高可靠性余度伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)研究

王夢(mèng)佳 張華 張昆峰

（1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 河南省洛陽(yáng)市 471009 2.空裝駐洛陽(yáng)地區(qū)第一軍事代表室 河南省洛陽(yáng)市 471009）

高性能伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于軍事工業(yè)、高端智能裝備領(lǐng)域，它是機(jī)載、彈載及陸用等裝備自動(dòng)控制系統(tǒng)中的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)位置、速度、力矩等參數(shù)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)動(dòng)力來(lái)源伺服系統(tǒng)可分為液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)三種。早期電動(dòng)伺服系統(tǒng)存在體積大、輸出力矩小、控制精度相對(duì)較低等缺點(diǎn)，但隨著稀土材料的突破和微電機(jī)技術(shù)、智能控制單元的普及、高精密加工技術(shù)的發(fā)展，使得電動(dòng)伺服系統(tǒng)的性能出現(xiàn)了長(zhǎng)足的進(jìn)步，功能上向著體積更小、重量更輕和多功能方向發(fā)展，性能上體現(xiàn)出高精度、高效率和重量輕的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)便于維護(hù)。目前電動(dòng)伺服系統(tǒng)已成為伺服系統(tǒng)的主要形式。

隨著現(xiàn)代飛行器的速域和空域不斷擴(kuò)展，以高超聲速滑翔飛行器、吸氣式高超聲速飛行器為代表的臨近空間飛行器已成為當(dāng)今空天領(lǐng)域發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。臨近空間飛行器在飛行過程中速度變化范圍大（幾Ma到數(shù)十Ma），飛行高度覆蓋空域廣（20km至上百km），飛行動(dòng)壓大，舵面鉸鏈力矩及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，因此對(duì)伺服作動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載能力、功率密度、動(dòng)態(tài)特性、可靠性均提出了更高的要求。美國(guó)的F-4“鬼怪式”戰(zhàn)機(jī)從服役到1972年為止共墜毀170架；美國(guó)海軍F-14戰(zhàn)機(jī)自服役起共墜毀161架，其中有多起是因?yàn)槎婷婀收蠈?dǎo)致飛機(jī)失控墜毀。這些事故的出現(xiàn)表明，作為飛行器上的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，伺服的可靠性直接影響飛機(jī)系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能及飛行安全。

針對(duì)某高超聲速飛行器的伺服系統(tǒng)的高可靠性、高性能控制需求，開展基于余度技術(shù)的高性能伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)研究。系統(tǒng)基于雙繞組無(wú)刷直流電機(jī)，采用熱備份工作方案，分別完成了系統(tǒng)電氣單元、結(jié)構(gòu)單元的雙余度設(shè)計(jì)；開展了余度控制技術(shù)研究，以解決雙繞組電機(jī)同時(shí)工作引入的力紛爭(zhēng)問題，最終實(shí)現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的高可靠性、高控制精度。

1 系統(tǒng)余度設(shè)計(jì)

采用余度技術(shù)可以有效的提高系統(tǒng)可靠性。余度技術(shù)是指通過為系統(tǒng)增加多重資源，包括硬件與軟件的重復(fù)配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)多重資源的合理管理從而提高產(chǎn)品和系統(tǒng)可靠性的設(shè)計(jì)方法。實(shí)現(xiàn)余度控制一般有兩種形式：冷備份和熱備份。冷備份是指在正常情況下，只有一個(gè)余度正常工作，另一余度不工作，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，立刻切除發(fā)生故障的余度，同時(shí)另一余度開始工作；熱備份是指在正常情況下，兩余度同時(shí)工作，當(dāng)某一余度出現(xiàn)障時(shí)，系統(tǒng)切除發(fā)生故障的余度，啟用單余度方式。熱備份方式的優(yōu)點(diǎn)是不存在備份切換時(shí)間，有利于保持系統(tǒng)控制穩(wěn)定性。

