雙余度機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)的故障隔離與重構(gòu)技術(shù)研究

趙 春,趙守軍,何 俊,陳 鵬,曲 穎

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京100076)

·工程技術(shù)·

雙余度機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)的故障隔離與重構(gòu)技術(shù)研究

趙 春,趙守軍,何 俊,陳 鵬,曲 穎

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京100076)

針對(duì)高可靠應(yīng)用需求，介紹一型雙余度機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)試驗(yàn)樣機(jī)，采用一臺(tái)非對(duì)稱式液壓作動(dòng)器及與其集成于一體的兩套伺服電機(jī)泵驅(qū)動(dòng)組件。重點(diǎn)分析了余度機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)故障隔離和重構(gòu)技術(shù)方案，采用含M型工位的兩位四通電磁換向閥實(shí)現(xiàn)故障通道的隔離與卸荷，提出故障工況下將剩余正常通道的位置誤差比例增益加倍的控制律重構(gòu)方法。理論分析和故障模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，雙余度機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)具備突出的可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)和良好的故障容錯(cuò)能力，具有應(yīng)用于載人航天運(yùn)載火箭的價(jià)值。

機(jī)電靜壓；雙余度；故障隔離；重構(gòu)；運(yùn)載火箭

1 引言

機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)(Electro-Hydrostatic Actuator，EHA，也稱電靜液伺服作動(dòng)器)通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙向定量泵實(shí)現(xiàn)液壓作動(dòng)器兩腔流量的精確快速調(diào)節(jié)，最終通過負(fù)反饋閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器活塞位置的精確快速控制。相比傳統(tǒng)的閥控電液伺服機(jī)構(gòu)(Electro-Hydraulic Actuator，EH)，消除了伺服閥前置級(jí)噴嘴抗污染能力差、易于堵塞的致命故障模式；相比滾珠絲杠類機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)(Electro-Mechanical Actuator，EMA)，消除了機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的卡死故障模式，保留了電力驅(qū)動(dòng)的使用維護(hù)方便性和高效率，同時(shí)繼承了液壓作動(dòng)器的強(qiáng)大輸出力能力[1-4]。三者原理對(duì)比如圖1。

因此，機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)以其較高的固有可靠性、良好的使用維護(hù)性和易實(shí)現(xiàn)大功率等特點(diǎn)，成為飛機(jī)功率電傳(Power-By-Wire)舵控作動(dòng)系統(tǒng)的主選方案[5，6]，已在歐洲空中客車A380和美國聯(lián)合戰(zhàn)斗機(jī)F35等飛機(jī)上成功應(yīng)用[6，7]，也成為我國航空領(lǐng)域近年來研究和攻關(guān)的重點(diǎn)[8]。在航天領(lǐng)域，此技術(shù)對(duì)載人運(yùn)載火箭也有很強(qiáng)的吸引力。

圖1 三種伺服機(jī)構(gòu)工作原理比較圖Fig.1 The comparison of three servo actuators’schematic diagrams

對(duì)于機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)，定量泵中高速精密運(yùn)動(dòng)副密集，與伺服電機(jī)及配套的電子控制驅(qū)動(dòng)部分一起是可靠性相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)，但由于是液壓控制，很容易通過多臺(tái)液壓泵的并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)得到解決[1，9]。此外，多臺(tái)液壓泵并聯(lián)也可以增大功率輸出能力。載人航天追求極致的可靠性指標(biāo)，搖擺發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)推力矢量控制的伺服機(jī)構(gòu)功率也較大，采取冗余設(shè)計(jì)的機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)提供了較理想的技術(shù)方案[3]，但系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，在國內(nèi)研究很少。

對(duì)應(yīng)用于航天的伺服機(jī)構(gòu)，因受空間布局限制，液壓作動(dòng)器不能采取航空中通常用到的作動(dòng)器活塞串聯(lián)冗余設(shè)計(jì)方式[4]，只能在可靠性薄弱的核心部件采取冗余設(shè)計(jì)，但要求能夠自動(dòng)消除一度故障影響，即“一度故障容錯(cuò)能力”(One Fault Tolerant)，也因此在航天伺服控制中稱作“余度設(shè)計(jì)”。例如，三余度閥控伺服機(jī)構(gòu)的伺服閥即采用三套力矩馬達(dá)和液壓放大器前置級(jí)，通過閥芯位置和伺服作動(dòng)器輸出位置的兩級(jí)閉環(huán)反饋?zhàn)詣?dòng)消除一度故障影響[9]。

