基于自監控的某型航空用伺服放大器設計

王珂 王磊 李明

航空用伺服放大器是自動飛行控制系統中自動駕駛儀子系統伺服回路的控制、放大部件。它接收飛控計算機、駕駛儀操縱臺及電動舵機信號，負責對控制指令和舵機位置反饋信號的綜合、放大后向電動舵機輸出控制信號，控制飛機舵面偏轉。伺服放大器作為飛機自動飛行控制系統的重要部件，其可靠性直接影響到飛行器的自動駕駛功能的可用性，其安全性直接影響飛行器的飛行安全。因此，伺服放大器應具備完善的功能，良好的性能和很高的可靠性和安全性。

提高伺服放大器的可靠性和安全性，最好的辦法就是采用宇度技術，但考慮飛機體積成本要求和飛行控制系統的復雜度，提出一種基于自監控的航空用伺服放大器設計方案。

1.伺服放大器體系結構

伺服放大器由雙通道構成，一個是指令通道，一個是監控通道，組成比較監控系統。伺服放大器由機上獨立的兩路直流28V電源供電，由電源處理、指令與位置信號綜合、速度控制、功率驅動、離合器控制及故障監控等功能組成，其功能框圖如圖1所示。

2.電源設計

伺服放大器電源系統采用雙余度構架，兩路直流+28V電源輸入，經過雙路浪涌抑制濾波器，送至電源保持板和驅動板，在驅動板綜合后為驅動模塊供電，在電源保持板綜合后送至電源模塊前需先進行預處理，為滿足掉電貯能延時50ms的功能，需配置超大容量的鉭電容，但由于電容是儲能元件，其特性在通電瞬間會迅速充電，電路呈短路態，電流消耗與電容容量成正比，若采用增加限流電阻的方法，則電阻功率較大，且會產生不必要的功耗，因此在設計時考慮電容充電時對電源電路帶來的沖擊影響，專門增加了電壓保持模塊，通過該保持模塊與大容值電容搭配使用，達到即滿足瞬時斷電試驗要求，又不會使電源供電瞬間給電容過快的充電。完成瞬時斷電電源保持功能后送至電源監控板產生伺服放大器A、B通道所需的二次電源，并進行二次電源監控，為了簡化監控線路的設計，同時又利用內部使用的二次電源與對外輸出的二次電源同在一塊插件板的有利條件，電源監控采用兩組電源交叉監控的方案，如圖2所示。

在電源保持板完成瞬時斷電電源保持功能后，經過交流電壓變換模塊變換產生的 36V/400Hz交流送至電源監控板進行電源監控，最后輸出至飛控計算機進行電源監控，并給三路舵機測速機供電。

3.產品閉環設計

反饋技術是控制理論和調節原理的核心，伺服放大器反饋通道采用位置、轉速、電流閉環控制策略，如圖3所示，該閉環依次為位置閉環、速度閉環和電流閉環，他們的作用分別是位置環用來實現系統的位置控制，速度環用來實現系統的速度控制，電流環用來確保電機的輸出力矩。伺服放大器接收電動舵機位置反饋電位計位置信號、測速機速度信號、電機的母線電流信號以及電機Hall傳感器信號，實現電機閉環控制。電流環集成在功率模塊內部，無需單獨設計。

