飛機(jī)全電剎車機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)上電自檢測

相里康， 馬瑞卿

西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 西安 710072

飛機(jī)全電剎車機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)上電自檢測

相里康， 馬瑞卿*

西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 西安 710072

提出了一種飛機(jī)全電剎車機(jī)電作動(dòng)(EMA)系統(tǒng)的上電自檢測(POST)方法，以保證系統(tǒng)在運(yùn)行前處于安全工作區(qū)域。通過檢測，可及時(shí)準(zhǔn)確地定位和更換故障部件，提高飛機(jī)出勤率。在系統(tǒng)運(yùn)行之前，盡可能在有限的檢測次數(shù)內(nèi)全面準(zhǔn)確地檢測敏感元件，定位故障部件，避免造成剎車系統(tǒng)的二次傷害。針對逆變器和電機(jī)三相繞組組成的驅(qū)動(dòng)回路，利用母線電容放電產(chǎn)生電流，完成檢測。檢測過程利用電容電壓而非電源為逆變器供電，可防止過高的短路電流對電源的沖擊，且電容上存儲(chǔ)的能量有限，可有效避免短路故障對系統(tǒng)的二次傷害。檢測方法在原有電路的基礎(chǔ)上并未增加傳感器和檢測電路，但實(shí)現(xiàn)了逆變器功率管以及電機(jī)繞組，短路和開路故障的全面檢測，且可定位出故障部件和故障原因。該機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)上電自檢測方法能夠保證在一秒內(nèi)完成系統(tǒng)全面自檢測，經(jīng)過1 000次正常及帶故障試驗(yàn)，故障的誤報(bào)率和漏報(bào)率保持在1‰以下。在現(xiàn)場試驗(yàn)中，系統(tǒng)可抵御飛機(jī)復(fù)雜的電磁環(huán)境(EME)，工作性能穩(wěn)定。通過軟件設(shè)置不同故障閾值，可方便移植到其他機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)中。

機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)； 全電剎車； 無刷直流電機(jī)； 自檢測； 逆變器； 定子繞組； 短路； 開路

剎車系統(tǒng)是飛機(jī)上相對獨(dú)立的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一，其作用在于吸收飛機(jī)著陸和滑跑階段的動(dòng)能，使飛機(jī)快速、安全地制動(dòng)[1]。全電剎車是飛機(jī)機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)[2]的一種，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置代替原有的液壓驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)剎車力的控制[3]。飛機(jī)的起飛和降落是飛機(jī)事故的多發(fā)階段[4]，全電剎車系統(tǒng)具有更好的安全性、可靠性、可維護(hù)性以及更優(yōu)良的潛在剎車性能，是未來飛機(jī)剎車系統(tǒng)的發(fā)展方向[5-6]。然而，由于系統(tǒng)引入了更多電子元件，需要對元件進(jìn)行全面、可靠的診斷來保證系統(tǒng)的安全性。

機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)為剎車提供動(dòng)力，是全電剎車系統(tǒng)的核心部件，保證其可靠運(yùn)行，是保證全電剎車系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ)。其動(dòng)力源選用無刷直流電機(jī)。無刷直流電機(jī)，因其結(jié)構(gòu)簡單、功率密度大、調(diào)速性能好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)控制等領(lǐng)域[7-9]。其功率驅(qū)動(dòng)電路一般采用電壓型三相全橋逆變器。由于電力電子器件的脆弱性以及控制的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)PWM控制策略的逆變器部分，是系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)[10-11]。一旦逆變器發(fā)生短路故障，極易造成系統(tǒng)起火、爆炸等嚴(yán)重后果。逆變器與電機(jī)本體之間的連接電纜，由于反復(fù)插拔，容易造成電機(jī)三相的短路和開路故障，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，容易造成電機(jī)缺相運(yùn)行，使系統(tǒng)無法正常工作。

