某型機(jī)伺服作動器BIT測試方法及影響分析

楊振聲，謝慧慈，武 琳，穆曉敬

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

伺服作動器作為飛機(jī)姿態(tài)控制的驅(qū)動部件，最為關(guān)鍵的指標(biāo)是精度控制和響應(yīng)速率，是飛行控制系統(tǒng)的重要組成部分。為保證其可靠性、穩(wěn)定性滿足飛控系統(tǒng)使用要求，伺服作動器設(shè)計(jì)也越來越復(fù)雜，從早期的單余度力馬達(dá)電機(jī)發(fā)展成多余度、集機(jī)電液于一體的綜合系統(tǒng)。

復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及高載荷的工作環(huán)境，造成伺服作動器成為飛機(jī)系統(tǒng)中故障概率較高的部件，通過簡單的目視檢查無法發(fā)現(xiàn)伺服作動器內(nèi)潛在的故障?，F(xiàn)階段廣泛采用機(jī)內(nèi)自檢測（Built-in Test，簡稱BIT）技術(shù)，對伺服作動系統(tǒng)故障進(jìn)行自動檢測、診斷和隔離，快速判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)。

1 伺服作動系統(tǒng)工作原理及組成

為全包線內(nèi)可靠而又精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)飛機(jī)狀態(tài)控制，伺服作動系統(tǒng)需滿足以下要求：

1）驅(qū)動力滿足全包線內(nèi)最大舵面力矩計(jì)算要求；

2）響應(yīng)控制指令能力滿足最大機(jī)動快速性要求；

3）具備DDV閥位置、作動筒位置反饋能力，實(shí)現(xiàn)舵回路、伺服回路閉環(huán)、精準(zhǔn)控制；

4）采用多余度設(shè)計(jì)，避免單點(diǎn)故障及共模故障的發(fā)生；

5）其它通用要求。

1.1 原理與組成

伺服控制系統(tǒng)由伺服控制器、伺服作動器及通訊電纜組成。

伺服控制器內(nèi)DSP處理器采集對應(yīng)通道的DDV閥位置信號和作動筒位置信號，與前向來自飛控計(jì)算機(jī)主CPU的伺服控制指令進(jìn)行綜合解算，輸出作動器DDV力馬達(dá)的控制指令，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和電流控制器環(huán)節(jié)，形成對應(yīng)通道DDV力馬達(dá)電氣線圈的控制電流，驅(qū)動DDV閥的運(yùn)動，閥芯運(yùn)動控制液壓油活門的方向和開口大小，從而使作動筒到達(dá)指令要求的位置并更改飛機(jī)氣動力，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)姿態(tài)控制。

1.2 伺服控制器

伺服控制器由電子元器件搭建而成，包括伺服控制軟件、離散量/模擬量信號輸入輸出控制、數(shù)字/模擬信號轉(zhuǎn)換、信號解調(diào)、BIT測試等功能模塊。伺服控制器原理圖如圖1所示。

圖1 伺服控制器原理圖

1.3 伺服作動器

直接驅(qū)動閥式作動器具有體積小、力矩大、可靠性高、抗液壓污染能力強(qiáng)等特點(diǎn)，現(xiàn)階段被各類機(jī)型廣為使用。作為一個多余度的集機(jī)械、電子、液壓一體的精密器件，伺服作動器實(shí)物圖如圖2所示，組成包括：

1）直接驅(qū)動閥組件（DDV）

2）殼體組件

>殼體分組件

>四余度直接驅(qū)動閥線位移傳感器 （DDVLVDT)

>電磁切斷閥（SOV1/SOV2）

>旁通轉(zhuǎn)換閥（BPV1/BPV2）

>進(jìn)油單向閥與油濾組件

>油嘴、電氣盒組件

3）作動筒組件

>筒體、活塞、耳環(huán)組件

>四余度作動筒線位移傳感器(ACT-LVDT)

圖2 伺服作動器實(shí)物圖

直接驅(qū)動閥式作動器工作原理如下：當(dāng)雙系統(tǒng)供油正常時(shí)，兩個電磁切斷閥上電驅(qū)動轉(zhuǎn)換閥處于正常工作模態(tài)，DDV閥接收伺服控制器發(fā)送的電流指令，驅(qū)動DDV閥芯分配負(fù)載流量驅(qū)動作動筒運(yùn)動，DDV閥芯和作動筒內(nèi)部分別裝配有電氣四余度線位移傳感器，將閥芯位移與作動筒位置以電信號形式反饋給伺服控制器，伺服控制框圖如圖3所示。

