基于自監(jiān)控的某型航空用伺服放大器設(shè)計(jì)

王珂 王磊 李明

航空用伺服放大器是自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)中自動(dòng)駕駛儀子系統(tǒng)伺服回路的控制、放大部件。它接收飛控計(jì)算機(jī)、駕駛儀操縱臺(tái)及電動(dòng)舵機(jī)信號(hào)，負(fù)責(zé)對(duì)控制指令和舵機(jī)位置反饋信號(hào)的綜合、放大后向電動(dòng)舵機(jī)輸出控制信號(hào)，控制飛機(jī)舵面偏轉(zhuǎn)。伺服放大器作為飛機(jī)自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的重要部件，其可靠性直接影響到飛行器的自動(dòng)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(yīng)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(shù)，但考慮飛機(jī)體積成本要求和飛行控制系統(tǒng)的復(fù)雜度，提出一種基于自監(jiān)控的航空用伺服放大器設(shè)計(jì)方案。

1.伺服放大器體系結(jié)構(gòu)

伺服放大器由雙通道構(gòu)成，一個(gè)是指令通道，一個(gè)是監(jiān)控通道，組成比較監(jiān)控系統(tǒng)。伺服放大器由機(jī)上獨(dú)立的兩路直流28V電源供電，由電源處理、指令與位置信號(hào)綜合、速度控制、功率驅(qū)動(dòng)、離合器控制及故障監(jiān)控等功能組成，其功能框圖如圖1所示。

2.電源設(shè)計(jì)

伺服放大器電源系統(tǒng)采用雙余度構(gòu)架，兩路直流+28V電源輸入，經(jīng)過(guò)雙路浪涌抑制濾波器，送至電源保持板和驅(qū)動(dòng)板，在驅(qū)動(dòng)板綜合后為驅(qū)動(dòng)模塊供電，在電源保持板綜合后送至電源模塊前需先進(jìn)行預(yù)處理，為滿(mǎn)足掉電貯能延時(shí)50ms的功能，需配置超大容量的鉭電容，但由于電容是儲(chǔ)能元件，其特性在通電瞬間會(huì)迅速充電，電路呈短路態(tài)，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(huì)產(chǎn)生不必要的功耗，因此在設(shè)計(jì)時(shí)考慮電容充電時(shí)對(duì)電源電路帶來(lái)的沖擊影響，專(zhuān)門(mén)增加了電壓保持模塊，通過(guò)該保持模塊與大容值電容搭配使用，達(dá)到即滿(mǎn)足瞬時(shí)斷電試驗(yàn)要求，又不會(huì)使電源供電瞬間給電容過(guò)快的充電。完成瞬時(shí)斷電電源保持功能后送至電源監(jiān)控板產(chǎn)生伺服放大器A、B通道所需的二次電源，并進(jìn)行二次電源監(jiān)控，為了簡(jiǎn)化監(jiān)控線路的設(shè)計(jì)，同時(shí)又利用內(nèi)部使用的二次電源與對(duì)外輸出的二次電源同在一塊插件板的有利條件，電源監(jiān)控采用兩組電源交叉監(jiān)控的方案，如圖2所示。

在電源保持板完成瞬時(shí)斷電電源保持功能后，經(jīng)過(guò)交流電壓變換模塊變換產(chǎn)生的 36V/400Hz交流送至電源監(jiān)控板進(jìn)行電源監(jiān)控，最后輸出至飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行電源監(jiān)控，并給三路舵機(jī)測(cè)速機(jī)供電。

3.產(chǎn)品閉環(huán)設(shè)計(jì)

反饋技術(shù)是控制理論和調(diào)節(jié)原理的核心，伺服放大器反饋通道采用位置、轉(zhuǎn)速、電流閉環(huán)控制策略，如圖3所示，該閉環(huán)依次為位置閉環(huán)、速度閉環(huán)和電流閉環(huán)，他們的作用分別是位置環(huán)用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的位置控制，速度環(huán)用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的速度控制，電流環(huán)用來(lái)確保電機(jī)的輸出力矩。伺服放大器接收電動(dòng)舵機(jī)位置反饋電位計(jì)位置信號(hào)、測(cè)速機(jī)速度信號(hào)、電機(jī)的母線電流信號(hào)以及電機(jī)Hall傳感器信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)閉環(huán)控制。電流環(huán)集成在功率模塊內(nèi)部，無(wú)需單獨(dú)設(shè)計(jì)。

4.無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)

電動(dòng)舵機(jī)采用三相直流無(wú)刷電機(jī)，伺服放大器采用成熟的120°三相六狀態(tài)控制方式，使用PWM控制策略，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速（基速）以下的恒轉(zhuǎn)矩連續(xù)線性速度調(diào)節(jié)。

5.離合器控制設(shè)計(jì)

伺服放大器離合器控制策略采用高低端同時(shí)控制技術(shù)，高端28V/開(kāi)信號(hào)控制，低端地/開(kāi)信號(hào)控制，以增加離合器接通斷開(kāi)的安全性。