當(dāng)逆變器發(fā)生故障，線路中電壓和電流值相對正常電路不同，可利用這些特性進(jìn)行故障檢測，根據(jù)檢測量的不同，分為基于電流量和基于電壓量的診斷[12-21]。文獻(xiàn)[13]針對上橋臂PWM調(diào)制、下橋臂常開調(diào)制方式下的逆變器開路故障檢測方法，通過分時(shí)采集端電壓來檢測。文獻(xiàn)[14]提出了一種無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器開路故障診斷方法，運(yùn)用相電流信號以及電機(jī)的運(yùn)行特性來檢測，方法簡單。上述兩種檢測方法，均需增加額外的電壓或電流采集電路，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。文獻(xiàn)[15]針對基于Buck DC-DC變換器調(diào)壓的無刷直流電機(jī)三相全橋逆變器開路故障，采用單電流傳感器對直流母線進(jìn)行采樣，與電機(jī)6種工作狀態(tài)相結(jié)合檢測故障，檢測方法簡單。但上述方法僅能診斷出逆變器開路故障，雖通過快速熔絲可將逆變器短路故障變?yōu)殚_路故障[14]，但大的電流也會(huì)造成對電源的沖擊。文獻(xiàn)[16-21]采用小波變換、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、全解耦齊次方程、相空間重構(gòu)技術(shù)、基于模型的參數(shù)估計(jì)等方法檢測電機(jī)驅(qū)動(dòng)器故障，檢測結(jié)果準(zhǔn)確，但運(yùn)算復(fù)雜，實(shí)用性差，難以在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。上述方法均應(yīng)用于逆變器的在線診斷，且無法同時(shí)診斷逆變器及電機(jī)三相繞組開路和短路故障。文獻(xiàn)[22]提出了一種三相全橋逆變器靜態(tài)故障檢測方法，可在系統(tǒng)運(yùn)行前，診斷出逆變器開路和短路故障，并定位出開路故障元件，但需要4個(gè)電阻分壓電路和一個(gè)采樣電阻，且無法定位出短路故障元件。

本文研究了全電剎車機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)的上電自檢測方法，以保證其在運(yùn)行前處于安全工作區(qū)域 (Safe Operation Area, SOA)，并針對由無刷直流電機(jī)定子繞組以及逆變器組成的功率傳輸通道，分析了故障檢測過程，檢測原理以及故障定位方法。該方法可全面檢測開關(guān)管及定子繞組短路和開路故障，并定位出故障元件。檢測方法僅依靠一個(gè)系統(tǒng)固有的直流母線電流傳感器，其運(yùn)算簡單，且對噪聲和參數(shù)的敏感度低。由于在檢測過程中采用電容而非電源為逆變器供電，其存儲(chǔ)的能量有限，可避免系統(tǒng)的二次傷害，且不會(huì)對電源產(chǎn)生沖擊。該上電自檢測方法可在空中斷電再恢復(fù)時(shí)重新檢測系統(tǒng)，以保證著陸安全。

1 全電剎車系統(tǒng)組成

全電剎車系統(tǒng)包括剎車控制單元(Brake Control Unit, BCU)，機(jī)電作動(dòng)控制器 (Electro-Mechanical Actuation Controller, EMAC)以及機(jī)電作動(dòng)器 (Electro-Mechanical Actuation, EMA)，其中EMAC與EMA共同組成機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)。圖1為全電剎車機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)單通道原理框圖，其中EMAC主要由控制電路、電流傳感器、電壓傳感器、信號處理電路、驅(qū)動(dòng)電路、全橋逆變器以及由S7和Rb構(gòu)成的泄放回路等組成，其中全橋逆變器以及電機(jī)繞組共同組成驅(qū)動(dòng)回路。EMA主要由無刷直流電機(jī)本體、霍爾位置傳感器、力傳感器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及剎車盤組成。由于功率電的電壓高，短路時(shí)極易造成系統(tǒng)著火，甚至爆炸，EMAC中開關(guān)管S0用于當(dāng)剎車單元發(fā)生故障時(shí)立即切斷功率電，以保護(hù)飛機(jī)電源，防止短路電流對供電電源的沖擊，以及由此帶來的其他飛機(jī)單元故障。電流傳感器主要用于檢測電路是否發(fā)生過流故障，電壓傳感器用于檢測電路是否發(fā)生過壓或欠壓故障，泄放回路用于當(dāng)系統(tǒng)工作結(jié)束后，釋放掉電容上存儲(chǔ)的能量。

圖1 全電剎車機(jī)電作動(dòng)(EMA)系統(tǒng)單通道原理框圖Fig.1 Diagram of single channel electro-mechanical actuation (EMA) system for electric braking