1.4 通訊電纜

通訊電纜用于實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)中各部件之間的控制信號及位置反饋信號的傳遞。根據(jù)飛機(jī)尺寸差異，伺服控制器可布置于飛控計(jì)算機(jī)內(nèi)部，也可就近作動器安裝，主要考慮的是長電纜帶來的電纜重量、信號傳輸中電纜的壓降損耗及信號干擾等因素。

2 BIT測試方法

2.1 BIT測試技術(shù)

BIT測試方法是對被測的各個部件施加激勵，通過專門的硬件電路和BIT軟件測試其動態(tài)響應(yīng)特性或?qū)ζ溥M(jìn)行在線監(jiān)控。測試方法主要有以下幾種：

1）在線監(jiān)控測試方法：設(shè)置監(jiān)控電路監(jiān)控被測對象的狀態(tài)是否在恒定值公差范圍內(nèi)。

2）BIT專用激勵測試方法：設(shè)計(jì)專門的激勵線路，按照預(yù)置規(guī)律輸出激勵信號，采集被測對象在激勵下的響應(yīng)，與“激勵+公差”進(jìn)行比較，判斷對象是否響應(yīng)正常。該測試僅在地面執(zhí)行，并設(shè)置有請求邏輯。

3）輸出響應(yīng)測試方法：按預(yù)置規(guī)律輸出一些故障或狀態(tài)，采集被測對象的響應(yīng)是否正常。

4）回繞監(jiān)控測試方法：設(shè)計(jì)輸出信號回繞線路及采樣電路，將輸出信號與回繞信號進(jìn)行比較監(jiān)控。

2.2 BIT測試門限

受制造工藝的限制，BIT測試采集值與理論值不可能完全一致，合格判據(jù)中設(shè)立了測試門限。BIT測試門限的設(shè)定要考慮兩種因素：

1）被測單元設(shè)計(jì)工況下的實(shí)際特性，BIT門限設(shè)定應(yīng)盡可能接近實(shí)際被測單元的特性，以便及時(shí)暴露潛伏故障；

2）固有誤差以及工作環(huán)境對被測單元的影響，包括溫度、壓力、噪聲，以防止合理的誤差和環(huán)境影響導(dǎo)致BIT虛警。

圖3 伺服控制框圖

2.3 BIT測試可靠性

《GJB 3385-98》定義虛警為：機(jī)內(nèi)測試或其他監(jiān)控電路指示有故障而實(shí)際上不存在故障的現(xiàn)象。按照美軍對BIT的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，BIT虛警可以分為兩類：

1）Ⅰ類虛警：檢測對象A有故障，BIT指示對象B有故障，為“錯報(bào)”。

2）Ⅱ類虛警：檢測對象使用無故障，但BIT報(bào)警，即“假報(bào)”。

測試虛警直接導(dǎo)致BIT系統(tǒng)可用性降低和全壽命周期費(fèi)用提高。BIT設(shè)計(jì)中應(yīng)采用合理的測試方法進(jìn)行故障隔離，避免“錯報(bào)”；通過合理的測試門限，降低甚至杜絕“假報(bào)”。

3 伺服作動器BIT測試影響分析

3.1 BIT測試影響因素

按照BIT軟件程序發(fā)出測試激勵，并通過監(jiān)控測試、回繞測試、模型比較測試等方法判斷伺服作動器功能、性能是否滿足要求。在整個環(huán)節(jié)中可能導(dǎo)致BIT測試不通過的因素很多，作動器測試故障樹如圖4所示。

1）外部因素

實(shí)時(shí)任務(wù)下作動器控制指令和BIT模態(tài)下控制指令共用一條線路。當(dāng)實(shí)時(shí)任務(wù)下，控制器前向通道因外界原因輸出了伺服控制指令，導(dǎo)致作動器位置不在零位時(shí)，也將導(dǎo)致BIT模態(tài)下作動器零位位置測試故障，例如飛機(jī)停放在非水平的場地，導(dǎo)致側(cè)向過載有個非零輸出。增穩(wěn)系統(tǒng)根據(jù)響應(yīng)側(cè)向過載發(fā)出副翼偏轉(zhuǎn)指令，造成副翼不在零位，將導(dǎo)致作動筒零位位置測試超出門限。