4.無刷電機驅動

電動舵機采用三相直流無刷電機，伺服放大器采用成熟的120°三相六狀態控制方式，使用PWM控制策略，可實現電機在額定轉速（基速）以下的恒轉矩連續線性速度調節。

5.離合器控制設計

伺服放大器離合器控制策略采用高低端同時控制技術，高端28V/開信號控制，低端地/開信號控制，以增加離合器接通斷開的安全性。

俯仰通道離合器接通條件：飛控計算機輸出的駕駛儀接通A、駕駛儀接通B信號有效（28V）；

駕駛儀操縱臺輸出的電源開關信號有效（28V）；

升降舵機輸出的左右極限信號有效（未超左右極限+15V）；

伺服放大器自身監控A、自身監控B有效（無故障）。

俯仰通道離合器斷開條件：不滿足接通條件。

三通道離合器控制接通斷開條件一致，當滿足接通條件時，同時接通控制高低端，高低端接通斷開控制邏輯相同。俯仰通道離合器控制高端接通/斷開邏輯如下圖5所示。

6.故障監控設計

伺服放大器設計有多種故障監控功能，包括電源監控、輸入互比監控、過流監控、模型監控、功率電源監控、離合器電子開關監控等，故障監控采用硬件快速檢測技術實現對故障的快速甄別、判定，并將故障信息上報至飛控計算機。

6.1 模型監控設計

通過仿真，構建數學模型，當接收到控制指令時，舵機與數學模型同步跟隨控制指令，通過對舵機實際輸出與數學模型的輸出進行比較，設置合理的閾值，監控系統的伺服回路。

6.2 輸入互比監控設計

伺服放大器設計控制指令輸入互比監控和駕駛儀接通信號輸入互比監控，監控結果在故障監控功能模塊綜合后上報至飛控計算機。

6.3 離合器電子開關監控

離合器是當自動飛行控制系統出現故障時，保證脫開自動駕駛儀轉為人工駕駛的最后一個環節，離合器接通斷開采取了余度控制策略，通過FMEA分析可知，當控制離合器接通的電子開關出現短路故障模式時，如果不能及時發現故障，余度控制則會降級，導致系統安全性指標不能滿足要求，因此伺服放大器對控制離合器接通的每個電子開關進行監控，通過設計三個監控點，分別監控接通控制高端電子開關、低端電子開關、接通電流，保證離合器控制出現故障時，能夠及時告警，從而保證飛機飛行安全。

7.可靠性預計

建立伺服放大器可靠性模型，采用元器件應力分析法進行基本可靠性預計。并基于以下假設：假設各組成部分壽命服從指數分布；假設組成部分的失效相互獨立；假設各組成部分只有正常和故障兩種狀態；假設產品的所有輸入在規范極限之內；假設人員完全可靠，而且人員與產品之間沒有相互作用問題。

國內元器件的基本數據取自GJB/Z 299C，國外元器件的基本數據取自MIL-HDBK-217F。通過計算可以得出，伺服放大器總工作失效率為：161.4006×10-6h；伺服放大器MTBF=1/161.4006×10-6h≈6195h。

8.FMEA分析

FMEA是設備可靠性分析的一個重要工作項目，也是開展其他相關分析的基礎。機載設備的FMEA分析工作主要是為了獲得機載設備及其組成的所有可能產生的故障模式以及引起每個故障模式的原因和影響，并針對這些薄弱環節，對機載設備提出設計改進和使用補償措施，以提高產品的可靠性和安全性。同時機載設備FMEA分析得到的各種信息將為系統相關的設計、分析提供基礎的工程信息和數據。

伺服放大器采用硬件FMEA分析方法，最低約定層次為元器件級，通過分析伺服放大器共有41種故障模式，其中單點故障引起人員死亡或飛機毀壞、重大環境損壞的故障模式有0種，單點故障導致任務失敗或產品嚴重損壞的故障模式有21種，其中電源故障失效率最高為30.72×10-6，滿足某型伺服放大器配套機型的需求。

9.結束語

基于自監控的伺服放大器采用了模型監控、雙通道互比監控、組合邏輯監控等多種自監控策略，系統結構合理，復雜度低，功能全面，性能優，故障監控測試覆蓋率高，其可靠性指標與安全性指標均能滿足配套機型的需求。采用本設計方案，制造了原理樣機，經過系統地面聯試，其工作性能良好、運行穩定，達到了預期的設計目標。

（作者單位：陸軍航空兵軍事代表局駐蘭州地區軍事代表；蘭州飛行控制有限責公司）