2 系統(tǒng)上電自檢測流程

系統(tǒng)上電自檢測旨在利用現(xiàn)有電路在不增加元件的基礎(chǔ)上完成。對于元件的檢測，需根據(jù)特定的檢測順序執(zhí)行，保證當(dāng)系統(tǒng)存在多處故障時(shí)，在最短的檢測時(shí)間內(nèi)盡量多地檢測出故障元件，降低維修時(shí)間，保證飛機(jī)出勤率，且不會(huì)因?yàn)闄z測過程，造成系統(tǒng)的二次傷害。具體檢測流程圖如圖2所示。傳感器故障之間互相獨(dú)立，根據(jù)傳感器初始值，判斷其是否正常，若任一發(fā)生故障，則將其相應(yīng)的故障標(biāo)志位置1。由于驅(qū)動(dòng)回路檢測需要依靠電流傳感器檢測值，若其發(fā)生故障，則無法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)回路故障的檢測，應(yīng)立即結(jié)束檢測。具體驅(qū)動(dòng)回路檢測方法將在第3節(jié)中闡述。電壓傳感器是電源電壓故障檢測的基礎(chǔ)，而電源正常是保證電機(jī)正常運(yùn)行的必要條件，故必須保證電源正常，才可進(jìn)行其他電路的檢測。

圖2 系統(tǒng)上電自檢測流程圖Fig.2 Flow chart of power-on self-test

霍爾位置傳感器是無刷電機(jī)正常運(yùn)行的保證，所以對其的檢測，應(yīng)在運(yùn)行電機(jī)對傳動(dòng)機(jī)構(gòu)檢測之前進(jìn)行，且檢測過程應(yīng)保證電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)極小的距離內(nèi)完成，防止對傳動(dòng)機(jī)構(gòu)參考零點(diǎn)位置產(chǎn)生影響。檢測過程如下：首先將霍爾傳感器可能出現(xiàn)的狀態(tài)，按照“HC-HB-HA”編碼，將“000”～“111”分別編碼為“0～7”。然后采用試運(yùn)行的方式，將電機(jī)分別正反轉(zhuǎn)兩圈，記錄出現(xiàn)過的霍爾狀態(tài)，若出現(xiàn)0或7兩種狀態(tài)，則說明出現(xiàn)了霍爾故障。最后根據(jù)未出現(xiàn)的霍爾狀態(tài)，可定位出霍爾故障元件及故障原因。例如A相霍爾信號出現(xiàn)開路故障，則不可能出現(xiàn)“001”，“011”和“101”三種情況，也即不會(huì)出現(xiàn)1,3,5三種霍爾狀態(tài)，根據(jù)這一特性可定位出故障傳感器。故障霍爾傳感器及其故障定位的判定如表1所示。

表1 霍爾傳感器故障元件定位判定表Table 1 Fault location of HALL sensor

在保證力傳感器正常的情況下，進(jìn)行傳動(dòng)機(jī)構(gòu)故障的檢測。電機(jī)驅(qū)動(dòng)EMA中剎車壓頭壓向剎車盤，當(dāng)壓到固定的剎車壓力后，壓頭回退固定的距離，完成剎車壓頭調(diào)隙，保證剎車壓頭與剎車盤之間在開始運(yùn)行時(shí)保持固定的縫隙，以防止機(jī)輪抱死。若在該過程中出現(xiàn)比較大的壓力值，則說明傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中存在卡滯。

當(dāng)系統(tǒng)完成自檢測，或發(fā)生相應(yīng)故障時(shí)，關(guān)閉所有功率管，停止逆變器供電，將故障信息上傳，完成整個(gè)自檢過程。

3 驅(qū)動(dòng)回路故障診斷原理

3.1 診斷流程

無刷直流電機(jī)采用傳統(tǒng)的電壓型三相全橋逆變器，如圖1所示。在上電自檢時(shí)，為了使功率管有規(guī)律的開關(guān)，提出采用虛擬霍爾信號代替實(shí)際的霍爾傳感器信號，其逆變器開通邏輯及相應(yīng)的電機(jī)三相電流流向如表2所示。

作為全電剎車機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)上電自檢測的一部分，驅(qū)動(dòng)回路故障檢測過程，可分為4步。前3步為檢測開關(guān)狀態(tài)時(shí)電路是否發(fā)生了短路和開路故障，通過虛擬霍爾信號來改變開關(guān)狀態(tài)，最后一步通過分析6個(gè)開關(guān)狀態(tài)下的故障情況，定位故障元件，其具體檢測流程圖如圖3所示。