2）控制器采樣電路故障

作動器反饋信號經(jīng)BIT測試電路中濾波、放大環(huán)節(jié)后與理論門限進(jìn)行比較，當(dāng)測試電路中元器件如電阻出現(xiàn)偏移導(dǎo)致阻值放大時(shí)，將影響B(tài)IT測試值與理論值出現(xiàn)超差，導(dǎo)致作動器BIT測試故障。

3）通訊電路故障

控制器與作動器之間通過各自的電連接器、過框連接器、電纜實(shí)現(xiàn)信號交互。任一支點(diǎn)出現(xiàn)通訊異常均將導(dǎo)致作動器BIT測試故障。

圖4 作動器測試故障樹

4）作動器真實(shí)故障

作動器機(jī)械或電氣部件出現(xiàn)故障時(shí)，表現(xiàn)為電氣特性與理論特性超差，也將導(dǎo)致作動器BIT測試故障。如位移傳感器線圈故障或DDV閥無法閉合等。

5）作動器制造差異

作動器工程制造中，電氣部件、機(jī)械裝配個體間均存在差異。如四余度位置傳感器、四余度力馬達(dá)線圈存在電氣差異；閥芯裝配時(shí)精密度、摩擦力差異等。盡管在部件檢驗(yàn)中滿足要求，但經(jīng)測試電路放大后可能無法通過作動器BIT測試。

6）環(huán)境影響

由于“熱脹冷縮”的物理效應(yīng)，以及低溫導(dǎo)致的液壓油粘度增大，對作動器的性能有顯著影響。在低溫情況下，閥芯間隙減小，致使摩擦力增大；低溫情況下，傳感器偏離標(biāo)準(zhǔn)工作條件，作動筒及閥芯閥傳感器一致性亦會變差。該差異經(jīng)采樣放大電路后導(dǎo)致測試超差。

7）測試干擾

由于飛機(jī)尺寸、空間限制，伺服控制器與作動器之間存在幾米、甚至十幾米的通訊電纜和電連接器，控制信號和反饋信號在傳輸中受外界干擾時(shí)，會導(dǎo)致BIT測試不通過。

8）模型與實(shí)物不匹配

控制器內(nèi)通過仿真建立了理論模型，因技術(shù)狀態(tài)或工藝控制變化，導(dǎo)致實(shí)物機(jī)械、電氣行程等指標(biāo)未與理論模型完全相符時(shí)，將導(dǎo)致BIT測試無法通過。

9）不可復(fù)現(xiàn)故障

實(shí)際使用中，偶爾出現(xiàn)不可復(fù)現(xiàn)的BIT測試故障，可能原因?yàn)锽IT測試軟件中測試步時(shí)序錯亂或采樣時(shí)序錯誤。

3.2 BIT測試故障及原因分析

由于DDV閥設(shè)計(jì)非常精密，伺服作動器BIT測試中以DDV閥的BIT設(shè)計(jì)最為復(fù)雜，某型機(jī)調(diào)整試飛、鑒定試飛期間時(shí)常申報(bào)DDV閥電流、DDV閥位置故障。DDV閥測試故障樹如圖5所示。

3.2.1 DDV零位電流測試

伺服放大器接受控制指令及作動器位置及閥電流反饋信號，根據(jù)伺服控制回路算法，產(chǎn)生功率電流驅(qū)動力馬達(dá)運(yùn)動，從而帶動滑閥運(yùn)動，分配流量推動作動筒運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)作動器跟隨指令。伺服控制回路示意圖如圖6所示。

理想模態(tài)下，作動器穩(wěn)態(tài)情況時(shí)，閥電流（即零位電流）及閥位置均為“0”，作動筒位置為指令位置。當(dāng)閥電流不在零位時(shí)將導(dǎo)致舵面偏轉(zhuǎn)中有初始零位偏差，使得閥偏轉(zhuǎn)時(shí)一側(cè)偏轉(zhuǎn)過多、另一側(cè)過少，導(dǎo)致舵面的控制誤差，從而影響飛機(jī)的精確控制。

