航空航天機電伺服系統(tǒng)可靠性設(shè)計綜述

盧二寶，閆麗媛，于志遠，鄭再平

(北京精密機電控制設(shè)備研究所 研發(fā)中心，北京 100076)

航空航天機電伺服系統(tǒng)可靠性設(shè)計綜述

盧二寶，閆麗媛，于志遠，鄭再平

(北京精密機電控制設(shè)備研究所 研發(fā)中心，北京 100076)

針對航空航天機電伺服系統(tǒng)，進行了簡略的國內(nèi)外可靠性發(fā)展歷史和現(xiàn)狀的介紹；針對系統(tǒng)中伺服電機、伺服機構(gòu)和伺服驅(qū)動器的可靠性分析方法、失效模式和可靠性設(shè)計方法進行了闡述，并對機電伺服系統(tǒng)可靠性設(shè)計提出了冗余的設(shè)計思想；隨后根據(jù)國外最新的機電伺服系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)提出了國內(nèi)的相關(guān)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢；最后從設(shè)計、方法、試驗、數(shù)據(jù)、人員等方面提出了我國機電伺服系統(tǒng)可靠性發(fā)展的不足。

機電伺服系統(tǒng)；可靠性技術(shù)；伺服機構(gòu)；伺服電機；伺服驅(qū)動器

0 引言

隨著輕質(zhì)、精密、高速的機械機構(gòu)、高能量密度的永磁型電機和電機驅(qū)動器技術(shù)的不斷進步，它們被廣泛地應(yīng)用于航天飛行器、運載火箭、雷達等各個領(lǐng)域，組成伺服系統(tǒng)，成為控制系統(tǒng)的重要分系統(tǒng)，其可靠性對于整個系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。

機電伺服系統(tǒng)是以伺服電機為控制對象，以伺服驅(qū)動器為核心，以伺服機構(gòu)為動力輸出的機電一體化集成伺服系統(tǒng)，如圖1所示。其工作原理為：伺服驅(qū)動器接收伺服控制上位機的指令，通過與位于伺服機構(gòu)上的位移傳感器產(chǎn)生的的伺服系統(tǒng)位移反饋信號進行比較，產(chǎn)生誤差信號；根據(jù)該誤差信號，通過控制算法運算，生成控制信息，控制伺服驅(qū)動器內(nèi)部功率器件調(diào)制電源，控制輸入伺服電機的電能；位于伺服機構(gòu)上的伺服電機將電能轉(zhuǎn)換為機械能，并產(chǎn)生指定特性的機械運動，消除反饋信號與指令的誤差值，以此實現(xiàn)伺服系統(tǒng)跟隨伺服控制上位機指令，達到對負載進行伺服控制的功能要求[1-3]。

由于其使用領(lǐng)域的特殊性，結(jié)合特種裝備、航空、航天等應(yīng)用環(huán)境條件特點，對機電伺服系統(tǒng)的安全性及強環(huán)境適應(yīng)性有很高的要求，伺服系統(tǒng)的可靠性也引起越來越多的關(guān)注。本文針對機電伺服系統(tǒng)可靠性簡略回顧國內(nèi)外的可靠性設(shè)計歷史和現(xiàn)狀；分析現(xiàn)階段機電伺服各單機及系統(tǒng)可靠性設(shè)計的方法和技術(shù)，并提出了現(xiàn)階段機電伺服可靠性發(fā)展的不足。

圖1 機電伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖Fig.1 The scheme of EMA