因此，故障隔離與重構(gòu)成為高可靠機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。本文設(shè)計(jì)了雙余度機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)試驗(yàn)樣機(jī)，提出了故障隔離與重構(gòu)方案，進(jìn)行了模擬故障工況下的系統(tǒng)初步性能試驗(yàn)，表明雙余度機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)具備突出的可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)和良好的故障容錯(cuò)能力。

2 試驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)方案及工作原理

設(shè)計(jì)雙余度機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)及其控制驅(qū)動(dòng)器試驗(yàn)樣機(jī)，工作原理簡(jiǎn)圖如圖2[10]，機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)如圖3，控制驅(qū)動(dòng)原理圖如圖4[11]，高度集成的一體化伺服電機(jī)泵如圖5，基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

將柱塞式定量液壓泵、永磁同步式伺服電機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器同軸集成設(shè)計(jì)在一個(gè)殼體內(nèi)，形成一個(gè)產(chǎn)品，稱為伺服電機(jī)泵(Servo Motor Driven Pump，SMDP)，在控制上與伺服電機(jī)相同，但輸出的是液壓流量而不是機(jī)械轉(zhuǎn)角。采用兩套相同的伺服電機(jī)泵及控制驅(qū)動(dòng)裝置，形成液壓作動(dòng)器的兩個(gè)控制通道，此處稱作通道A和通道B。每個(gè)通道輸出液壓流量的隔離控制由液壓泵出口的含M型工位的兩位四通電磁換向閥實(shí)現(xiàn)。

采用非對(duì)稱的單出桿液壓作動(dòng)器設(shè)計(jì)，以適應(yīng)現(xiàn)有試驗(yàn)系統(tǒng)較短軸向安裝尺寸限制，但在無桿腔內(nèi)部中心增加一個(gè)固定套筒，使得兩腔作用面積比接近1，近似于對(duì)稱作動(dòng)器，以減小油箱體積。內(nèi)置測(cè)量作動(dòng)器活塞位移的傳感器，一端固定在套筒內(nèi)，一端連接在移動(dòng)的活塞桿上。兩個(gè)不同方向運(yùn)動(dòng)時(shí)的不對(duì)稱流量由增壓油箱和液控單向閥調(diào)節(jié):當(dāng)活塞由小端朝大端運(yùn)動(dòng)時(shí)，液控單向閥打開，大端排出的相對(duì)于小端的多余油液通過單向閥進(jìn)入油箱；相反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，液控單向閥關(guān)閉，電機(jī)泵速度增加，增壓油箱補(bǔ)充大端運(yùn)動(dòng)需要的較多油液。增壓油箱也防止液壓泵的氣蝕及補(bǔ)償系統(tǒng)內(nèi)泄漏。

電氣部分采用控制器和驅(qū)動(dòng)器一體化設(shè)計(jì)方案?？刂破鞯暮诵氖菙?shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor，DSP)，實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器位置環(huán)、電機(jī)速度環(huán)和電流環(huán)的三環(huán)閉環(huán)控制及系統(tǒng)性能補(bǔ)償計(jì)算；同時(shí)，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的正弦波調(diào)制控制，生成控制伺服電機(jī)的PWM信號(hào)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的核心是IGBT模塊及功率驅(qū)動(dòng)電路。伺服控制驅(qū)動(dòng)器與外部采用CAN總線通訊。兩個(gè)電氣通道之間采用422內(nèi)部總線通訊。

圖2 雙余度機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)工作原理簡(jiǎn)圖Fig.2 The schematic diagram of the dual redundancy EHA

圖3 伺服控制驅(qū)動(dòng)器A通道工作原理簡(jiǎn)圖Fig.3 The schematic diagram of the servo controller and driver of the channel A

圖4 雙余度機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)圖Fig.4 The picture of the dual redundancy EHA