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

駕駛儀操縱臺(tái)輸出的電源開(kāi)關(guān)信號(hào)有效（28V）；

升降舵機(jī)輸出的左右極限信號(hào)有效（未超左右極限+15V）；

伺服放大器自身監(jiān)控A、自身監(jiān)控B有效（無(wú)故障）。

俯仰通道離合器斷開(kāi)條件：不滿(mǎn)足接通條件。

三通道離合器控制接通斷開(kāi)條件一致，當(dāng)滿(mǎn)足接通條件時(shí)，同時(shí)接通控制高低端，高低端接通斷開(kāi)控制邏輯相同。俯仰通道離合器控制高端接通/斷開(kāi)邏輯如下圖5所示。

6.故障監(jiān)控設(shè)計(jì)

伺服放大器設(shè)計(jì)有多種故障監(jiān)控功能，包括電源監(jiān)控、輸入互比監(jiān)控、過(guò)流監(jiān)控、模型監(jiān)控、功率電源監(jiān)控、離合器電子開(kāi)關(guān)監(jiān)控等，故障監(jiān)控采用硬件快速檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的快速甄別、判定，并將故障信息上報(bào)至飛控計(jì)算機(jī)。

6.1 模型監(jiān)控設(shè)計(jì)

通過(guò)仿真，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，當(dāng)接收到控制指令時(shí)，舵機(jī)與數(shù)學(xué)模型同步跟隨控制指令，通過(guò)對(duì)舵機(jī)實(shí)際輸出與數(shù)學(xué)模型的輸出進(jìn)行比較，設(shè)置合理的閾值，監(jiān)控系統(tǒng)的伺服回路。

6.2 輸入互比監(jiān)控設(shè)計(jì)

伺服放大器設(shè)計(jì)控制指令輸入互比監(jiān)控和駕駛儀接通信號(hào)輸入互比監(jiān)控，監(jiān)控結(jié)果在故障監(jiān)控功能模塊綜合后上報(bào)至飛控計(jì)算機(jī)。

6.3 離合器電子開(kāi)關(guān)監(jiān)控

離合器是當(dāng)自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，保證脫開(kāi)自動(dòng)駕駛儀轉(zhuǎn)為人工駕駛的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，離合器接通斷開(kāi)采取了余度控制策略，通過(guò)FMEA分析可知，當(dāng)控制離合器接通的電子開(kāi)關(guān)出現(xiàn)短路故障模式時(shí)，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，余度控制則會(huì)降級(jí)，導(dǎo)致系統(tǒng)安全性指標(biāo)不能滿(mǎn)足要求，因此伺服放大器對(duì)控制離合器接通的每個(gè)電子開(kāi)關(guān)進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)設(shè)計(jì)三個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，分別監(jiān)控接通控制高端電子開(kāi)關(guān)、低端電子開(kāi)關(guān)、接通電流，保證離合器控制出現(xiàn)故障時(shí)，能夠及時(shí)告警，從而保證飛機(jī)飛行安全。

7.可靠性預(yù)計(jì)

建立伺服放大器可靠性模型，采用元器件應(yīng)力分析法進(jìn)行基本可靠性預(yù)計(jì)。并基于以下假設(shè)：假設(shè)各組成部分壽命服從指數(shù)分布；假設(shè)組成部分的失效相互獨(dú)立；假設(shè)各組成部分只有正常和故障兩種狀態(tài)；假設(shè)產(chǎn)品的所有輸入在規(guī)范極限之內(nèi)；假設(shè)人員完全可靠，而且人員與產(chǎn)品之間沒(méi)有相互作用問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)元器件的基本數(shù)據(jù)取自GJB/Z 299C，國(guó)外元器件的基本數(shù)據(jù)取自MIL-HDBK-217F。通過(guò)計(jì)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(shè)備可靠性分析的一個(gè)重要工作項(xiàng)目，也是開(kāi)展其他相關(guān)分析的基礎(chǔ)。機(jī)載設(shè)備的FMEA分析工作主要是為了獲得機(jī)載設(shè)備及其組成的所有可能產(chǎn)生的故障模式以及引起每個(gè)故障模式的原因和影響，并針對(duì)這些薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)機(jī)載設(shè)備提出設(shè)計(jì)改進(jìn)和使用補(bǔ)償措施，以提高產(chǎn)品的可靠性和安全性。同時(shí)機(jī)載設(shè)備FMEA分析得到的各種信息將為系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)計(jì)、分析提供基礎(chǔ)的工程信息和數(shù)據(jù)。

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(jí)，通過(guò)分析伺服放大器共有41種故障模式，其中單點(diǎn)故障引起人員死亡或飛機(jī)毀壞、重大環(huán)境損壞的故障模式有0種，單點(diǎn)故障導(dǎo)致任務(wù)失敗或產(chǎn)品嚴(yán)重?fù)p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(mǎn)足某型伺服放大器配套機(jī)型的需求。

9.結(jié)束語(yǔ)

基于自監(jiān)控的伺服放大器采用了模型監(jiān)控、雙通道互比監(jiān)控、組合邏輯監(jiān)控等多種自監(jiān)控策略，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，復(fù)雜度低，功能全面，性能優(yōu)，故障監(jiān)控測(cè)試覆蓋率高，其可靠性指標(biāo)與安全性指標(biāo)均能滿(mǎn)足配套機(jī)型的需求。采用本設(shè)計(jì)方案，制造了原理樣機(jī)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)地面聯(lián)試，其工作性能良好、運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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