1 可靠性歷史發(fā)展及現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

機電伺服系統(tǒng)是航空、航天器等裝備控制系統(tǒng)的主執(zhí)行機構(gòu)。航天工業(yè)的可靠性工作開始于20世紀60年代。

我國從50年代末60年代初開始涉足可靠性，電子工業(yè)領(lǐng)域開始建立可靠性與環(huán)境試驗研究機構(gòu)。我國的可靠性工作的實質(zhì)開展是從70年代開始，以提高航天火箭和人造衛(wèi)星可靠性為目標，發(fā)展“七專”電子產(chǎn)品。80年代以后，我國可靠性工作得到了迅速發(fā)展，電子工業(yè)以提高“三機”(電視機、錄音機、收音機)可靠性為中心，大大促進了電子產(chǎn)品可靠性的提高。航空工業(yè)以飛機的定壽延壽為中心，推動了航空領(lǐng)域可靠性的發(fā)展。自80年代中期以來，隨著新一代導(dǎo)彈和應(yīng)用衛(wèi)星研制工作的展開，可靠性工程進入全面發(fā)展階段，可靠性定量要求作為重要指標列入產(chǎn)品研制任務(wù)書，各級人員的可靠性設(shè)計與研制意識有了很大提高，我國航天系統(tǒng)建立了行之有效的可靠性管理制度[4]。

1.2 國外發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

可靠性最早起源于第二次世界大戰(zhàn)中軍事部門的需要?？傮w來看，國外可靠性發(fā)展可分為以下三個階段。

第一階段(20世紀40～50年代)可靠性萌芽階段。這一階段主要是由美國軍事部門最早提出可靠性并開始深入研究。1952年至1959年，美國國防部等相關(guān)部門陸續(xù)出版了《美國軍用電子設(shè)備可靠性報告》《彈道導(dǎo)彈的可靠性大綱》《宇航系統(tǒng)及設(shè)備的可靠性大綱》《電子設(shè)備可靠性大綱要求》等一系列可靠性資料，奠定了可靠性發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。

第二階段(20世紀60～70年代)可靠性快速發(fā)展與應(yīng)用階段。這一階段世界各個大國都陸續(xù)開始對可靠性進行了更為全面的研究。第一顆人造衛(wèi)星的成功發(fā)射、阿波羅宇宙飛船成功載人登月等可靠性工程的成功典范，導(dǎo)致可靠性研究成為當時最熱門的方向之一。20世紀60年代，蘇聯(lián)的專家學(xué)者釆取積極有效的措施推進可靠性研究，成為繼美國之外又一個可靠性研究大國。法國可靠性工程重視元器件的制造和選材規(guī)范，由政府出資進行元器件可靠性試驗工作。日本的可靠性一開始全都照搬美國的經(jīng)驗，借鑒美國的可靠性成果，并將可靠性廣泛應(yīng)用于本國的制造業(yè)企業(yè)和研究所[5-6]。

第三階段(20世紀80年代以后)是可靠性成熟階段，即全壽命周期可靠性保障階段，以可靠性為中心實行全方位的工程項目管理。日本將可靠性技術(shù)由軍用推行到民用領(lǐng)域，使得其國內(nèi)一大批制造業(yè)企業(yè)以其產(chǎn)品的高可靠性在國際競爭中脫穎而出。其他國家也逐漸認識到可靠性帶來的巨大經(jīng)濟效益，把產(chǎn)品可靠性與產(chǎn)品的功能性看成產(chǎn)品的兩大核心競爭力，并總結(jié)出版了一系列權(quán)威可靠性標準，使得可靠性整體呈多元化發(fā)展[15]。

2 機電伺服各組成單機及系統(tǒng)的可靠性

機電伺服系統(tǒng)，首先應(yīng)用于工業(yè)和民品領(lǐng)域，后經(jīng)過技術(shù)改進，越來越多地在特種裝備和航空航天領(lǐng)域中應(yīng)用。機電伺服系統(tǒng)的可靠性研究，更多的是依托于工業(yè)產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以特種裝備的特殊工作條件為輸入展開研究。下文針對伺服單機和系統(tǒng)的可靠性逐一進行分析。