表2 逆變器開關(guān)狀態(tài)編碼Table 2 Switch state coding of inverter

圖3 單個(gè)開關(guān)狀態(tài)檢測流程圖Fig.3 Program flow chart for one switch state

第1步：S0開通，使能量存儲(chǔ)至電容C中，設(shè)置S0的開通參考時(shí)間tref1，可控制電容電壓。

第2步：S0關(guān)斷，S1～S6按照表1所示任意一種開關(guān)狀態(tài)開通，能量從電容C中釋放，流過驅(qū)動(dòng)回路，產(chǎn)生電流。通過設(shè)置開關(guān)狀態(tài)參考時(shí)間tref2，可控制其峰值電流。若任意一種開關(guān)狀態(tài)中母線電流高于短路閾值ISC或低于開路閾值IOC則認(rèn)為此開關(guān)狀態(tài)下，電路中發(fā)生了短路或開路故障。由于短路故障容易造成系統(tǒng)的二次傷害，一旦檢測出短路故障，立即關(guān)閉開關(guān)管。

第3步：設(shè)置泄放時(shí)間tref3，通過泄放回路，使電容電壓降為0，以防止影響下一個(gè)開關(guān)狀態(tài)。循環(huán)前3步，完成6個(gè)開關(guān)狀態(tài)的檢測。

第4步：解耦短路和開路故障狀態(tài)，定位出故障元件。根據(jù)發(fā)生故障的開關(guān)狀態(tài)，通過表3和表4判定故障元件。

表3 開路故障元件定位判定表Table 3 Fault location of open-circuit faults

表4 短路故障元件定位判定表Table 4 Fault location of short-circuit faults

3.2 檢測過程建模與分析

由于電容上存儲(chǔ)的能量較小，在檢測過程中電機(jī)轉(zhuǎn)速近似為零，從而假設(shè)其反電動(dòng)勢為零，不考慮功率管的開通電阻，設(shè)Rp為電機(jī)的相電阻，Lp為電機(jī)的相電感，若電路不存在故障，驅(qū)動(dòng)回路電容充放電的簡化電路如圖4所示(ESR為等效串聯(lián)電阻)。第1步可等效于圖4中開關(guān)S連接至節(jié)點(diǎn)1，電容電壓

(1)

充電完成后電容電壓為

(2)

圖4 驅(qū)動(dòng)回路電容充放電簡化電路Fig.4 Simplified circuit of charging and discharging progress of capacitor in the drive-loop

第2步可等效為圖4中開關(guān)S連接結(jié)點(diǎn)2。驅(qū)動(dòng)回路總的電阻為Rsum，總的電感為Lsum：

Rsum=ESR+2Rp

(3)

Lsum=2Lp

(4)

設(shè)電路中所有電阻上的電壓為uR，電感電壓為uL，電容電壓為uC，根據(jù)基爾霍夫定理，可得

-uC+uR+uL=0

(5)

(6)

其特征方程為LsumCp2+RsumCp+1=0，特征根為

(7)

(8)

(9)

(10)

可見，uC(t)隨時(shí)間衰減，電流i2(t)先增加后減小，當(dāng)電流變化率為零的時(shí)刻tm，電流達(dá)到最大值im，其中tm為

(11)

uC(t)=UC0e-δt(1+δt)

(12)

(13)

tm=1/δ

(14)

(15)

(16)

tm=β/ω

(17)

不同阻尼狀態(tài)下的電容電壓和傳感器電流波形如圖5所示，根據(jù)開關(guān)狀態(tài)參考時(shí)間tref2可計(jì)算出正常工作時(shí)，電流的最大值為Imax(normal)。

圖5 不同阻尼狀態(tài)下的電容電壓和傳感器電流波形Fig.5 Waveforms of voltage of capacitor and current of sensor in different damping conditions

第3步時(shí)，電路可等效為零輸入響應(yīng)的一階電路，為了保證充分放電，認(rèn)為第2步中電容電壓未減小，可得放電后電容電壓UC3為

(18)

3.3 故障模態(tài)分析

當(dāng)開關(guān)管S1～S6中任意一個(gè)發(fā)生短路(Short Circuit, SC)故障時(shí)，例如當(dāng)S1發(fā)生短路故障時(shí)，開關(guān)狀態(tài)2時(shí)短路故障不會(huì)影響電流，如圖6(a)所示。開關(guān)狀態(tài)3時(shí)，如圖6(b)所示，電機(jī)三相均導(dǎo)通，且兩相處于并聯(lián)狀態(tài)。電路中總的電阻和電感發(fā)生變化，其具體數(shù)值為

Rsum=ESR+3/2Rp

(19)

Lsum=3/2Lp

(20)

圖6 S1短路(SC)開關(guān)狀態(tài)2，3和1時(shí)等效電路Fig.6 Equivalent circuit of switch state 2,3, and 1 with short circuit (SC) at S1

圖7 A相和B相相間短路開關(guān)狀態(tài)1和3時(shí)等效電路 Fig.7 Equivalent circuit of switch state 1 and 3 with SC between phases A and B

