關于飛控機電作動系統典型故障模式影響的研究

徐堅

摘要：在民航客機控制領域，機電作動系統發揮了重要的作用。但這個系統復雜程度較高，容易在各種因素的影響下出現故障，且故障模式及影響較為復雜，故提高了故障處理的難度。本文對飛控機電作動系統典型故障模式影響進行研究，首先闡述了飛控機電作動系統的結構，然后以驅動器故障、執行機故障、位置傳感器故障和控制器故障作為切入點，分析機電作動系統典型故障模式，最后研究故障診斷方法，希望為相關行業提供借鑒。

關鍵詞：機電作動系統;典型故障;驅動器

0 ?引言

安全和高效是現代民航客機發展的方向，為達成這一目標，各種先進的科學技術被應用于飛機制造之中，其目的在于控制飛機的重量，使其運行效率得到提升。以A380客機為例，該客機的在運用電靜液作動系統后，整個飛機的重量減少了1500kg。播音787飛機也同樣如此，實現了對運行維護成本的有效控制。由此可見，在民航客機中應用機電作動系統，已經成為了現代民航客機發展的趨勢。但值得注意的是，飛控機電作動系統故障及影響具有復雜性的特點，如何診斷和解決故障，成為了民航領域的熱點話題。

1 ?機電作動系統結構

飛控機電作動系統包括兩大類型，分別為旋轉式機電作動系統和直線式機電作動系統。直線式機電作動系統是本文研究的重點。這種系統多被用于民航客機，所起到的作用為輔助舵面作動，具有不可逆的特點。系統由以下部分構成：①驅動機;②執行機;③位置傳感器;④控制器。其在工作過程中，驅動機會驅動機械傳動組件，系統中的滾珠絲杠螺旋桿會在力的作用下發生轉動，并向外輸送線性力，螺母在受力后會做上下運動，與之相連的舵面也會做相同的動作，從而滿足指令的需求[1]。

在科學技術發展的推動下，無刷直流電機應運而生，在短時間內完成了對傳統驅動電機的取代。該電機除了具備傳統電機的功能外，還可以調節速度，并對飛控直流作動系統的運行狀態進行采集，為系統狀態監測功能的實現，創造了有利的條件。

2 ?機電作動系統典型故障模式影響

飛控機電作動系統具有復雜性的特點，在這一特點的影響下，系統故障模式較為多樣，其產生的影響也難以估量。故本文對幾種典型的故障模式及影響進行分析，如下所述：

2.1 驅動器故障及影響

驅動器是飛控機電作動系統驅動模塊的主要設備，在接收控制器指令信號之后，對電機進行驅動。過電流、過電壓、高溫、沖擊振動是導致驅動器故障的主要原因，具體表現為功率管和驅動元件短路等電子元件在上述因素的影響下而損壞，致使驅動器無法正常運行。如果僅強調驅動器的故障輸出，我們可以將驅動器故障模式總結為電路短路和斷路。此類故障屬于常見故障，系統會在故障的影響下超負荷運行，其內部器件也會因此而燒毀。

2.2 執行機故障及影響

通過查閱資料得知，無刷直流電機的零部件多為金屬材質，很少發生故障。機械轉動軸承和電機繞組故障成為了主要的故障模式。如下所述：

①電機繞組開路：此類故障的成因包括焊點處裂開，導線斷裂、熱脹冷縮應力[2]。

故障影響：開路繞組無法發揮作用，電機輸出性能會降低。

②電機繞組短路：此類故障產生的原因為線路斷裂。

故障影響：三相繞組與磁場變化無法協調，導致電機輸出性能顯著降低。

③電機軸承卡阻：此類故障的成因為軸承摩擦力矩過高。

故障影響：損毀軸承，機電作動系統的正常運行也會因此受到影響。

④齒輪傳動鏈卡阻：此類故障產生的原因為磨損、振動和沖擊。

故障影響：力矩的正常傳遞受到影響。

⑤齒輪脫落：此類故障產生的原因為裝配不合理、沖擊振動和磨損。

故障影響：力矩無法正常傳遞。

⑥載荷路徑結構故障：裝配不合理和異物干擾是導致此類故障的原因。

故障影響：輸出與指定不相匹配。

⑦載荷路徑自鎖機構故障：裝配不合理是此類故障的成因。

故障影響：舵偏輸出的準確性無法得到保證[3]。

通過上述分析可知，執行機構故障模式具有多樣性的特點，發生故障的具體位置為驅動電機、載荷路徑和傳動裝置。在眾多故障中，電機繞組故障較為常見，其影響也十分嚴重。主要表現電機在運動過程中會產生大量的熱量，由于電機內部較為狹小，故熱量難以散發，導致絕緣受損，為短路故障的出現埋下了伏筆。因此，加強對此類故障的研究十分重要。

潤滑油干涸和軸承磨損是導致軸承故障出現的原因，在故障的影響下，電機會發生振動，電機母線電流也會因此受到阻礙。

2.3 位置傳感器故障及影響

傳感器的作用為轉化信號和傳遞信號，轉化的對象為位移信號和轉速信號，在將其轉化為電信號，會向控制器傳遞信號。控制器在接收信號后，即可發出指令，對整個機電作動系統進行控制，由此可見，傳感器發出信號的準確與否，關系到系統的運行效果。傳感器故障模式及影響如下所述：