2.1 伺服電機可靠性

伺服電機是在機電伺服系統(tǒng)中控制傳動機構(gòu)運轉(zhuǎn)的電動機，既是系統(tǒng)中的動力部件，又是控制部件，是機電伺服系統(tǒng)的核心組成之一。常用的伺服電機有直流伺服電機、無刷直流伺服電機、永磁同步伺服電機、交流感應(yīng)電機、開關(guān)磁阻電機、直線電機等。

伺服電機的可靠性分析包含以下三種方法。

伺服電機故障模式及影響分析(FMECA)，故障模式是指故障的表現(xiàn)形式，例如電機繞組的開路、短路，電機軸零件斷裂，電機軸承磨損等。故障模式分析是在設(shè)計過程中，通過對各單元潛在的各種故障模式及對電機功能的影響進行分析，提出可以采取的預(yù)防改進措施。伺服電機故障樹分析(FTA)，根據(jù)無刷直流電機的結(jié)構(gòu)，以及試驗和現(xiàn)場使用中收集到的失效數(shù)據(jù)分析，可得出伺服電機故障樹圖。伺服電機故障報告、糾錯和糾正措施系統(tǒng)(FRACAS)，是為了確保研制過程中所有故障能及時報告，徹底查清，正確糾正，防止再現(xiàn)，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性增長，以保證達到并保持產(chǎn)品的可靠性和可維修性。

伺服電機的可靠性設(shè)計包含伺服電機可靠性模型建立、可靠性指標分配、可靠性預(yù)計、可靠性設(shè)計、故障模式影響及危害性分析，故障樹分析和事件樹分析。

為增強伺服電機可靠性，還可以對其進行冗余設(shè)計。冗余設(shè)計技術(shù)又稱為余度設(shè)計技術(shù)，它是在伺服電機完成任務(wù)起關(guān)鍵作用的地方，如定子繞組，增加一套以上完成相同功能的定子繞組，當原有定子繞組出現(xiàn)故障時，伺服電機仍能正常工作[7-8]。

2.2 伺服機構(gòu)可靠性

在伺服系統(tǒng)中，伺服機構(gòu)失效主要模式為：結(jié)構(gòu)和機械故障。機電伺服系統(tǒng)的伺服機構(gòu)的主要類型有以下幾種：行星滾柱絲杠傳動機構(gòu)、滾珠絲杠傳動機構(gòu)、諧波齒輪傳動機構(gòu)、行星齒輪傳動機構(gòu)等?？赡軐?dǎo)致機電伺服系統(tǒng)在航空、航天應(yīng)用中嚴苛條件下出現(xiàn)的故障，其主要原因是負載過重、環(huán)境因素、潤滑問題和制造缺陷。增強伺服機構(gòu)的可靠性，應(yīng)從以下幾個方面開展工作:

1)充分了解和分析伺服機構(gòu)工作的外界條件。如負載形式、溫度范圍、載荷譜、潤滑條件、工作時間、貯存時間等。

2)在伺服機構(gòu)設(shè)計中充分考慮其使用降額情況。如根據(jù)其負載情況、潤滑條件等進行適應(yīng)性設(shè)計和降額設(shè)計，提高伺服機構(gòu)可靠性。

3)通過開展伺服機構(gòu)可靠性試驗，提升其本身可靠性能。提高作用載荷是目前各國研究加速可靠性試驗的主要方法，其重要前提是必須保證被試件的破壞形式與實際使用時的一致。加速可靠性試驗可分為恒定載荷加速可靠性試驗、隨機載荷加速可靠性試驗和方波載荷加速可靠性試[9]。

