基于FMEA和DFTA的电动机控制器可靠性评估

董慧芬; 谢辉; 徐海

doi:10.13224/j.cnki.jasp.20230656

基于FMEA和DFTA的电动机控制器可靠性评估

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20230656

董慧芬^{1, 2,},
谢辉^1,,
徐海^3,*, ,

1.
中国民航大学电子信息与自动化学院，天津 300300
2.
中国民航大学天津市航空装备安全性与适航技术创新中心，天津 300300
3.
中国民用航空沈阳航空器适航审定中心，沈阳 110043

基金项目: 民航局安全能力建设项目（230324042）；天津市航空装备安全性与适航技术创新中心开放基金（JCZX-2022-KF-04）

详细信息

作者简介:
董慧芬（1970-），女，副教授、硕士生导师，博士，主要研究方向为航空电气装置故障诊断、航空电气系统可靠性与适航研究

通讯作者:
徐海（1982-），男，高级工程师，硕士，主要研究方向为民用航空器和新能源航空器适航审定技术。E-mail：xuh@syacc.org

中图分类号: V215.7
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出版历程
- 收稿日期: 2023-10-13
- 网络出版日期: 2025-07-01

Reliability evaluation of motor controllers based on FMEA and DFTA

DONG Huifen^{1, 2
,},
XIE Hui^1
,,
XU Hai^{3,*
, ,}

1.
College of Electronic Information and Automation，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China
2.
Tianjin Aviation Equipment safety and Airworthiness Technology Innovation Center，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China
3.
Shenyang Aircraft Airworthiness Certification Center of Civil Aviation Administration of China，Shenyang 110043，China

摘要

摘要:
电动机控制器作为电动航空器动力装置的重要组成部分，其可靠性与航空器的飞行安全息息相关，因此对控制器的可靠性进行评估是控制器设计过程中的关键环节之一。为了提高对控制器可靠性的评估的准确性，提出一种基于失效模式及其影响分析与动态故障树分析结合的电动机控制器可靠性分析方法，在关注控制器故障模式的同时也对其动态特性进行分析，尽可能全面地评估控制器可靠性。以某四旋翼电动垂直起降航空器电推进系统的电动机控制器为分析案例，结合电动机控制器拓扑结构分析其故障模式并通过动态故障树计算得到其失效概率为1.18×10⁻⁶，验证了该方法的可行性和有效性，为电动航空器电动机控制器的可靠性评估提供了一种可参考的方法。
- 电动机控制器 /
- 可靠性 /
- 失效模式及其影响分析 /
- 动态故障树 /
- 电推进
Abstract:
The motor controller, as a critical component of the power system in electric aircraft, plays a pivotal role in ensuring the flight safety of the aircraft. Therefore, the reliability evaluation of the controller is one of the key steps in its design process. To enhance the accuracy of reliability assessment, a reliability analysis method for the motor controller was proposed by combining Failure Mode and Effects Analysis with Dynamic Fault Tree Analysis. This method not only focused on the failure modes of the controller but also examined its dynamic characteristics, aiming to provide a comprehensive evaluation of its reliability. Using the motor controller of an electric propulsion system in a quadrotor electric vertical takeoff and landing aircraft for a case study, the failure modes were analyzed based on the controller’s topology, and its failure probability was calculated as 1.18×10⁻⁶ through dynamic fault tree analysis. The feasibility and effectiveness of this method were validated, offering a reference approach for the reliability assessment of motor controllers in electric aircraft.
- motor controller /
- reliability /
- failure mode and effects analysis /
- dynamic fault tree /
- electric propulsion

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图 1 可靠性分析步骤

Figure 1. Reliability analysis steps

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图 2 eVTOL动力系统结构框图

Figure 2. Structure block diagram of a eVTOL power system

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图 3 电动机控制器功能框图

Figure 3. Motor controller function block diagram

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图 4 控制器动态故障树

Figure 4. Controller dynamic fault tree

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图 5 驱动模块马尔科夫转移图

Figure 5. Markov transfer diagram of drive module

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图 6 15 V电源模块马尔科夫转移图

Figure 6. Markov transfer diagram of the 15 V power module

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表 1 模块故障概率

Table 1. Module failure probability

模块	子模块	故障概率/（10⁻⁹/h）
软启动/主动放电模块	直流继电器组	135.044
	直流母线电容	4.359
	放电电阻	3.900
	熔断器组	20.000
	继电器驱动电路	29.784
	预充电阻	2.304
	印刷电路板	3.657
控制模块	数字处理器	76.436
	局域网总线模块	40.492
	静态随机存取存储器	49.600
	印刷电路板	10.928
驱动模块	复杂可编程逻辑器件	97.382
	欠压保护	53.039
	隔离模块	290.788
	高压侧供电模块	334.340
	切换模块	57.272
	保护电路	73.102
	驱动电路	66.131
	逻辑转换电路	22.316
	印刷电路板	45.274
低压电源模块	15 V电源模块	281.832
	3.3 V电源模块	128.760
	5 V电源模块	128.760
	印刷电路板	5.934
信号采集与处理模块	模数转换模块	37.010
	温度检测模块	208.023
	电流检测模块	234.090
	电压检测模块	74.883
	印刷电路板	14.386
MOSFET 半桥模块	SiC MOSFET芯片	251.780
	负温度系数热敏电阻	19.469
	切换模块	57.272
传感器	霍尔位置传感器	79.170
传感器	旋转编码器	158.382