圖5 伺服電機(jī)泵設(shè)計(jì)圖Fig.5 The cross section of the servo motor driven pump

表1 雙余度機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)基本設(shè)計(jì)參數(shù)表Table 1 The basic design parameters of the dual redundancy EHA

為消除作為核心部件的伺服電機(jī)泵及其電控部分的一度故障影響，系統(tǒng)采用如下的故障隔離與重構(gòu)方法:

1)正常工況下，通道A和通道B同時(shí)工作，兩個(gè)伺服電機(jī)泵各承擔(dān)作動(dòng)器控制流量的1/2；

2)假設(shè)通道A故障，包含驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)和液壓泵等可能的故障，電磁換向閥斷電，切斷液壓泵與作動(dòng)器的液流通道，利用電磁換向閥的M型工位實(shí)現(xiàn)液壓泵的卸荷；

3)在電磁換向閥動(dòng)作的同時(shí)，發(fā)信號(hào)給通道B，通道B的控制器改變控制律，將伺服電機(jī)泵的轉(zhuǎn)速提高一倍，保持液壓作動(dòng)器位置閉環(huán)控制的性能不變，即實(shí)現(xiàn)一度故障容錯(cuò)能力。

3 控制律重構(gòu)方法分析

控制律重構(gòu)是余度機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“一度故障容錯(cuò)能力”的關(guān)鍵，由軟件實(shí)現(xiàn)。

因配置及其設(shè)計(jì)參數(shù)完全相同，忽略A、B兩個(gè)通道的差異，系統(tǒng)控制方框圖簡(jiǎn)化表達(dá)如圖6。

位置回路的開環(huán)特性表達(dá)為:

其中，為方便表達(dá)，將位置閉環(huán)控制算法拆解為兩部分，即位置誤差比例增益Kp和表達(dá)為集中控制傳遞函數(shù)的位置特性補(bǔ)償算法Gb。將伺服電機(jī)動(dòng)態(tài)特性表達(dá)為Gsm，作動(dòng)器在負(fù)載下的動(dòng)態(tài)特性表達(dá)為GL。此外，Dp是液壓泵的排量，A是液壓作動(dòng)器的作用面積，Kn是等效的電機(jī)轉(zhuǎn)速系數(shù)，Kx是位移傳感器變換系數(shù)，均是常數(shù)，s則是拉普拉斯算子。

一個(gè)通道故障工況下，如果另外一個(gè)通道控制律不變，位置回路的開環(huán)增益則會(huì)降低一半，動(dòng)態(tài)品質(zhì)將顯著變差。要保證系統(tǒng)的原有品質(zhì)，剩余一個(gè)通道的增益必須要增大?？刂坡芍貥?gòu)設(shè)計(jì)如下:一個(gè)通道故障時(shí)，剩余的正常通道將位置誤差比例增益加倍，由Kp增大至2Kp。從而保證系統(tǒng)特性不變。

可以看出，余度機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)的控制律重構(gòu)技術(shù)途徑簡(jiǎn)單明了，只需改變位置回路的位置誤差比例增益，而對(duì)位置回路的其它特性補(bǔ)償算法、伺服電機(jī)回路的的控制算法不需要采取任何措施，這充分顯示出機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)的余度設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。

圖6 系統(tǒng)控制方框簡(jiǎn)圖Fig.6 The block diagram of the control system

4 仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

搭建雙余度機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)的AMESim仿真模型[10]，簡(jiǎn)要表達(dá)如圖7。

以試驗(yàn)樣機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，搭建試驗(yàn)系統(tǒng)，利用閥控液壓作動(dòng)器加載，進(jìn)行故障隔離與重構(gòu)模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8。

為對(duì)比系統(tǒng)隔離與重構(gòu)前后的性能差異，設(shè)計(jì)試驗(yàn)程序如下:

