制器屏蔽自身控制功能，同時將當前故障狀態(tài)通過CAN總線上傳，由顯示終端顯示當前故障狀態(tài)。

周期BIT：針對電爆管引爆驅動電路故障，制造火警信息，進行對應的BIT測試，引爆驅動電路狀態(tài)指示正常；針對電爆管引爆回路故障，上電BIT結束后，周期運行對應的BIT測試狀態(tài)，引爆回路電路指示正常，使得電爆管為斷路，進行測試，引爆回路電路指示故障。

維護BIT：進行除電源故障和電爆管引爆驅動電路故障外的其他故障的檢測試驗，試驗結果同上。

通過三種BIT測試,在控制系統(tǒng)不同的工作模式下,可以完成控制系統(tǒng)典型故障的測試和診斷。

7 結束語

電氣系統(tǒng)內部結構較為復雜,信號的交連程度、任務的相關度也較高，數據總線在特種車輛上的廣泛使用，為電氣系統(tǒng)在線故障診斷技術的研究和應用提供了有利條件。以數字化部件為基礎，選取某控制系統(tǒng)為電氣系統(tǒng)的代表子系統(tǒng)，開展電氣系統(tǒng)BIT技術研究。通過對電氣系統(tǒng)子系統(tǒng)典型故障的分析，給出了相應的檢測方法，設計故障診斷電路并進行了樣機驗證，可以較好地完成典型故障的在線診斷，為電氣系統(tǒng)故障診斷技術研究提供了一種實現(xiàn)方法。

[1] 李璇君.航空發(fā)動機數字控制器與航空電子綜合系統(tǒng)BIT技術研究[D].南京：南京航空航天大學,2001.

[2] 田 仲，石君友. 系統(tǒng)測試性設計、分析與驗證[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[3] 楊善水、劉 祥、嚴仰光.飛機電源系統(tǒng)BIT技術的應用及發(fā)展[J].南京航空航天大學學報，1998(5).

FaultDiagnosisMethodofElectricitySystemBasedonBITTechnology

Zhang Sining，Li Shen，Wang Xuetao

(China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072,China)

With the development of electronic technology, a large number of advanced electrical equipment on the vehicle electrical system, more and more tasks undertaken, plays a more and more important role. Electrical system failure if not timely detection and elimination, fault is likely to expand further, resulting in failure, affect the vehicle task execution. In recent years, digital level of electrical system as been gradually improved, bus technology has been fully applied, provide favorable conditions for the on-line fault diagnosis of electrical system. In the digital parts as the foundation, selection of one control system as the representative system of electrical system, to carry out research on BIT technology of electrical system. Through statistics for electrical system fault analysis，to determine the main typical faults occurred during the execution of the motor, sensor, electric tube and communication module, to put forward the corresponding detection method to the typical fault and given the corresponding circuit fault diagnosis. The principle prototype based on BIT, using electricity BIT, periodic BIT and maintain the BIT three mode of typical faults of fire control system is verified.The investigation has certain guidance meaning for the design of fault diagnosis of electrical system.

BIT; fault diagnosis; fault detection

2017-05-10；

2017-06-12。

張思寧(1979-)，女，河北盧龍縣人，副研究員，主要從事車輛電氣總體技術方向的研究。

1671-4598(2017)09-0032-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.009

TP273

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