①傳感器發出錯誤的信號：電磁干擾和工作環境變化是此類故障的成因。

故障影響：控制器在接收信號后，會發出錯誤的指令，導致系統無法正常運行。

②傳感器無輸出：電子元件和敏感元件失去應有的作用是故障成因。

故障影響：控制器無法接收信號，系統無法保持正常作動[4]。

通過上述分析可知，傳感器故障模式可以總結為兩點，分別為輸出信號錯誤和輸出信號無輸出，這兩種故障均會影響系統的正常作用。

2.4 控制器故障及影響

計算反饋偏移量和控制量，是控制器的主要作用，其由硬件和軟件兩部分構成，硬件主要是指運算放大器，其常見故障模式及影響如下所述：

①信號解算器故障：導致此類故障模式的原因為過電流和電壓，對電子元器件造成了沖擊，致使功率管損壞，無法繼續發揮作用。

故障影響：無法保證解算信號和輸出信號的準確性，飛控機電作動系統無法正常運行。

②控制器邏輯故障：此類故障產生的原因與信號解算故障相同，故不再做過多贅述。

故障影響：監控出錯、解算和輸出指令信號的準確性無法得到保證，飛控機電作動系統無法正常運行。

③行程限制功能失效：原因與上述故障相同。

故障影響：控制器行程限制功能失效，如果故障長時間存在，會導致機電作動系統結構受到損傷。

④接收指令信號錯誤：線路板在沖擊和振動力的影響下，出現接觸不良和松動等現象。

故障影響：控制器對指令進行無效放大，同時輸出不正確的信號，最終導致機電作動無法正常工作。

通過上述分析可知，控制器故障模式較多，影響也十分嚴重。如果僅強調故障輸出，我們可以將控制器故障總結為無輸出、輸出超限和信號錯誤等模式。

3 ?故障診斷方法

3.1 故障現象分類

飛控機電作動系統故障現象可以分為四個類型，如下所述：

①電機繞組短路。電機在轉動過程中會產生大量的熱量，如果這些熱量無法及時排出，就會導致電機內部溫度不斷升高，從而損壞絕緣保護，致使設備出現繞組短路故障。這種故障屬于常見故障，且影響嚴重，需要工作人員予以強調。

②軸承卡頓。物理因素是此類故障的成因，比如：機械摩擦、潤滑油不足均會導致軸承卡頓。減速器也會因為故障而固定，無法對指令進行響應。長期以往，機械結構會損壞。

③傳動機間隙過大。此類故障會影響位置控制的準確性，設備的指令響應能力也會隨之減弱。導致此類故障的原因為安裝不合理、零部件精度不足以及磨損。

④載荷路徑結構故障。減速裝置在飛控機電作動系統中發揮了重要的作用，能夠降低高轉速扭矩的速度，使其性質發生改變。為保證其作用的充分發揮，裝置的減速模式被優化，變為了逐漸減速，但這種減速模式卻導致裝置在加工和安裝階段出現物理偏差，且難以規避。

3.2 故障診斷方法

飛控機電作動系統故障模式診斷方法為仿真分析方法，分析的重點對象為上述幾種典型的故障模式。主要表現在以下方面：

①繞組電路。假設鐵磁材料具有不飽和的磁性，同時不對磁滯影響進行考慮，那么無刷直流電機的三相電流滿足公式：iA+iB+iC=0，同時，三相繞組也滿足公式：LA+LB+LC=L，簡言之，就是不同相之間具有相同的互感。在此類故障發生之后，短路閉環會隨之產生。

故障產生后有如下表現：電機三相無法保持對稱的狀態，其中一路繞組電路不正常，同時存在短路和不短路繞組的現象。電機電感和電阻均會在故障影響下發生改變。工作人員可以在此基礎上，對故障影響和成因加以界定和分析。

②軸承卡頓。通過上述分析可知，軸承卡頓故障出現的原因為機械結構在異物的干擾下受損，故無法起到應有的作用。在故障的影響下，電機轉速會逐漸下降，直至為零。而解決故障的方法為加大輸出功率。我們可以基于故障模式特點，通過建立故障模型的方式診斷故障。模型如圖1所示。

③傳動機間隙過大。我們可以通過死區模型的建立，診斷此類故障。數學模型如下：

在上述公式中，輸出端與負載端的相對轉角由？茲d表示，而死區函數由DB表示，單邊間隙由Ba表示。

④載荷路徑結構故障。突變型是此類故障最顯著的特征，簡言之，就是信號在短時間內發生改變，我們可以用下述模型對其進行診斷。

在上述公式中，時間變量由f（t）表示，而隨機變量由tch表示。

在將故障錄入到上述模型后，可以得到如圖2所示的結果。

4 ?結論

綜上所述，在科學技術發展的推動下，飛控機電作動系統被應用于民航客機的控制系統之中，其應用保障了民航客機的安全性。但值得注意的是，由于這種系統較為復雜，其故障也呈現出多元化的特點。其中典型的故障形式包括繞組電路、軸承卡頓、傳動機間隙過大和載荷路徑結構故障。這些故障分別發生于系統驅動機、執行機位置器和傳感器之中，對設備和整個系統的運行造成了不利的影響。故通過構建仿真模型，對其故障成因及影響進行分析，具有十分重要的意義。

參考文獻：

[1]孫曉哲，楊珍書，陳棒，等.飛控機電作動系統典型故障模式影響分析[J].微特電機，2019，47（10）：25-30，35.

[2]王天乙.航天器的“肌肉”：機電作動器[J].軍事文摘，2019（16）：10-11.

[3]胡小飛，王毅，朱炎，等.電磁制動器的發展現狀及應用前景[J].微特電機，2019，47（04）：71-75.

[4]張肖，董敏，胡紅利.基于LabVIEW的機電作動器測試系統[J].自動化與儀器儀表，2019（04）：71-75.