開關(guān)狀態(tài)1時(shí)，如圖6(c)所示，上下橋臂直通。導(dǎo)通瞬間，電流極大。一旦系統(tǒng)檢測出短路故障，立即關(guān)斷S4。由于短路持續(xù)時(shí)間很短，假設(shè)電容電壓不變，則可得短路電流Ishort為

(21)

圖8 S1開路(OC)開關(guān)狀態(tài)2時(shí)等效電路Fig.8 Equivalent circuit of switch state 2 with open circuit (OC) at S1

當(dāng)電機(jī)相間發(fā)生短路故障，例如A相和B相，開關(guān)狀態(tài)1時(shí)，其等效電路如圖7(a)所示，橋臂直通，產(chǎn)生短路電流，其電流值同式(21)。其他開關(guān)狀態(tài)，如狀態(tài)3時(shí)，其等效電路如圖7(b)所示，電機(jī)兩相并聯(lián)后與另外一相串聯(lián)，其電路中總的電阻和電感同式(19)和式(20)。根據(jù)阻尼狀態(tài)，可得到電機(jī)三相開通狀態(tài)下電流的最大值Imax(SC)。相較于正常狀態(tài)，電路中總的電阻和電感減小，所以電流的最大值將有所增大。

圖9 A相開路開關(guān)狀態(tài)2時(shí)等效電路Fig.9 Equivalent circuit of switch state 2 with OC at phase A

圖10 正常狀態(tài)下的仿真波形圖Fig.10 Simulation waveforms under normal condition

當(dāng)所有開關(guān)狀態(tài)下，母線電流均為0，則說明開關(guān)管S0發(fā)生了開路(Open Circuit, OC)故障。當(dāng)S1～S6中任意一個(gè)發(fā)生開路故障，如S1開路，開關(guān)狀態(tài)2時(shí)，等效電路如圖8所示，其母線電流為0，而其他情況不受影響。當(dāng)電機(jī)相繞組發(fā)生開路故障，如A相發(fā)生開路時(shí)，開關(guān)狀態(tài)2時(shí)的等效電路如圖9所示，母線電流也為0。

圖11 無故障狀態(tài)電流Fig.11 Current without fault

圖12 單個(gè)開關(guān)狀態(tài)電流 Fig.12 Current for one switch state

電流傳感器可檢測出4種直流母線電流最大值：即正常導(dǎo)通時(shí)的Imax(normal)，三相同時(shí)導(dǎo)通時(shí)的Imax(SC)，短路電流Ishort和零電流。而Imax(SC)略大于Imax(normal)，為了消除對電流傳感器精度的依賴，可將其作為正常情況計(jì)算，故設(shè)置短路故障閾值電流ISC和開路故障閾值電流IOC分別為

Imax(SC)

(22)

Inoise

(23)

為保證檢測過程的抗干擾能力，IOC應(yīng)大于電流傳感器檢測信號的干擾量Inoise。

4 仿真和實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)回路上電自檢測方法的可行性，采用電力電子仿真軟件Psim對檢測電路及方法進(jìn)行仿真，其中機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)采用實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)，具體為電源電壓160 V，電機(jī)為3對極，反電動(dòng)勢系數(shù)0.126 V·rad·s-1，定子相電阻10 Ω，相電感1 mH，母線電容400 μH，其ESR為0.5 Ω，泄放電阻為1 Ω，傳動(dòng)比為1∶4，導(dǎo)程為 5 mm，電機(jī)力矩與剎車力矩轉(zhuǎn)換系數(shù)為2.63×10-5。

電路正常和三相導(dǎo)通時(shí)均為過阻尼。設(shè)置電容充電時(shí)間tref1=400 μs，根據(jù)式(2)電容電壓接近電源電壓。為了保護(hù)逆變器，開關(guān)狀態(tài)中開關(guān)管開通時(shí)間設(shè)置為tref2=120 μs，并未設(shè)置到電流最高點(diǎn)，根據(jù)式(10)可得電路正常時(shí)最高電流為Imax(normal)=5.5 A，三相導(dǎo)通時(shí)的最高電流為Imax(SC)=7.4 A，根據(jù)式(21)可得短路電流Ishort=320 A，根據(jù)式(22)和式(23)，設(shè)置短路閾值電流ISC=20 A，開路閾值電流IOC=1 A。設(shè)置泄放時(shí)間tref3=2.5 ms，根據(jù)式(18)放電結(jié)束電容電壓接近零。設(shè)置開關(guān)狀態(tài)間時(shí)間間隔為5 ms，整個(gè)檢測過程歷時(shí)30 ms。

