基于自監(jiān)控的某型航空用伺服放大器設(shè)計

王珂 王磊 李明

航空用伺服放大器是自動飛行控制系統(tǒng)中自動駕駛儀子系統(tǒng)伺服回路的控制、放大部件。它接收飛控計算機、駕駛儀操縱臺及電動舵機信號，負責(zé)對控制指令和舵機位置反饋信號的綜合、放大后向電動舵機輸出控制信號，控制飛機舵面偏轉(zhuǎn)。伺服放大器作為飛機自動飛行控制系統(tǒng)的重要部件，其可靠性直接影響到飛行器的自動駕駛功能的可用性，其安全性直接影響飛行器的飛行安全。因此，伺服放大器應(yīng)具備完善的功能，良好的性能和很高的可靠性和安全性。

提高伺服放大器的可靠性和安全性，最好的辦法就是采用宇度技術(shù)，但考慮飛機體積成本要求和飛行控制系統(tǒng)的復(fù)雜度，提出一種基于自監(jiān)控的航空用伺服放大器設(shè)計方案。

1.伺服放大器體系結(jié)構(gòu)

伺服放大器由雙通道構(gòu)成，一個是指令通道，一個是監(jiān)控通道，組成比較監(jiān)控系統(tǒng)。伺服放大器由機上獨立的兩路直流28V電源供電，由電源處理、指令與位置信號綜合、速度控制、功率驅(qū)動、離合器控制及故障監(jiān)控等功能組成，其功能框圖如圖1所示。

2.電源設(shè)計

伺服放大器電源系統(tǒng)采用雙余度構(gòu)架，兩路直流+28V電源輸入，經(jīng)過雙路浪涌抑制濾波器，送至電源保持板和驅(qū)動板，在驅(qū)動板綜合后為驅(qū)動模塊供電，在電源保持板綜合后送至電源模塊前需先進行預(yù)處理，為滿足掉電貯能延時50ms的功能，需配置超大容量的鉭電容，但由于電容是儲能元件，其特性在通電瞬間會迅速充電，電路呈短路態(tài)，電流消耗與電容容量成正比，若采用增加限流電阻的方法，則電阻功率較大，且會產(chǎn)生不必要的功耗，因此在設(shè)計時考慮電容充電時對電源電路帶來的沖擊影響，專門增加了電壓保持模塊，通過該保持模塊與大容值電容搭配使用，達到即滿足瞬時斷電試驗要求，又不會使電源供電瞬間給電容過快的充電。完成瞬時斷電電源保持功能后送至電源監(jiān)控板產(chǎn)生伺服放大器A、B通道所需的二次電源，并進行二次電源監(jiān)控，為了簡化監(jiān)控線路的設(shè)計，同時又利用內(nèi)部使用的二次電源與對外輸出的二次電源同在一塊插件板的有利條件，電源監(jiān)控采用兩組電源交叉監(jiān)控的方案，如圖2所示。

在電源保持板完成瞬時斷電電源保持功能后，經(jīng)過交流電壓變換模塊變換產(chǎn)生的 36V/400Hz交流送至電源監(jiān)控板進行電源監(jiān)控，最后輸出至飛控計算機進行電源監(jiān)控，并給三路舵機測速機供電。

3.產(chǎn)品閉環(huán)設(shè)計

反饋技術(shù)是控制理論和調(diào)節(jié)原理的核心，伺服放大器反饋通道采用位置、轉(zhuǎn)速、電流閉環(huán)控制策略，如圖3所示，該閉環(huán)依次為位置閉環(huán)、速度閉環(huán)和電流閉環(huán)，他們的作用分別是位置環(huán)用來實現(xiàn)系統(tǒng)的位置控制，速度環(huán)用來實現(xiàn)系統(tǒng)的速度控制，電流環(huán)用來確保電機的輸出力矩。伺服放大器接收電動舵機位置反饋電位計位置信號、測速機速度信號、電機的母線電流信號以及電機Hall傳感器信號，實現(xiàn)電機閉環(huán)控制。電流環(huán)集成在功率模塊內(nèi)部，無需單獨設(shè)計。

4.無刷電機驅(qū)動

電動舵機采用三相直流無刷電機，伺服放大器采用成熟的120°三相六狀態(tài)控制方式，使用PWM控制策略，可實現(xiàn)電機在額定轉(zhuǎn)速（基速）以下的恒轉(zhuǎn)矩連續(xù)線性速度調(diào)節(jié)。

