基于PSpice的电路故障注入仿真分析方法研究.doc

基于PSpice的电路故障注入仿真分析方法研究本文研究了一种利用EDA软件来进行电路故障注入仿真分析的方法，对故障检测率进行了估算。以某型导弹的舵机控制电路为例，进行了验证。结果表明，该方法对提高系统的测试性有一定的实用价值。1 引言 测试性是指产品能及时、准确地确定其状态(可工作、不可工作或性能下降)并隔离其内部故障的能力。测试性设计的目的是为了提高产品自诊断和外部诊断能力，能方便、有效地确定产品状态和隔离故障。在产品的设计研制过程中，为了确认测试性分析和设计的正确性，识别设计缺陷并检查研制产品是否完全实现了测试性设计要求，设计研制人员要进行必要的试验，即在被测产品上注入故障进行实际的测试。由于有些故障会带来破坏性而无法直接注入，只能采用仿真模拟的方法。在仿真环境下对电路注入故障，可以早暴露、早发现系统测试性设计的不足，获得有效的故障知识，进而采取有效的措施，降低研制费用，提高其可靠性。基于EDA的电路仿真，可以精确地模拟电路的测试性设计方案，从而验证各种测试手段对故障的检测程度，达到电路产品测试性评价的目的。2 故障注入仿真分析 2.1 概述 电路故障仿真的一般过程是：在电路正常功能仿真的基础上，对电路中各元器件的主要失效模式及影响因素建立仿真模型，并将这些仿真模型注入到EDA环境下的电路正常模型当中，得到电路的故障模型，对注入故障后的电路进行仿真，获取电路注入故障后的响应结果。然后根据电路输出特性要求，对仿真结果进行判定，确定上述故障对电路性能的影响，原理如图1所示。点击图片查看大图 图1 电路故障仿真原理简图 2.2 故障建模 故障建模是对电路中各类元器件失效模式建立故障模型的过程。以大多数模拟元器件为例，它们的故障模式主要为开路、短路和参数漂移。对于阻抗类器件，通过更改元器件的特征阻抗值来实现其故障建模；对于非阻抗类模拟元器件，通过设置开路阻抗和短路阻抗的方法来实现其开路和短路的故障建模，通过修改特征参数来实现参数漂移的故障建模。 为了不改变电路原有的网络结构，我们采用元器件模型重组法来建立电路故障仿真模型。其要点在于建立元器件各种失效模式的故障模型并与元器件的初始模型进行连接，从而形成元器件的故障模型。该方法是一种基于失效表现形式的故障建模方法，首先对失效模式进行量化，然后分别建立相应的仿真模型，不需要考虑元器件的内部结构，仅考虑元器件发生失效的引脚，通用性强。以开路故障为例，故障模型采用两个缓冲器之间串联一个大电阻来实现，分别起到数字信号隔离和设置短路阻抗的作用。将该模型视为子电路，在需要时随时调用，如图2所示。点击图片查看大图 图2 开路故障器件模型 2.3 故障注入 故障注入就是将系统的有效故障模式样本注入到系统的实物中，以此评价系统的测试性设计水平。在EDA仿真环境下进行故障注入主要采用3种方法：修改电路原理图、修改网络拓扑文件或修改模型定义。本质都是将元器件模型重组后的故障模型代替原有的器件模型，从而形成具有故障因素描述的电路网络拓扑。修改电路原理图的方法比较观，即直接将已经建好的故障模型器件加入待注入失效元器件的指定位置，生成电路的故障仿真模型；采用修改网络拓扑文件的方法进行故障注入，即是在文件中恰当地添加故障器件的信息，形成电路故障网络拓扑；修改模型定义的方法主要是在电路的模型定义文件中对器件模型进行修改，注入所需的故障，设计中根据不同的故障类型来选用不同的故障注入方法。以修改电路原理图的方法为例，对数字器件CD4081B进行开路故障注入，如图3所示。点击图片查看大图 图3 修改电路原理图法故障注入 理论上可以注入电路中所有的故障模式，单故障模式数量太多将导致模拟实践爆炸，工程上却难以实现，也没有这个必要。同时，随着设计和制造工艺的不断完善，元器件质量的不断提高，某些故障模式发生的概率极低，因此必须结合具体电路利用故障模式影响及危害性分析(FMECA)等方法来确定发生故障概率较高、对系统危害程度较大的故障模式，将具有这种影响的故障模式构成该电路的故障模式集。将故障模式集中的故障，注入到标称仿真模型中即达到故障注入的目的。 2.4 故障仿真分析 故障仿真的目的是通过仿真提取系统在各种故障状态下的响应特征，用于在实际诊断时与实测的特征响应相比较，最终确定故障状态。Probe模块是PSpice的输出图形处理软件包，利用Probe模块可以得到电路中任何节点电压和支路电流的信息。PSpice完成电路仿真后可以调用Probe模块来观察仿真结果，对输出信号的波形和数据，通过建立故障判定功能函数给出故障判据，或利用相关函数法对仿真结果实现非波形特征参数的比较和波形的识别，以进行比较处理来判断电路的故障状态，进而进行电路的测试性参数预计，步骤如下： 1)根据元器件失效率p和发生频数比口计算注入的各故障模式的故障率FM，p和a从FMEA和可靠性预计报告中取得同： FM=ap (1) 2)计算故障检测率预计值FDR。 FDR=D/ (2) 式(2)中：D可检测的故障率； 总的故障率。 3 应用验证 以/zixun/某型导弹舵机控制电路个通道为例进行验证。舵机中的控制电路用于接收控制信号，进行信号处理、功率放大和驱动电机，是舵机的重要组成部分，工作原理如图4所示。点击图片查看大图 图4 控制电路单通道工作原理图 输入信号与舵反馈信号综合形成误差信号，经校正网络和脉宽调制器后产生四个驱动信号，使T1、T4和T2、T3轮流导通，当误差信号为0时，在一个周期内，T1、T4和T2、T3导通的时间相同，电机不转；当误差信号不为0时，在一个周期内，T1、T4和T2、T3导通的时间不同，电机根据误差信号正转或反转。 单通道控制电路中共有电阻器、电容器、晶体管70多个，仿真试验中共列出了所有的元器件单故障模式160余个，通过归类和FMEA分析选取了11个元器件23个故障模式进行故障注入仿真，图5为电机左接入端电压V(UM)的正常输出和一个故障输出。点击图片查看大图 图5 V/UM正常输出和故障输出 以V/UM正常输出电压在某一个时间段内的电压实际值设置故障判据，即设定一个电压值的上下限范围，如果这个时间段内V/UM的输出值在这个范围内，则判定为正常，否则判定为故障，并以此来预计故障检测率。试验中我们选取的时间段为：0.222940.30480ms，调用Probe模块查看该时间段V(UM)的值来设定电压值的上下限范围为：26.5526.77V。对仿真结果进行分析，可得出在各个故障模式下该点观测的电路状态(正常或故障)，分析结果如表1所示。 将表1中的仿真分析结果和实际硬件电路发生相同故障时的测试结果进行对比，仿真结果和实