圖10為正常狀態(tài)下仿真波形圖。首先S7開通，啟動(dòng)泄放回路，防止電容上存儲(chǔ)有電能，影響檢測結(jié)果，然后S0開通，通過電源給電容充電，電容電壓上升，待電容電壓后，根據(jù)開關(guān)狀態(tài)，開啟S1～S6，產(chǎn)生電流，通過檢測電流幅值，判斷開關(guān)狀態(tài)下是否發(fā)生短路或開路故障。由于開關(guān)狀態(tài)下，S1～S6開通時(shí)間極短，電容電壓幾乎沒有下降。最后再開通S7，泄放掉電容電壓，重新開始下一個(gè)開關(guān)狀態(tài)的檢測。

圖13 S1開路時(shí)電流Fig.13 Current with OC at S1

圖11為無故障狀態(tài)下的電流值，其中反向電流是由于二極管的續(xù)流產(chǎn)生的，圖中標(biāo)號對應(yīng)表2 中的開關(guān)狀態(tài)。圖12為單個(gè)開關(guān)狀態(tài)下母線電流的波形圖，其電流峰值為5.5 A，與理論分析吻合。圖13和圖14分別為開關(guān)管S1和電機(jī)A相開路故障時(shí)的直流母線電流波形圖，仿真結(jié)果與表3中的分析結(jié)果吻合。圖15和圖16分別為開關(guān)管S1短路故障和電機(jī)A相和B相相間短路故障時(shí)的母線電流波形圖，仿真結(jié)果與表4中的分析結(jié)果吻合。當(dāng)S1短路，在開關(guān)狀態(tài)3、4時(shí)，電機(jī)三相均導(dǎo)通，其電流值略大于無故障狀態(tài)2和6時(shí)的電流值，與理論分析吻合。由于設(shè)置了短路保護(hù)，電流最大值為短路保護(hù)閾值20 A。

圖14 A相開路時(shí)電流Fig.14 Current with OC at phase A

圖15 S1短路時(shí)電流Fig.15 Current with SC at S1

圖16 A相和B相短路時(shí)電流Fig.16 Current with SC between phases A and B

圖17 現(xiàn)場調(diào)試圖Fig.17 Sketch of the field debugging

圖18 單個(gè)開關(guān)狀態(tài)電流Fig.18 Current waveform for one switch state

圖19 正常時(shí)電流波形Fig.19 Current waveform for the normal condition

圖20 A相開路時(shí)電流波形Fig.20 Current waveform with OC of phase A

本文所述方法成功應(yīng)用于某型全電剎車系統(tǒng)中，該機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)包含兩個(gè)EMAC，左右兩個(gè)EMAC分別控制左右機(jī)輪上的EMA工作，其現(xiàn)場調(diào)試圖如圖17所示。

圖18所示為單個(gè)開關(guān)狀態(tài)系統(tǒng)正常工作時(shí)母線電流的檢測波形。對比圖12，其電流幅值略小且反向電流振蕩，其原因在于電機(jī)的反電動(dòng)勢以及電路的寄生參數(shù)，但并不影響電路故障檢測。圖19所示為系統(tǒng)無故障時(shí)6個(gè)開關(guān)狀態(tài)下的母線電流波形，與圖11中的仿真結(jié)果相吻合。設(shè)置EMA2中電機(jī)A相開路故障，圖20為其直流母線電流的檢測結(jié)果，圖中有電流波形的開關(guān)狀態(tài)為狀態(tài)3和狀態(tài)4，與圖14中的仿真結(jié)果吻合。

該全電剎車機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了1 000次無故障和帶故障試驗(yàn)，系統(tǒng)的誤報(bào)率和漏報(bào)率保持在1‰以下。在現(xiàn)場試驗(yàn)中，系統(tǒng)可抵御飛機(jī)復(fù)雜的電磁環(huán)境，工作性能穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

提出了一種飛機(jī)全電剎車機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)上電自檢測方法，在不增加任何額外傳感器或檢測電路的基礎(chǔ)下，完成包括力傳感器，電流傳感器，電壓傳感器，霍爾位置傳感器以及由逆變器，電機(jī)三相組成的驅(qū)動(dòng)回路，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等的故障檢測，保證了飛機(jī)的出勤率，且檢測過程不會(huì)造成系統(tǒng)的二次損害，保證了飛機(jī)的安全性。