5.離合器控制設(shè)計

伺服放大器離合器控制策略采用高低端同時控制技術(shù)，高端28V/開信號控制，低端地/開信號控制，以增加離合器接通斷開的安全性。

俯仰通道離合器接通條件：飛控計算機輸出的駕駛儀接通A、駕駛儀接通B信號有效（28V）；

駕駛儀操縱臺輸出的電源開關(guān)信號有效（28V）；

升降舵機輸出的左右極限信號有效（未超左右極限+15V）；

伺服放大器自身監(jiān)控A、自身監(jiān)控B有效（無故障）。

俯仰通道離合器斷開條件：不滿足接通條件。

三通道離合器控制接通斷開條件一致，當滿足接通條件時，同時接通控制高低端，高低端接通斷開控制邏輯相同。俯仰通道離合器控制高端接通/斷開邏輯如下圖5所示。

6.故障監(jiān)控設(shè)計

伺服放大器設(shè)計有多種故障監(jiān)控功能，包括電源監(jiān)控、輸入互比監(jiān)控、過流監(jiān)控、模型監(jiān)控、功率電源監(jiān)控、離合器電子開關(guān)監(jiān)控等，故障監(jiān)控采用硬件快速檢測技術(shù)實現(xiàn)對故障的快速甄別、判定，并將故障信息上報至飛控計算機。

6.1 模型監(jiān)控設(shè)計

通過仿真，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，當接收到控制指令時，舵機與數(shù)學(xué)模型同步跟隨控制指令，通過對舵機實際輸出與數(shù)學(xué)模型的輸出進行比較，設(shè)置合理的閾值，監(jiān)控系統(tǒng)的伺服回路。

6.2 輸入互比監(jiān)控設(shè)計

伺服放大器設(shè)計控制指令輸入互比監(jiān)控和駕駛儀接通信號輸入互比監(jiān)控，監(jiān)控結(jié)果在故障監(jiān)控功能模塊綜合后上報至飛控計算機。

6.3 離合器電子開關(guān)監(jiān)控

離合器是當自動飛行控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，保證脫開自動駕駛儀轉(zhuǎn)為人工駕駛的最后一個環(huán)節(jié)，離合器接通斷開采取了余度控制策略，通過FMEA分析可知，當控制離合器接通的電子開關(guān)出現(xiàn)短路故障模式時，如果不能及時發(fā)現(xiàn)故障，余度控制則會降級，導(dǎo)致系統(tǒng)安全性指標不能滿足要求，因此伺服放大器對控制離合器接通的每個電子開關(guān)進行監(jiān)控，通過設(shè)計三個監(jiān)控點，分別監(jiān)控接通控制高端電子開關(guān)、低端電子開關(guān)、接通電流，保證離合器控制出現(xiàn)故障時，能夠及時告警，從而保證飛機飛行安全。

7.可靠性預(yù)計

建立伺服放大器可靠性模型，采用元器件應(yīng)力分析法進行基本可靠性預(yù)計。并基于以下假設(shè)：假設(shè)各組成部分壽命服從指數(shù)分布；假設(shè)組成部分的失效相互獨立；假設(shè)各組成部分只有正常和故障兩種狀態(tài)；假設(shè)產(chǎn)品的所有輸入在規(guī)范極限之內(nèi)；假設(shè)人員完全可靠，而且人員與產(chǎn)品之間沒有相互作用問題。

國內(nèi)元器件的基本數(shù)據(jù)取自GJB/Z 299C，國外元器件的基本數(shù)據(jù)取自MIL-HDBK-217F。通過計算可以得出，伺服放大器總工作失效率為：161.4006×10-6h；伺服放大器MTBF=1/161.4006×10-6h≈6195h。

8.FMEA分析

FMEA是設(shè)備可靠性分析的一個重要工作項目，也是開展其他相關(guān)分析的基礎(chǔ)。機載設(shè)備的FMEA分析工作主要是為了獲得機載設(shè)備及其組成的所有可能產(chǎn)生的故障模式以及引起每個故障模式的原因和影響，并針對這些薄弱環(huán)節(jié)，對機載設(shè)備提出設(shè)計改進和使用補償措施，以提高產(chǎn)品的可靠性和安全性。同時機載設(shè)備FMEA分析得到的各種信息將為系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)計、分析提供基礎(chǔ)的工程信息和數(shù)據(jù)。

伺服放大器采用硬件FMEA分析方法，最低約定層次為元器件級，通過分析伺服放大器共有41種故障模式，其中單點故障引起人員死亡或飛機毀壞、重大環(huán)境損壞的故障模式有0種，單點故障導(dǎo)致任務(wù)失敗或產(chǎn)品嚴重損壞的故障模式有21種，其中電源故障失效率最高為30.72×10-6，滿足某型伺服放大器配套機型的需求。

9.結(jié)束語

基于自監(jiān)控的伺服放大器采用了模型監(jiān)控、雙通道互比監(jiān)控、組合邏輯監(jiān)控等多種自監(jiān)控策略，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，復(fù)雜度低，功能全面，性能優(yōu)，故障監(jiān)控測試覆蓋率高，其可靠性指標與安全性指標均能滿足配套機型的需求。采用本設(shè)計方案，制造了原理樣機，經(jīng)過系統(tǒng)地面聯(lián)試，其工作性能良好、運行穩(wěn)定，達到了預(yù)期的設(shè)計目標。

（作者單位：陸軍航空兵軍事代表局駐蘭州地區(qū)軍事代表；蘭州飛行控制有限責(zé)公司）