2.3 伺服驅(qū)動器可靠性

對于伺服電機驅(qū)動器，一般選取以下幾種失效模式進行機理分析：過壓、欠壓、過流、過載、過溫、短路等。

伺服驅(qū)動器中常見的故障包括逆變器中功率器件(IGBT或MOSFET)的開路和短路故障。過壓、過流及工作溫度過高都會損壞功率開關(guān)器件，造成功率開關(guān)管開路和擊穿短路兩種故障。傳統(tǒng)推挽結(jié)構(gòu)的功率模塊IGBT驅(qū)動電路縮短開通、關(guān)斷時間和抑制開關(guān)過程中的電壓、電流應(yīng)力是一對矛盾，雖然減小驅(qū)動電阻將導(dǎo)致開通、關(guān)斷時間的縮短，但同時也將導(dǎo)致開關(guān)過程中功率模塊IGBT電流、電壓熱應(yīng)力的增加，從而使功率模塊的可靠性降低。在產(chǎn)品研制中應(yīng)仔細平衡以上設(shè)計參數(shù)。

此外，在伺服驅(qū)動器中設(shè)計完備的BIT功能，即循環(huán)檢測伺服驅(qū)動器的故障碼和狀態(tài)信息。根據(jù)這些信息，控制伺服系統(tǒng)做出相應(yīng)的響應(yīng)，同時將信息顯示并上報，便于用戶快速判斷故障來源[10]。

2.4 伺服系統(tǒng)的可靠性

伺服系統(tǒng)是一個典型的由各個伺服單機串聯(lián)而成的可靠性模型，如圖2所示。

圖2 機電伺服系統(tǒng)串聯(lián)可靠性模型Fig.2 Series reliability model of EMA

伺服系統(tǒng)的每個單機的可靠性，都直接決定了整個伺服系統(tǒng)的可靠性。提高伺服系統(tǒng)的可靠性，除了提升系統(tǒng)中各單機的可靠性之外，還可以通過改變伺服系統(tǒng)架構(gòu)，將系統(tǒng)中可靠性相對較差的單機進行冗余設(shè)計，如將伺服系統(tǒng)的核心單機伺服單機進行冗余設(shè)計，如圖3所示。

圖3 機電伺服系統(tǒng)冗余可靠性模型Fig.3 Redundant reliability model of EMA

通過伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)級優(yōu)化設(shè)計，可大幅度提升系統(tǒng)可靠性。但是在提升系統(tǒng)可靠性的同時，系統(tǒng)的體積、重量和成本也同時在增加。故有效地平衡系統(tǒng)的成本、體積、重量和可靠性之間關(guān)系，是做好伺服系統(tǒng)設(shè)計的主要工作目標[11]。

非開行呼吁增強非洲農(nóng)業(yè)競爭力。5月21日，非洲開發(fā)銀行（AfDB）第53屆年會農(nóng)業(yè)領(lǐng)導(dǎo)力論壇指出，非洲需增強農(nóng)業(yè)競爭力，以創(chuàng)新技術(shù)帶動農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型。非開行將繼續(xù)致力于把非洲農(nóng)業(yè)打造為價值1萬億美元的產(chǎn)業(yè)，制定農(nóng)業(yè)發(fā)展對策，確保農(nóng)業(yè)增長。論壇強調(diào)，非洲還需延伸產(chǎn)業(yè)鏈條，促進農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效，提高競爭力以躋身世界前列。

3 國內(nèi)航空航天機電伺服系統(tǒng)可靠性發(fā)展前景

通過對機電伺服系統(tǒng)可靠性技術(shù)現(xiàn)狀的研究，在未來發(fā)展機電伺服系統(tǒng)的可靠性，其設(shè)計必須存在于產(chǎn)品的全壽命周期內(nèi)。提高伺服系統(tǒng)可靠性的設(shè)計措施有：

1)采用先進的冗余技術(shù)

國內(nèi)外機電伺服產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)實踐表明，從改進機電伺服系統(tǒng)各組成單元的結(jié)構(gòu)和制造工藝上進一步提高可靠性，可挖掘的潛力有限，無法滿足載人航天大幅增長的可靠度指標要求。必須采用全新的設(shè)計理念，從設(shè)計源頭上采取措施，才能保證可靠性與安全性的大幅增長成為可能。借鑒國外航空航天飛行器采用冗余技術(shù)提高可靠性的先進經(jīng)驗。