1)0 s起，通道A和通道B同時(shí)工作；

2)40 s時(shí)刻，模擬通道B故障，切換通道B的電磁換向閥，同時(shí)通道A位置誤差比例增益加倍；

3)80 s時(shí)刻，模擬通道B恢復(fù)，通道A和通道B同時(shí)工作；

4)120 s時(shí)刻，模擬通道A故障，切換通道A的電磁換向閥，同時(shí)通道B位置誤差比例增益加倍；

5)160 s時(shí)刻，模擬通道A恢復(fù)，通道A和通道B同時(shí)工作。

整個(gè)過程中，對(duì)作動(dòng)器施加的位置信號(hào)為:

施加外負(fù)載力為:

截取40 s時(shí)模擬通道B故障時(shí)刻前后以及80 s時(shí)模擬通道B恢復(fù)工作時(shí)刻前后的位置、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)電流和作動(dòng)器兩腔壓差的仿真與實(shí)測(cè)試驗(yàn)曲線如圖9～圖12(通道A故障工況及恢復(fù)的曲線近似，不再給出)。

分析故障工況下的伺服機(jī)構(gòu)對(duì)指令信號(hào)的頻域響應(yīng)如表2[12]。

圖7 雙余度機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)AMESim仿真模型Fig.7 The AMESim simulation model of the dual redundancy EHA

圖8 雙余度機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.8 The experiment system for the dual redundancy EHA

圖9 作動(dòng)器位置響應(yīng)的仿真與實(shí)測(cè)試驗(yàn)曲線Fig.9 The simulation and experiment curves of the actuator’s position responses

表2 位置響應(yīng)曲線頻域分析結(jié)果Table 2 The frequency domain analysis result of the position responses

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明:

1)系統(tǒng)的試驗(yàn)曲線與仿真結(jié)果吻合，作動(dòng)器在正常和故障工況下均能有效抵抗外負(fù)載干擾，穩(wěn)定跟隨指令信號(hào)動(dòng)作；

2)一個(gè)通道故障時(shí)，剩余的正常通道的電機(jī)泵轉(zhuǎn)速加倍，輸出流量也因此加倍，作動(dòng)器的控制流量能力不變，位置回路的幅頻和相頻特性保持了原有品質(zhì)；

3)系統(tǒng)還具備故障通道的快速恢復(fù)能力，兩個(gè)通道電機(jī)泵快速協(xié)同工作，位置控制特性不受影響。

分析認(rèn)為，不同通道下的少許性能差異源于伺服電機(jī)泵的內(nèi)泄漏等個(gè)性。通道A單獨(dú)工作時(shí)，幅值比－0.26 dB稍優(yōu)于雙通道的－0.38 dB，相位滯后－55.4°也稍優(yōu)于雙通道的－59.3°。通道B單獨(dú)工作時(shí)，性能與雙泵相當(dāng)。

因此，系統(tǒng)具備良好的一度故障容錯(cuò)能力。

圖10 電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真與實(shí)測(cè)試驗(yàn)曲線Fig.10 The simulation and experiment curves of the motors’rotation speeds

圖11 電機(jī)q軸電流仿真與實(shí)測(cè)試驗(yàn)曲線Fig.11 The simulation and experiment curves of the motors’q-axis currents

圖12 作動(dòng)器兩腔壓差仿真與實(shí)測(cè)試驗(yàn)曲線Fig.12 The simulation and experiment curves of the differential pressure for the actuator

5 結(jié)論

針對(duì)雙余度機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)初步研究成果，總結(jié)如下:

1)液壓泵的流量輸出相加特性使得機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)可以方便實(shí)現(xiàn)更高等級(jí)的余度設(shè)計(jì)，例如三余度或四余度，只需在液壓泵出口設(shè)置換向閥實(shí)現(xiàn)彼此的隔離。而對(duì)于采用滾珠絲杠傳動(dòng)和齒輪減速器的機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)，由于要通過齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)故障隔離與協(xié)調(diào)，更復(fù)雜，技術(shù)難度也更大。

2)機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)余度設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)還在于可方便實(shí)現(xiàn)大載荷和大功率輸出能力。本文中的樣機(jī)采用液壓作動(dòng)器可以可靠實(shí)現(xiàn)300 kN的推力和近10 kW的功率輸出。其中，伺服電機(jī)泵雖然是新產(chǎn)品，但在部組件層級(jí)有良好的航天產(chǎn)品基礎(chǔ)，進(jìn)一步改進(jìn)可以可靠實(shí)現(xiàn)6000 rpm的轉(zhuǎn)速和21 MPa的負(fù)載壓力，單套對(duì)應(yīng)功率可達(dá)到15 kW，單個(gè)液壓作動(dòng)器配四套電機(jī)泵就可實(shí)現(xiàn)60 kW的功率輸出。相反，要開發(fā)60 kW的航天用伺服電機(jī)或液壓泵，難度和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)都很大。