3.2.1.1 影響零位電流因素

影響閥零位電流測試故障的因素主要有：

1）計(jì)算機(jī)解調(diào)線路故障

計(jì)算機(jī)解調(diào)電路和DDV電流控制、回繞線路的故障（誤差超標(biāo)）會導(dǎo)致DDV控制電流總誤差超出門限，會導(dǎo)致PBIT測試故障。

圖5 DDV閥測試故障樹

圖6 伺服控制回路示意圖

2）作動器傳感器誤差

電氣四余度馬達(dá)通過磁通綜合方式實(shí)現(xiàn)功率輸出驅(qū)動閥芯運(yùn)動，閥芯四余度傳感器反饋電氣信號到伺服放大器，傳感器四余度間存在通道間一致性差異時(shí)，馬達(dá)四通道線圈電流亦存在差異，DDV余度交聯(lián)示意圖如圖7所示。與其它通道差異較大的通道會導(dǎo)致該通道靜態(tài)情況下作動器DDV閥存在附加DDV電流，附加電流使系統(tǒng)總誤差超出門限時(shí)，會導(dǎo)致PB IT測試故障。

圖7 DDV余度交聯(lián)示意圖

3）作動器閥摩擦力偏大

作動器閥芯的機(jī)械故障和DDV機(jī)械零位偏移較大或存在卡滯均可能導(dǎo)致作動器在靜態(tài)情況下，系統(tǒng)需要有一定的電流來克服閥芯的零位偏移或摩擦力，導(dǎo)致電流零位故障。

4）低溫環(huán)境

由于“熱脹冷縮”的物理效應(yīng)，以及低溫導(dǎo)致的液壓油粘度增大，對作動器的性能有顯著影響。在低溫情況下，閥芯間隙減小，致使摩擦力增大；傳感器偏離標(biāo)準(zhǔn)工作條件，作動筒及閥芯閥傳感器一致性亦會變差。DDV閥剖析圖如圖8所示。

圖8 DDV閥剖析圖

傳感器隨溫度變化機(jī)理：四余度線位移傳感器由四個獨(dú)立的電氣和機(jī)械余度組成，每個余度由繞組線圈和鐵芯組成，繞組線圈為銅線，鐵芯為不銹鋼，兩者的溫度膨脹不一樣（相差30%），隨溫度變化的伸長或縮回程度不一致，每個通道的初級和次級線圈長度隨溫度變化也不同，從而四余度線位移傳感器的電氣輸出值會發(fā)生偏移，另外傳感器四個通道線圈長度的變化ΔL也會有一定差異，使得四個余度之間由于本身具有一定的不一致性，溫度變化產(chǎn)生的影響也有不同。

另外，低溫下傳感器電阻會變化，使得線圈電流產(chǎn)生變化，導(dǎo)致傳感器磁場變化，從而傳感器零位偏移發(fā)生變化。

3.2.1.2 仿真影響分析

為對閥芯摩擦力及傳感器一致性影響進(jìn)行仿真分析，建立AMEsim+Matlab聯(lián)合仿真的DDA伺服回路模型，如圖9、圖10所示。

針對摩擦力的影響仿真，在低溫（-15℃）下閥芯摩擦力約為10N，給作動器2Vpp方波指令，經(jīng)仿真，閥零偏電流達(dá)0.18V，低溫導(dǎo)致摩擦力引起的閥電流變化曲線圖如圖11所示。

針對閥傳感器一致性影響仿真，低溫（-15℃）下閥傳感器通道間紛爭最大為3.8%FS，按此指標(biāo)設(shè)置通道間2：2紛爭，給作動器2Vpp方波指令，經(jīng)仿真閥零偏電流達(dá)0.12V，閥位置信號不一致導(dǎo)致的閥電流曲線圖如圖12所示。

針對作動筒傳感器一致性影響仿真，低溫（-15℃）下作動筒傳感器通道間紛爭最大為1.2%FS，按此指標(biāo)設(shè)置通道間2：2紛爭，給作動器2Vpp方波指令，經(jīng)仿真閥零偏電流達(dá)0.43V，作動筒位置不一致性導(dǎo)致的閥電流曲線圖如圖13所示。

綜合以上三種低溫下的閥摩擦力以及傳感器紛爭，給作動器2Vpp方波指令，經(jīng)仿真閥零位電流高達(dá)0.73V。

圖9 AMEsim伺服回路模型

圖10 Matlab伺服回路模型

由仿真結(jié)果可見，作動器零位電流隨溫度變化是其物理特性，而PBIT在設(shè)定門限和啟動條件時(shí)如果未充分考慮環(huán)境因素會出現(xiàn)誤報(bào)故現(xiàn)象。