針對驅(qū)動(dòng)回路的故障診斷，提出了一種新的檢測方法，該方法利用母線電容充放電過程來完成檢測，檢測過程安全、可靠。該方法能全面診斷出逆變器和電機(jī)繞組短路及開路故障，并定位出故障元件。該方法對母線電流傳感器的精度要求低，易實(shí)現(xiàn)，可作為子程序嵌入在現(xiàn)有的電機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件中，無需大量計(jì)算。對比目前現(xiàn)有的逆變器故障檢測方法，本文提出的方法檢測故障全面，計(jì)算量小。通過仿真和試驗(yàn)，驗(yàn)證了方法的可行性和可靠性。該方法也可推廣至其他機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)的上電自檢測中。

[1] 薛晶, 李玉忍, 田廣來, 等. 飛機(jī)剎車副溫度場的瞬態(tài)有限元模型[J]. 航空學(xué)報(bào), 2010, 31(3): 638-642.

XUE J, LI Y R, TIAN G L, et al. Transient temperature finite element model of airplane disk brakes[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2010, 31(3): 638-642 (in Chinese).

[2] 郭宏, 邢偉. 機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展[J]. 航空學(xué)報(bào), 2007, 28(3): 620-627.

GUO H, XING W. Development of electromechanical actuators[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2007, 28(3): 620-627 (in Chinese).

[3] 李洪果, 王鍇, 吳瑞祥, 等. 飛機(jī)全電剎車系統(tǒng)研究[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 30(4): 339-343.

LI H G, WANG K, WU R X, et al. Demonstration of an plane electrically actuated brake[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2004, 30(4): 339-343 (in Chinese).

[4] 張明, 聶宏. 飛機(jī)地面轉(zhuǎn)彎和剎車響應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析[J]. 航空學(xué)報(bào), 2008, 29(3): 616-621.

ZHANG M, NIE H. Dynamics analysis of aircraft groud steering and braking responses[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2008, 29(3): 616-621 (in Chinese).

[5] COLLINS A. EABSYS: Electrically actuated braking system[C]//IEE Colloquium on Electrical Machines and Systems for the More Electric Aircraft, 1999： 411-415.

[6] BENNOUNA O, MORCOS N. Modeling and simulation of electromechanical actuators for aircraft nacelles[C]//Proceedings of the 9th International Symposium on Mechatronics and its Applications(ISMA13), 2013: 1-5.

[7] 夏長亮, 方紅偉. 永磁無刷直流電機(jī)及其控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2012, 27(3): 25-34.

XIA C L, FANG H W. Permanent-magnet brushless DC motor and its control[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(3): 25-34 (in Chinese).

[8] BIST V, SINGH B. A unity power factor bridgeless isolated Cuk converter-fed brushless DC motor Drive[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(7): 4118-4129.

[9] BERTOLUZZO M, BUJA G, KESHRI R K, et al. Sinusoidal versus square-wave current supply of PM brushless DC drives: A convenience analysis[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(12): 7339-7349.

[10] WIKSTROM P, TERENS L A, KOBI H. Reliability, availability, and maintainability of high-power variable-speed drive systems[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2000, 36(1): 231-241.

[11] FUCHS F W. Some diagnosis methods for voltage source inverters in variable speed drives with induction machines-a survey[C]//IEEE IECON. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2003: 1378-1385.

[12] 安群濤, 孫力, 孫立志, 等. 三相逆變器開關(guān)管故障診斷方法研究進(jìn)展[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 26(4): 135-145.

AN Q T, SUN L, SUN L Z, et al. Recent developments of fault diagnosis methods for switches in three-phase inverters[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(4): 135-145 (in Chinese).

[13] 王強(qiáng), 王佑仁, 張子富, 等. 無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逆變器的開路故障診斷[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(24): 114-120.

WANG Q, WANG Y R, ZHANG Z F, et al. A diagnosis method for inverter open-circuit faults of brushless DC motor driver systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(24): 114-120 (in Chinese).

[14] PARK B G, LEE K J, KIM R Y, et al. Simple fault diagnosis based on operating characteristic of brushless direct-current motor drives[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(5): 1586-1593.

[15] 李文琢, 房建成, 李海濤. 基于Buck變換器調(diào)壓的無刷直流電機(jī)功率變換器單管開路故障診斷[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(15): 124-132.

LI W Z, FANG J C, LI H T. Single switch open-circuit fault diagnosis in brushless DC motor drivers with buck converters[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(15): 124-132 (in Chinese).

[16] AWADALLAH M A, MORCOS M M. Automatic diagnosis and location of open-switch fault in brushless dc motor drives using wavelets and neuro-fuzzy systems[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2006, 21(1): 104-111.