3)對(duì)于我國未來更大推力的載人運(yùn)載火箭需要的典型40 kW伺服功率而言，采用四余度設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)一度故障工況下的全功率能力、兩度故障工況下的75%功率能力、三度故障工況下的37.5%的功率能力。由于航天伺服控制的瞬時(shí)大功率、經(jīng)常性小功率功率譜特點(diǎn)以及伺服電機(jī)和液壓系統(tǒng)較強(qiáng)的短時(shí)過載能力，余度機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)具備值得信賴的故障容錯(cuò)能力。

4)相比傳統(tǒng)的閥控液壓伺服機(jī)構(gòu)，機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)也具有結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)的先天優(yōu)勢(shì)，可徹底消除獨(dú)立的液壓能源系統(tǒng)和外部液壓導(dǎo)管，密封可靠性顯著提高，使用維護(hù)方便性與機(jī)電伺服機(jī)構(gòu)接近。

5)本文開展的余度機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)研究還在于初期階段，試驗(yàn)樣機(jī)系統(tǒng)頻帶還很窄，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還不夠緊湊。國內(nèi)較大功率的快響應(yīng)機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)也有研究成果[13]，且液壓產(chǎn)品具備高集成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的天然優(yōu)勢(shì)，都有解決的工程基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語

作為近年來國外航空領(lǐng)域已取得充分發(fā)展的先進(jìn)技術(shù)，機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)(EHA)因其電力驅(qū)動(dòng)、高可靠設(shè)計(jì)、大功率等特點(diǎn)，對(duì)我國載人航天運(yùn)載火箭有較大的應(yīng)用價(jià)值。本文通過雙余度機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)原理性樣機(jī)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究，提出了故障隔離及重構(gòu)方法，表明系統(tǒng)具備良好的一度故障容錯(cuò)性能，同樣技術(shù)可拓展應(yīng)用至更高余度等級(jí)的設(shè)計(jì)。

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[13]何俊，趙守軍，曲穎，等.一種高緊湊整體化機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)研究[C]//中國航空學(xué)會(huì)航空機(jī)電、人體與環(huán)境工程學(xué)術(shù)會(huì)議，2013.He Jun，Zhao Shoujun，Qu Ying，et al.Study on a high compact and integrated electro-hydrostatic actuator[C]//2013 Conference on Aviation Electromechanical，Human and Environmental Engineering，China Society of Aeronautics and Aerospace，2013.(in Chinese)

Study on Fault Isolation and Reconfiguration for Dual Redundancy Electro-Hydrostatic Actuators

ZHAO Chun，ZHAO Shoujun，HE Jun，CHEN Peng，QU Ying
(Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls，Beijing 100076，China)

For highly reliable applications，a dual redundancy electro-hydrostatic actuator(EHA) was introduced，where a non-symmetrical hydraulic actuator and two sets of servo motor driven pump were integrated into a monolithic structure.A technical approach to isolate faults and reconfigurate the system was introduced and analyzed.Two-position-four-way directional solenoid valves having M type positions were used to isolate the fault channel and to unload the corresponding pump.A control law was reconstructed that the position error gain in the remaining normal channel was doubled.Theoretical analysis and experimental simulations were conducted.It shows that redundant Electro-Hydrostatic Actuators have the outstanding advantage for highly reliable designs and good fault tolerant performance，valuable to be applied to manned space launch vehicles.

electro-hydrostatic actuator；dual-redundant；fault isolation；reconfiguration；launch vehicle

V448.122

A

1674-5825(2015)03-0205-07

2015-03-17；

2015-04-14

趙春(1988－)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)檫\(yùn)載火箭推力矢量伺服控制技術(shù)。E-mail:zhao.c1988＠163.com