基于容錯雙余度電機的舵控系統設計

梁 東，楊金鵬，曹鑫磊，楊 濤

(中國航天空氣動力技術研究院，北京 100074)

0 引 言

隨著電力電子技術的發展，無人機及其機載設備在性能逐步提升的同時，其成本也在快速上升，因此對無人機系統可靠性的要求也越來越高。舵控系統作為飛控作動系統的重要組成部分，是無人機系統的執行機構，其安全性和可靠性直接關系到無人機系統的飛行安全。據統計數據顯示，在電機驅動系統中，大約有38%的故障是源于電機故障或功率開關器件損壞[1-3]，雙余度無刷直流電動機具有轉矩波動小、動態響應快和可靠性高等優點[4-5]，目前已逐漸成為電動舵機動力源的首選。近年來，西工大等高校提出一種永磁容錯電機的概念[6]，較雙余度無刷直流電動機的可靠性更高，繞組之間的耦合性更低，但存在電機線纜及功率器件過多的問題。因此，本文設計并實現了一種容錯雙余度電機，既提高了電機的可靠性，又減少了電纜及功率器件數量。

1 舵控系統總體方案設計

舵控系統由舵機控制器和舵機組成，本文的舵控系統總體方案如圖1所示。其中舵機由容錯雙余度電機、諧波減速器和位置傳感器(導電塑料電位器)組成；舵機控制器采用STM32F407作為主控芯片，為方便系統測試，舵機控制器的指令信號和反饋信號通信方式均包含模擬信號和CAN總線2種方式，FPGA模塊負責容錯雙余度電機的換相、故障診斷和故障隔離等功能，與主控芯片通過FSMC總線進行通訊，驅動模塊是針對容錯雙余度電機設計的具有故障檢測與隔離功能的驅動電路。

圖1 舵控系統總體方案

2 容錯雙余度電機及驅動電路設計

2.1 無刷直流電動機設計

常規的雙余度電機繞組配置及驅動電路如圖2所示。其中A，B，C相為一套繞組，D，E，F相為另一套繞組，且2套繞組相差30°電角度，2套繞組的霍爾傳感器也相差30°電角度。在使用中，如果A相繞組與E相繞組同時發生故障，剩余的4相繞組將不能可靠地完成電機驅動，且霍爾傳感器沒有相互備份功能。

圖2 雙余度電機繞組配置及驅動電路

針對常規雙余度電機的弊端，容錯電機的概念被提出，其繞組配置及驅動電路如圖3所示。A相與D相繞組，B相與E相繞組，C相與F相繞組分別同相位，采用該逆變器驅動電路，電機的繞組之間沒有電氣耦合，增加了系統的可靠性，但此種方案的功率驅動器件增加1倍，且電機的線纜也較雙余度電機多。

圖3 容錯電機繞組配置及驅動電路

本文提出的容錯雙余度繞組配置及驅動電路如圖4所示。A相與D相繞組，B相與E相繞組，C相與F相繞組分別同相位，霍爾傳感器也采用2套同相位的霍爾傳感器相互備份。因此，只有同相位的兩相繞組同時損壞時，電機才不能正常工作。可靠性部門對該舵控系統進行了建模分析計算，對于200 h的任務可靠度，基于容錯雙余度電機的舵控系統可靠度為98.74%，比基于常規雙余度電機的舵控系統可靠度(96.68%)提高了2%。

圖4 容錯雙余度電機繞組配置及驅動電路

2.2 電機驅動電路設計

以A相為例，本文針對容錯雙余度電機設計的驅動電路原理如圖5所示。其中，P1為電磁繼電器，用于模擬H橋上橋斷路故障，U1為霍爾式電流傳感器，用于測量該相的電流，U2和U6構成H型驅動橋，U3為NMOS管驅動芯片，COM1端用于H橋短路故障及繞組短路故障檢測，COM1～COM6均通過0.02 Ω電阻連接至COM端，COM端用于限流檢測及保護。常規的逆變橋驅動電路在功率開關器件發生故障時，會影響到該繞組的正常工作，因此，本文利用開關隔離電源實現功率開關芯片的浮動柵極驅動，即U4，U5，U7和U8共同構成H橋隔離電路，當SWITCH為高阻信號時，U4和U5柵源極間電壓為12 V，A相通道打開；當SWITCH=0時，電壓為0，U4和U5關閉A相通道。