[17] KHAN M A S K, RAHMAN M A. Development and implementation of a novel fault diagnostic and protection technique for IPM motor drives[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(1): 85-92.

[18] AWADALLAH M A, MORCOS M M. Switch fault diagnosis of PM brushless dc motor drive using adaptive fuzzy techniques[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2004, 19(1): 226-227.

[19] CHAN C W, SONG H, ZHANG H Y. Application of fully decoupled parity equation in fault detection and identification of DC motors[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2006, 53(4): 1277-1284.

[20] 孫丹, 孟濬, 管宇凡, 等. 基于相空間重構(gòu)和模糊聚類的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)逆變器故障診斷[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2007, 27(16): 49-53.

SUN D, MENG J, GUAN Y F, et al. Inverter faults diagnosis in PMSM DTC drive using reconstructive phase space and fuzzy clustering[J]. Proceedings of the CSEE, 2007, 27(16): 49-53 (in Chinese).

[21] MOSELER O, ISERMANN R. Application of model-based fault detection to brushless DC motor[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2000, 47(5): 1015-1020.

[22] ZHANG Q, MA R, HUANGFU Y, et al. A novel static fault diagnosis approach for three-phase full-bridge inverter[C]//Conference of IEEE Industrial Electronics Society. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2015: 2360-2366.

Power-onself-testofelectro-mechanicalactuationsystemforaircraftelectricbraking

XIANGLIKang,MARuiqing*

SchoolofAutomation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China

Inthispaper,apower-onself-test(POST)schemefortheelectro-mechanicalactuation(EMA)systemforaircraftelectricbrakingisproposedtoensurethatthemotordrivesystemisinhealthycondition.Withself-test,faultcomponentscanbefound,locatedandexchangedaccuratelyandtimelytoensuretheflightrateofaircraft.Withtheproposedscheme,vulnerablecomponentscanbetestedandfaultypartscanbelocatedwithminimumtimes,thenthesecondarydamagecanthenbeavoided.Forthedrive-loopconsistedofinverterandmotorthree-phasewindings,apower-onself-testschemeisputforwardandanalyzed.Inthetestingprocess,thedc-linkcapacitor,controlledbyaMOSFET,ischargedtostoreenergyanddischargedtogeneratecurrentfortest.Meanwhile,thefaultsareidentifiedbydetectingthemaximumvalueofthecurrent.Withtheproposedscheme,BLDCmotorcanrunsafelybycomprehensivelydiagnosingopen-circuitfaultsandshort-circuitfaultsofinverterandthree-phasewindingsinadvance.Comparedwiththetraditionalschemes,nomoresensorsordetectioncircuitsisadded.ThePOSTschemeforEMAsystemcanrealizecomprehensiveself-testwithinonesecond.Falsealarmrateandomissionrateremainlessthan1%intheexperimentwithandwithoutfaults.Theschemecanalsoresistthecomplicatedelectromagneticenvironment(EME)oftheaircraft,anditsperformanceisstableandreliable.Withdifferentfaultthresholds,itcanbemigratedtootherEMAsystemhandily.

electro-mechanicalactuationsystem;electricbraking;brushlessDCmotors;self-test;inverter;statorwinding;shortcircuit;opencircuit

2016-05-06；Revised2016-06-15；Accepted2016-07-18；Publishedonline2016-07-221149

2016-05-06；退修日期2016-06-15；錄用日期2016-07-18； < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間：2016-07-221149

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160722.1149.006.html

*

.Tel.：029-88431399E-mailmarq@nwpu.edu.cn

相里康， 馬瑞卿． 飛機(jī)全電剎車機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)上電自檢測J． 航空學(xué)報(bào),2016,37(12):3832-3842.XIANGLK,MARQ.Power-onself-testofelectro-mechanicalactuationsystemforaircraftelectricbrakingJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2016,37(12):3832-3842.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2016.0216

V240.2

A

1000-6893(2016)12-3832-11

相里康男， 博士研究生。主要研究方向： 全電剎車系統(tǒng)控制技術(shù)， 無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。E-mail: xiangli@mail.nwpu.edu.cn

馬瑞卿男， 博士， 教授， 博士生導(dǎo)師。主要研究方向： 永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)， 電力電子技術(shù)。Tel.: 029-88431399E-mail: marq@nwpu.edu.cn

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160722.1149.006.html

*Correspondingauthor.Tel.：029-88431399E-mailmarq@nwpu.edu.cn