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表 2 发生率评级标准

Table 2. Occurrence ranking criteria

评级	描述
1	$ < 20 \times {10^{ - 9}}/{\text{h}} $
2	$ 20 \times {10^{ - 9}}/{{{\mathrm{h}}～}}50 \times {10^{ - 9}}/{\text{h}} $
3	$ 50 \times {10^{ - 9}}/{{{\mathrm{h}}～10}}0 \times {10^{ - 9}}/{\text{h}} $
4	$ 100 \times {10^{ - 9}}/{{{\mathrm{h}}～20}}0 \times {10^{ - 9}}/{\text{h}} $
5	$ > 200 \times {10^{ - 9}}/{\text{h}} $

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表 3 可检测性评级标准

Table 3. Detection ranking criteria

评级	描述
1	故障发生前能检测到并预警
3	故障发生时能定位故障
5	需要停机检修才能定位故障

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表 4 严重度评级标准

Table 4. Severity ranking criteria

评级	描述
1	对控制器性能无影响
2	控制器性能轻微退化
3	控制器性能退化
4	控制器性能损失或部分功能丧失
5	控制器无输出或预期外地输出

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表 5 控制器FMEA表

Table 5. Controller FMEA table

	模块	故障模式	故障原因	局部影响	整体影响	O/S/D/I_rpn
软启动/主动放电模块	直流继电器	短路	绝缘击穿、结构件损坏、老化	可能导致主电路过电流，熔断器熔断，主电路开路	主电路开路，控制器无法输出	2/5/3/30
	直流继电器	开路	冲击、老化、瞬态过电压	主电路开路	主电路开路，控制器无法输出	4/5/3/60
	直流母线电容	短路	绝缘故障、过电应力、外部故障	主电路过电流、熔断器熔断，主电路开路	主电路开路，控制器无法输出	1/5/3/15
	直流母线电容	开路	内部元件老化、外部冲击、制造缺陷、过电应力	直流母线电容无法对电源拨动进行平滑处理	主电路电压波动，安全风险增加，输出电能质量降级	1/4/3/12
	直流继电器	短路	绝缘击穿、结构件损坏、老化	主电路过电流，熔断器熔断，主电路开路	主电路开路，控制器无法输出	2/5/3/30
	熔断器组	失效	过电压、环境湿度过高、老化	熔断器无法正常工作，丧失断电保护功能	控制器缺乏短路保护，安全系数降低	1/4/3/12
	继电器驱动电路	线路故障	元件老化、静电击穿、干扰、机械应力	继电器控制故障，继电器无法正常工作	主电路无法启动或控制器意外停机	2/5/5/50
	预充电阻	开路	机械应力、热应力	母线电容无法完成预充，启动时电流过大，触发熔断器保护或母线电容过电流被烧毁	控制器无法启动	1/5/3/15
	预充电阻	参数漂移	环境影响、应力老化	对母线电容预充电有轻微影响	对控制器几乎没有影响	1/1/5/5
	印刷电路板	线路故障	焊接问题、静电放电、潮湿、设计缺陷	继电器控制故障，继电器无法正常工作	主电路无法启动或控制器意外停机	1/5/5/25
控制模块	数字处理器	逻辑故障	芯片损坏、时钟信号紊乱、程序错误、外部干扰	数字处理器逻辑错误，输出预期外的控制信号或无输出	控制器输出无法预测或无输出	1/5/5/25
	数字处理器	开路	焊接问题、外部冲击、热应力累积	某引脚无法正常工作，数字处理器输出异常	控制器输出异常	1/5/3/15
	控制器局域网总线模块	线路故障	元件老化、过电应力	通讯故障，无法与总控制器通讯	控制器失去总控制信号，停止输出	2/5/3/30
	控制器局域网总线模块	信号错误	外部干扰、内部传导干扰	通讯受干扰，无法正常通讯	控制器无输出或输出异常	1/3/5/15
	静态随机存储器	线路故障	元件老化、过电应力、环境温度过高	无法读取或存储数据、数据丢失	控制器错误或崩溃、无法正常工作	1/5/5/25
	印刷电路板	线路故障	焊接问题、静电放电、潮湿、设计缺陷	控制模块输出故障，无法正常控制逆变模块	控制器无输出或输出异常	1/5/5/25