當前世界上先進的航空航天飛行器伺服系統(tǒng)都是采用余度技術(shù)來提高其可靠性。余度伺服技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了: 簡單并聯(lián)余度方式→檢測糾正余度方式→多數(shù)表決余度方式→多數(shù)表決檢測糾正混合余度方式幾個階段。我國在余度技術(shù)方面的研究起步較晚，航空領(lǐng)域應(yīng)用余度技術(shù)相對早些，在我國航天領(lǐng)域采用何種余度機電伺服機構(gòu)作為載人航天的機電伺服系統(tǒng)，存在著多方面的考慮。

從余度結(jié)構(gòu)配置上看，國外余度機電伺服系統(tǒng)大多采用四余度、三余度、雙余度，少數(shù)也有五余度或雙-三余度，其中四余度最為常見。余度數(shù)的選擇主要從可靠性要求、余度管理方式、工程實現(xiàn)難易程度、體積、重量、成本幾方面綜合考慮[12-13]。

美國航天飛機主發(fā)動機和固體火箭助推器推力矢量控制伺服機構(gòu)采用的四余度多數(shù)表決檢測糾正式機械反饋伺服作動器成為首選的參考方案。因為該方案代表了當今世界最高水平，具有非常高的可靠性。當然該方案的余度管理技術(shù)復(fù)雜，余度配置結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，研制成本高，對我國航天領(lǐng)域首次采用余度技術(shù)來講，設(shè)計上存在一定的難度。

2)充分繼承成熟技術(shù)

機電伺服產(chǎn)品新產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)過程中，充分繼承成熟、可靠的技術(shù)成果。伺服系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)與同類產(chǎn)品基本相同；部分成熟元器件直接移植應(yīng)用或作適應(yīng)性改進。這些結(jié)構(gòu)與元器件曾在多次地面試驗及飛行試驗中得到考核，其設(shè)計可靠性是值得信賴的。這些成熟技術(shù)的采用對保證伺服產(chǎn)品的可靠性，縮短研制周期起到了促進作用[14]。

3)裕度設(shè)計

機電伺服產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強度、工作性能、承載能力、工作散熱都有一定的設(shè)計裕度。伺服機構(gòu)的工作性能，內(nèi)控指標均嚴于控制系統(tǒng)任務(wù)書中提出的要求，留有余量。通過采用裕度設(shè)計，為進一步航天機電伺服系統(tǒng)的可靠性奠定了基礎(chǔ)。

4)深度數(shù)字化設(shè)計

在一個子系統(tǒng)框架內(nèi)，下屬伺服驅(qū)動器、伺服機構(gòu)，伺服電機等單機，采用總線通信、DSP或FPGA芯片計算，控制元件盡可能采用數(shù)字控制產(chǎn)品。

4 結(jié)論

目前國外可靠性工程技術(shù)已從定性走向定量，產(chǎn)生了大量的計算機輔助可靠性設(shè)計、分析與評估工具及高效的可靠性試驗方法，實現(xiàn)了與裝備性能的一體化論證、設(shè)計、分析與試驗?zāi)芰?，使得裝備的可靠性、維修性、測試性水平大幅度提高。

我國經(jīng)過長時期積累，可靠性工程技術(shù)領(lǐng)域已形成了一大批創(chuàng)新性的技術(shù)成果。在新一代特種裝備發(fā)展中，這些技術(shù)成果的實用化將成為發(fā)展的重點，如高效可靠性試驗與評估技術(shù)、自動測試技術(shù)、綜合診斷技術(shù)、遠程維修支持技術(shù)、裝備保障建模與仿真技術(shù)、故障預(yù)測與健康監(jiān)控技術(shù)等。但與美、日、俄等國家相比，目前還存在較大差距，主要表現(xiàn)在：