圖5 驅動電路原理圖

3 系統軟件控制策略

本文中舵控系統的技術難點在于針對容錯雙余度電機的控制、故障檢測與隔離，以及霍爾傳感器的故障檢測，因此在控制算法方面，采用了常見的抗飽和積分分離式PID控制策略[7]。在舵控系統中，一般僅控制位置環，但為保證舵控系統滿足起動電流的要求，增加了電流限幅功能。

4 故障分析與試驗結果

本文的舵控系統，以模擬信號為例，控制和反饋信號范圍均為±10 V，對應運動范圍±30°，頻帶范圍為4 Hz。為充分驗證系統性能，利用Keysight信號發生器的任意波功能產生4 Hz的隨機信號作為指令信號，部分測試中增加了正弦波與階躍信號測試。利用電磁繼電器的通斷功能，研制了針對本舵控系統的故障模擬設備，對驅動電路及繞組可能出現的故障進行了模擬。

4.1 驅動電路H橋上橋斷路故障

以A相為例，當圖5中H橋上橋發生斷路故障時，流過U1的電流為0。為減少該故障的誤判斷，根據霍爾信號判斷當A相輸出PWM信號大于某一閾值時，若經過一段時間，電流始終保持為0，則認為該相發生斷路故障，與A相同相位的D相PWM應擴大2倍。經實際測試發現，A相斷開時，對系統的性能影響較小，因此，為增加檢測故障的可靠性，增加了故障判斷的時間，降低了斷路故障檢測的實時性，試驗效果如圖6所示。

圖6 H橋上橋斷路故障(任意波)

4.2 驅動電路H橋下橋斷路故障

以A相為例，當圖5中H橋下橋斷路時，經過電機的驅動電流會自動經過同相位的繞組，即D相繞組的驅動電路，系統性能基本不受影響，但可能會造成A相繞組無法實現續流，因此需在圖5的U6單獨并聯1個續流二極管D2。

4.3 驅動電路H橋短路故障

當驅動電路H橋發生短路故障時，以A相為例，圖5則會存在A相上下橋同時導通的現象，COM1端的電壓瞬時可為電源電壓，因此COM1端電壓經比較器、光耦隔離后，進入FPGA，結合霍爾傳感器信號和電流信號，即可在FPGA中判斷出H橋短路故障，從而控制SWITCH端進行故障隔離，并執行PWM=0和SD=0等操作，試驗效果如圖7(a)所示。當電機剛起動，速度較低時發生故障，則電機性能可能會略有影響，因此增加了正弦波指令信號的測試，試驗效果如圖7(b)所示，表明電機速度會有波動，但10 ms左右即可完成故障隔離。

(a) 任意波故障響應圖

(b) 正弦波故障響應圖

4.4 容錯雙余度電機單相繞組斷路故障

當單相繞組斷路時，試驗現象和隔離技術與H橋上橋斷時相同，因此從控制上不再作區分。

4.5 容錯雙余度電機兩相繞組短路故障

當發生兩相繞組短路故障時，以A，B相短路為例，當輸入電流從B相流向A相時，COM1端上的電壓瞬時可以為電壓電源，根據霍爾傳感器信號和電流大小判斷出當前為A，B相繞組短路，或A，E相繞組短路，此時需要根據B，E相的電流比較后，判斷是哪相出現問題。發生此類故障時，從驅動電路端是無法進行隔離的，因此會存在驅動能力下降，發熱等問題，故需將該故障及時上報飛控計算機，由飛控計算機及時采取其他措施。試驗效果如圖8所示。從階躍信號響應圖可以看出，發生故障的后半段，曲線的斜率明顯下降，這是由于A，B相繞組短路后形成電流，阻礙電機運動，與理論分析結果相同。

(a) 任意波故障響應圖

(b) 階躍信號故障響應圖

5 結 語

本文在分析了常規雙余度電機及容錯電機繞組配置的基礎上，研究了容錯雙余度電機繞組配置結構，并針對該電機進行相應的驅動電路設計。文中詳細分析了電機及驅動電路故障的種類、現象、檢測和隔離方法，研制了針對該舵控系統的故障模擬設備，并對可能產生的故障進行了模擬。詳細記錄并分析了試驗結果，結果表明基于容錯雙余度電機設計的舵控系統能夠滿足使用要求，并進一步提高了舵控系統的可靠性。