圖11 低溫導(dǎo)致摩擦力引起的閥電流變化曲線圖

3.2.2 DDV閥位置測試

影響閥芯位置的因素主要有：

1）計(jì)算機(jī)解調(diào)線路故障

計(jì)算機(jī)的解調(diào)電路和DDV閥芯位置采集線路的故障，DDV閥芯位置總誤差超出門限時(shí)，會導(dǎo)致PBIT測試故障。

圖12 閥位置信號不一致導(dǎo)致的閥電流曲線圖

2）作動器故障

圖13 作動筒位置不一致性導(dǎo)致的閥電流曲線圖

（1）閥芯位置傳感器故障

（2）閥芯位置超差

作動器閥芯運(yùn)動帶動閥芯四余度傳感器反饋電氣信號到伺服放大器，傳感器四余度間存在通道間一致性差異，當(dāng)位置傳感器故障或者閥芯位置超差（位置傳感器本體差異或者外界環(huán)境導(dǎo)致差異放大）在采樣電路的放大下超過監(jiān)控門限時(shí)，則會造成BIT測試申報(bào)閥位置故障。

某型機(jī)伺服作動器設(shè)計(jì)要求DDV行程限位為0.42～0.48mm，對應(yīng)的電壓為 6.3V～7.2V，對應(yīng)的中間值為6.75V。但DDV位置BIT測試設(shè)計(jì)的門限為6±1.5V。報(bào)故門限最大7.5V，對應(yīng)的閥芯位置為0.5mm，但由于閥制造中未按0.42～0.48mm進(jìn)行控制，而是按0.4～0.5mm進(jìn)行控制，部分閥本身行程已接近0.5mm，疊加測試電路誤差后使得測試采樣值達(dá)到7.95V，超出測試門限。

（3）閥芯速度超差

DDV閥在伺服控制器控制指令下偏轉(zhuǎn)，其響應(yīng)速率有一個數(shù)學(xué)模型，大激勵情況下，延時(shí)150ms閥應(yīng)該開啟最大，閥位置最大。當(dāng)閥本身個體差異或者外界環(huán)境影響閥偏轉(zhuǎn)速率時(shí)，將導(dǎo)致閥動態(tài)特性與數(shù)學(xué)模型不匹配，申報(bào)閥芯位置故障。

由于“熱脹冷縮”的物理效應(yīng)，低溫環(huán)境下閥芯間隙減小，致使摩擦力增大，同時(shí)低溫導(dǎo)致的液壓油粘度增大，DDV閥芯偏轉(zhuǎn)速度降低導(dǎo)致其動態(tài)特性與理論模型存在偏差。

4 結(jié)論

本文通過建立導(dǎo)致伺服作動器BIT故障的故障樹，剖析伺服系統(tǒng)故障影響因素，提出伺服系統(tǒng)BIT測試方案優(yōu)化建議如下：

1）在進(jìn)行伺服系統(tǒng)BIT測試時(shí)，將前向控制指令至零，清除作動系統(tǒng)因外界原因?qū)е碌牧闫?/p>

2）建立精準(zhǔn)的作動器數(shù)學(xué)模型，測試?yán)碚撝档倪x擇應(yīng)該與模型相符并有大量的實(shí)物測試數(shù)據(jù)支撐；

3）綜合考慮環(huán)境因素，特別是低溫、高溫下元器件性能差異，測試公差應(yīng)能覆蓋溫度變化下的測試偏差；

4）設(shè)計(jì)“低溫自動暖機(jī)”功能，低溫環(huán)境停放下，液壓油粘稠度大，DDV閥未能正常速率偏轉(zhuǎn)，在總溫傳感器測試低溫時(shí)通過邏輯請求執(zhí)行自動暖機(jī)，溫度越低，暖機(jī)時(shí)間越長；

5）完善故障降級功能測試，盡管正常狀態(tài)下不使用該功能，但必須在BIT中對作動器降級時(shí)的功能完好性進(jìn)行檢查，如電氣全故障時(shí)的回中功能測試或SOV切斷后發(fā)出激勵指令檢查作動器是否鎖死測試等。