驱动模块	复杂可编程逻辑器件	逻辑故障	芯片损坏、时钟信号紊乱、程序错误、外部干扰	驱动模块输出信号，可能导致SiC MOSFET误导通，引发短路	控制器可能发生故障，无输出或输出异常	3/5/5/75
	复杂可编程逻辑器件	开路	焊接问题、外部冲击、热应力累积	逻辑器件无法正常工作，驱动模块触发保护程序停止工作	控制器无输出	1/5/5/25
	欠压保护模块	线路故障	元件老化、过电应力	导致驱动模块可能在电压不足的情况下工作，损坏驱动模块	控制器安全裕度降低	3/1/5/15
	隔离模块	线路故障	线路过电压、静电击穿、高温	SiC MOSFET驱动信号传输错误、缺失	控制器输出异常	5/5/3/75
	高压侧供电模块	线路故障	过载、短路、绝缘老化、元件缺陷	栅极驱动电源缺失，SiC MOSFET无法正常开合	控制器无输出或输出异常	5/5/3/75
	保护电路	线路故障	元件老化、过电应力、高温、电源波动	出现大电流波动时SiC MOSFET可能损坏	控制器安全裕度降低	3/2/5/30
	驱动电路	线路故障	过电应力、高温、元件老化、电源低电压	无法控制输出电流导致SiC MOSFET开关异常，损耗增大，开关过程不稳定，甚至损坏	控制器无输出、输出异常、控制器发热效率降低	3/5/5/75
	逻辑电平转换电路	线路故障	元件老化、高温	信号传输失真或中断，驱动模块无法与控制模块正常通讯	控制器无输出或输出异常	2/5/3/30
	切换模块	线路故障	元件老化、高温、电源低电压	驱动板故障时无法切换，冗余容错失效	控制器安全裕度降低	3/3/3/27
	印刷电路板	线路故障	焊接问题、静电放电、潮湿、设计缺陷	驱动模块故障，无法正常工作	控制器无输出或输出异常	2/5/5/50
低压电源模块	15 V 电源模块	线路故障	元件老化、过载或短路、过电压、高温	控制器所有模块失去供电	主电路断路，控制器无输出	5/5/3/75
	3.3 V 电源模块	线路故障	元件老化、过载或短路、过电压、高温	控制模块、模数转换模块失去供电	控制器无输出	4/5/3/60
	5 V电源模块	线路故障	元件老化、过载或短路、过电压、高温	电流传感器、温度检测电路失去供电	控制器失去电流反馈，无法正常工作	4/5/3/60
	印刷电路板	线路故障	焊接问题、静电放电、潮湿、设计缺陷	电源模块故障，无法为控制器提供稳定电压	控制器系统停机、无输出	1/5/5/25
信号采集与处理模块	模数转换模块	逻辑故障	供电不稳定、电磁干扰、信号交叉耦合	转换数据出现误差、影响控制模块判断	控制器输出异常	2/4/3/24
	模数转换模块	线路故障	元件老化、过载	控制模块反馈信号缺失	控制器无输出	2/4/3/24
	温度检测模块	线路故障	元件老化、高温、机械应力	控制模块缺失温度数据，无法监测功率模块运行温度	控制器安全裕度降低	5/3/1/15
	电流检测模块	线路故障	传感器损坏、元件老化、高温、机械应力	控制模块电流反馈信号缺失	控制器无输出	5/5/3/75
	电压检测模块	线路故障	传感器损坏、元件老化、高温、机械应力	控制模块无法监测直流母线电压	控制器安全裕度降低	3/2/3/18
	印刷电路板	线路故障	焊接问题、静电放电、潮湿、设计缺陷	控制模块接收数据错误或数据缺失	控制器输出异常或无输出	1/5/5/25
逆变模块	MOSFET 芯片	线路故障	电压尖峰、高温、过载、门极欠压	功率模块短路，触发短路保护	控制器无输出	5/5/3/75
	热敏电阻	参数漂移	负温度系数热敏电阻老化、电源电压波动	温度数据错误，影响控制策略	可能导致控制器温度过高	1/3/1/3
	切换模块	线路故障	元件老化、高温、电源低电压	MOSFET故障时无法切换，冗余容错失效	控制器安全裕度降低	3/3/3/27
传感器	霍尔位置传感器	线路故障	内部连接断裂、元件老化、振动、冲击	控制模块缺失转子位置数据	控制器无输出	3/5/3/45
传感器	旋转编码器	线路故障	引线断裂、老化、高温、超负荷、振动	控制模块缺失转速数据	控制器无输出	4/5/3/60

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表 6 中间事件发生概率

Table 6. Probability of intermediate events

事件	概率/（10⁻⁹/h）
控制模块故障	177.456
软启动/主动放电模块故障	199.048
驱动模块故障	0.00968
低压电源模块故障	0.00023
信号采集与处理模块故障	568.392
逆变模块故障	0.00085
传感器故障	237.552

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