飛機機電作動系統故障模式分析與故障診斷方法

蘆楊

【摘 要】飛機機電作動系統采用典型的多電飛機系統，飛機機電作動系統直接影響飛機飛行的可靠性和安全性，為了滿足飛機高可靠性及高安全性的基本需求，需要深入探究機電作動器的故障模式。本文基于無刷直流電動機機電作動系統故障模式的基礎上展開深入分析，提出采用直流母線電流進行在線故障診斷的方法，最終對故障預測方法進行探究。

【關鍵詞】飛機機電作動系統；故障模式分析；故障診斷方法

一、機電作動系統結構分析

多電飛機的機電作動器作為飛機舵面的驅動裝置存在，原理結構如下圖所示，是速度、位置及電流三閉環控制的無刷直流電動機系統，電源輸入端設置有LC結構的EMI濾波器。由下圖可知，機電作動器由無刷直流電動機、逆變器、速度與位置傳感器組成，還包含完成位置與速度及電流閉環控制的微處理器。

二、故障類型探究

機電作動系統包含電磁機構、傳感器、微處理器以及電力電子線路等多種部件，所以可能發生的故障模式也相對比較多樣化。本文主要針對常見故障模式展開分析，探究電動機直流母線電流的波形以及頻譜，以作為故障診斷的依據。

1.功率電路故障類型

無刷直流電動機功率的主電路六個功率開關器件組成三相橋結構，因此功率電路故障類型主要是開關器的故障，開關器故障可具體分為斷路故障和短路故障兩種。

短路故障，電路整體中有保護電路的設計，一旦短路故障發生會對控制信號進行即可封鎖，此時整個電路暫停工作。如某一器件發生斷路故障時，電機極有可能為缺相運行狀態，如測量直流母線電流為一個開關器件斷路時的電流波形，均為應用FFT方法分析時獲取的不同頻譜。功率電路的另一種故障類型則為非主電路故障，引發原因可能是功率電路中斬波器發生斷路故障，此時該通道的母線電流值為零，此處需要注意不同斷路故障母線電流表現波形存在一定差異。如逆變器發生故障，則會導致直流母線電流波形發生畸變情況。

2.電動機故障類型

軸承故障及繞組故障是無刷直流電動機的主要故障類型，軸承故障的具體表現是潤滑油干枯、軸承滾珠磨損等，繞組故障主要表現形式為開路和短路故障。

一旦電動機軸承發生潤滑油干枯或者是滾珠磨損時，會使得摩擦力矩增加，并且越發不均衡，最終導致電動機機械振動。電動機機械發生振動會直接影響直流母線電流。

繞組損壞是引發電機繞組匝間短路故障的主要原因。一旦繞組任一相匝間發生局部短路情況，該相等效電阻、電感以及反電勢都會隨之降低，從而使得三相電流越發不平衡。此外，電流相對較大的繞組會發生嚴重發熱情況，若任由其自主發展會造成電機發熱的持續增加，最終使得匝間短路故障隨之加重，甚至會導致相見短路或者單相對地短路等十分嚴重的后果。

一旦電機繞組匝間發生短路故障，因等效電阻、電感以及反電勢等相應降低，會造成直流母線電流波形發生相應變化，如應用FFT方式進行分析會有不同頻譜發生。

通常情況下接線處是電機繞組開路故障的高發區域。有任何一組繞組發生短路情況，電機無法正常運轉，表現形式為電動機無法啟動。

3.位置傳感器故障類型

無刷直流電動機對位置傳感器換相進行依賴，位置傳感器時無刷直流電動機的重要組成部分。位置傳感器應用于飛機時需滿足高可靠性的基本需求，一般電機位置的傳感器對無刷旋轉變壓器進行采用。旋轉變壓器作為位置傳感器時，通過專用集成電路結算獲得其位置信號，如結算電路發生故障將會造成無法獲取位置信號的情況，從而電機無法正常運行。對于系統的實際運行而言，其工作環境長期高溫且強震動，極易發生旋轉變壓器機械松動等故障。此類故障會造成逆變器換相發生超前或者延遲的情況，電機雖然可運行，但是電機直流提升，相應的輸出轉矩降低，轉矩脈動處于較大值。如位置傳感器發生故障造成逆變器換相超前或延遲情況時，直流母線電流峰值隨之增加。

4.控制器故障類型

機電作動器的控制器采用微處理器。近些年來我國電子技術不斷發展，微處理器的集成度也隨之不斷提升，總的來講，控制器所需外圍電路不斷減少，控制器故障率也持續下降，可靠性得到有效提升。

微處理器故障類型分為硬件故障和軟件故障兩種，軟件故障指的是處理器運算程序受到干擾，采用某些措施時系統出現瞬態失控的情況。通常情況下微處理器硬件故障發生區域為外圍接口，簡單整理故障發生時的系統狀態：

<1>故障發生于控制器與上位機通信接口位置時，對于上位機的指令無法接受，機電作動系統此時為失控狀態；

<2>如控制器故障發生在傳感器接口位置時，除非對特殊容錯控制策略進行采用，否則系統無法完成相應的各類功能；

<3>如控制器輸出接口發生故障，主電路六個開關器件會收到錯誤的控制信號。如某個控制信號故障后呈現高電平，相對應的開關器件始終保持導通狀態。如同一橋臂另一開關器件為正常導通狀態，會形成逆變器管路故障；反之某個控制信號故障呈現低電平狀態時，相對應的開關器件始終為截止狀態。

三、機電作動器故障診斷探析

1.故障現象分類整理

依據上述故障模式分析，可將其分為三個類型。

<1>由于故障的發生，造成系統完全無法運轉的情況，此種故障類型包含控制器大部分故障、功率電路兩個以上開關器件斷路故障等，此時電動機無法進行運轉，如需進行故障診斷，需另外添加測試方法。

<2>由于故障造成逆變器斷路的情況，主要為控制器輸出信號故障引發的斷路及功率開關器短路等。此時系統較短時間內保護，最終也會呈現電動機無法運轉的現象，如需進行故障診斷需要另加測試手段。

<3>電動機發生故障仍舊可進行運轉的情況，此種情況主要包含單個功率器件開路、控制器單個輸出信號低電平故障、電動機軸承和線圈故障以及位置傳感器誤差故障燈。此類故障系統電動機可進行運轉，因此可實現故障的在線診斷。

2.故障診斷方法整理

由不同故障的直流母線電流波形以及故障頻譜分析結果可以得出，不同故障類型下諧波幅值存在一定差異，一次可對相應的故障判斷條件進行構建，從而作為故障識別的基本依據。

對電機系統各種狀態下的兩路母線電流分別進行FFT變化操作，獲取歸一化幅度的頻譜數據。通過進一步分析得出，直流分量、基波、四次諧波以及六次諧波可對不同運行狀態的特征進行具體表示。

四、結束語

綜合上述所言，機電作動系統是典型的機電一體化系統，雖然故障模式相對十分多樣化，但是完全可以借助直流母線電流FFT分析的方式完成部分故障種類的在線診斷。為了滿足飛機飛行安全性及穩定性的需求，本文首先分析了機電作動系統結構，然后由系統結構展開故障類型的探究，并最終總結機電作動器故障診斷的方法和種類，旨在切實提升飛機機電作動系統故障的判定效率及修復水平。

【參考文獻】

[1]楊建忠，楊珍書，孫曉哲.機電作動系統故障影響分析與故障檢測方法[J].微特電機，2018，46（06）：43-48.