1)產(chǎn)品可靠性水平低。在重大試驗中靠大量備份與服務(wù)，準備時間長，導(dǎo)致系統(tǒng)效能和費用效益低，任務(wù)風(fēng)險率高。

2)可靠性技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，嚴重制約了產(chǎn)品可靠性水平和型號可靠性工程的發(fā)展。

a)缺省元器件、原材料、零部件使用和失效的全面數(shù)據(jù)。

b)進行FMEA(CA)缺少各種典型設(shè)備和組件的失效模式及各種模式發(fā)生的概率；建立復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性模型、進行可靠性分析計算，缺少典型設(shè)備的壽命分布數(shù)據(jù)。

c)進行復(fù)雜的可靠性設(shè)計、分析、計算，缺少必要的輔助工具。如計算機輔助工具、仿真工具、專家系統(tǒng)等，給工程應(yīng)用帶來一定困難。

d)國產(chǎn)元器件固有可靠性低，難以滿足型號高可靠要求。

e)一些重要的可靠性技術(shù)，由于缺少工程化應(yīng)用研究，難以在型號研制中有效應(yīng)用。如可靠性研制試驗(篩選試驗、老煉、增長試驗等)，盡管制定了一些標準，但在如何選擇合理的應(yīng)力與時間、順序，如何考慮試驗綜合以降低成本等，都有待進一步研究。

f)對諸如可靠性貯存技術(shù)、潛在通路分析技術(shù)、容錯技術(shù)、以可靠性為中心的產(chǎn)品保證技術(shù)等尚未有效掌握。

g)軟件可靠性技術(shù)與發(fā)達國家相比，還有不小的差距。

3)可靠性信息管理薄弱。

4)在可靠性標準化方面，我國雖在吸收國外標準基礎(chǔ)上制定了一些可靠性標準。但因缺少技術(shù)預(yù)研，一些標準在使用中還缺少必要的技術(shù)支援，從而影響了其實用有效性。

5)在可靠性管理上，不少單位組織機構(gòu)不健全，職責分工不明確，缺少系統(tǒng)管理。

6)可靠性隊伍及人才不足。

綜上所述，與我國航空、航天、兵器等裝備的技術(shù)需求和領(lǐng)域的拓展，機電伺服系統(tǒng)可靠性研究工作的深入工作迫在眉睫，其專業(yè)建設(shè)、人才培養(yǎng)、數(shù)據(jù)積累、以及相關(guān)政策的扶持都需要大力開展。我國在發(fā)展機電伺服系統(tǒng)可靠性工作的道路上，任重而道遠。

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Reviews of Aeronautics and Astronautics Electromechanical Actuator on Reliability Design

LU Er-bao, YAN Li-yuan, YU Zhi-yuan , ZHENG Zai-ping

(Beijing Research Institute of Mechatronics and Controls, Servo Technology R&D Center, Beijing 100076, China)

In this paper, based on the electromechanical actuator(EMA), we analyzed the development history and status quo at home and abroad. In view of the system of servomotor, servomechanism and servo driver reliability analysis, the main failure modes and the reliability design method are carried on the simple introduction. We put forward the reliability design of mechanical and electrical servo system redundancy design idea. Then according to the latest foreign mechanical and electrical servo system design technology, we put forward the development trend of domestic related products. Finally from the design, method, experiment, data, researchers, we put forward the lack of reliability of mechanical and electrical servo system development in our country.

Electromechanical Actuator(EMA); Reliability technology; Servomechanism; Servomotor; Servo driver

10.19306/j.cnki.2095-8110.2016.04.010

2016-03-31；

2016-04-18。

盧二寶(1985-)，男，碩士，工程師，主要從事機電伺服電氣系統(tǒng)設(shè)計方面的研究。E-mail:luerbao@gmail.com

V19

A

2095-8110(2016)04-0053-05