伺服系統(tǒng)主要包括控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳感器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中電氣系統(tǒng)如控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、傳感器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組，為系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、永磁體等結(jié)構(gòu)部分可靠性較高，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要針對(duì)可靠性薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行余度設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1.1 電氣控制余度設(shè)計(jì)

電氣控制部分詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2：電氣控制部分詳細(xì)設(shè)計(jì)框圖

電氣控制部分采用TMS320F28335作為主控單元，包括TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理器、組合邏輯電路、逆變器電路、繞組電流傳感器、位移傳感器和位移解調(diào)電路。

其中組合邏輯電路、逆變器電路采用雙余度設(shè)計(jì)，組合邏輯電路1、逆變器電路1接收伺服電機(jī)的霍爾傳感器1的輸出、TMS320F28335輸出的PWM1控制信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的繞組1；組合邏輯電路2、逆變器電路2接收伺服電機(jī)的霍爾傳感器2的輸出、TMS320F28335輸出的PWM2控制信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的繞組2。位移傳感系統(tǒng)采用雙余度設(shè)計(jì)，位移傳感器1、位移傳感器2用于采集伺服系統(tǒng)的線位移，并通過位移解調(diào)電路1、位移解調(diào)電路1解算為電壓信號(hào)，再輸出到TMS320F28335中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)位移閉環(huán)控制。電路傳感系統(tǒng)采用雙余度設(shè)計(jì)，電路傳感器1、電路傳感器2分別用于實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)繞組1、繞組2的電流采樣，然后將采樣值送入TMS320F28335，從而實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制。TMS320F28335信號(hào)處理器接收繞組電流測(cè)試值、位移測(cè)試值，綜合控制指令，采用故障檢測(cè)、閉環(huán)控制、電流均衡算法，實(shí)現(xiàn)雙余度系統(tǒng)工作。

正常情況下，雙余度正常工作，當(dāng)TMS320F28335內(nèi)置故障檢測(cè)算法檢測(cè)出某一余度出現(xiàn)故障時(shí)，TMS320F28335輸出控制指令，控制切換控制電路切斷故障余度，另一余度承擔(dān)全部負(fù)載，繼續(xù)保持正常工作狀態(tài)。切換控制電路如圖3所示。

圖3：切換控制電路

1.2 作動(dòng)器余度設(shè)計(jì)

作動(dòng)器包括伺服電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳感器。本文對(duì)可靠性薄弱環(huán)節(jié)電機(jī)繞組、電流傳感器和位移傳感器進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。其中伺服電機(jī)包含兩套獨(dú)立繞組、兩套霍爾位置傳感器，兩套繞組共用一機(jī)械電機(jī)轉(zhuǎn)軸。兩套繞組的電相位相差30°。兩套電流傳感器分別采集兩套電機(jī)繞組的電流，兩套位移傳感器分別采集伺服系統(tǒng)輸出的線位移。如圖4所示。

圖4：作動(dòng)器余度設(shè)計(jì)

1.3 余度控制策略

1.3.1 電流均衡技術(shù)

在正常情況下，兩余度同時(shí)處于工作狀態(tài)。采用雙余度電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，由于雙通道間不對(duì)稱，包括電機(jī)及其它各部件存在差異、裝配質(zhì)量和條件（傳感器）的不同，以及傳感器信號(hào)誤差等因素，因此兩個(gè)余度出現(xiàn)輸出力不均、力紛爭(zhēng)問題，從而出現(xiàn)頂牛現(xiàn)象甚至卡死，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。針對(duì)雙余度問題引入的力紛爭(zhēng)問題，引入繞組電流傳感器實(shí)現(xiàn)電流均衡，從而避免力紛爭(zhēng)問題。電流均衡控制技術(shù)如圖5所示。

圖5：電流均衡控制技術(shù)

電流均衡控制單元主要包括位置綜合單元、位置環(huán)控制單元、繞組1電流控制單元和繞組2電流控制單元。位置綜合單元同時(shí)接收位移傳感器1、位移傳感器2輸出位移θ(k)、θ(k)，k代表采樣時(shí)刻，同時(shí)接收電機(jī)霍爾信號(hào)并解算出電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)ω。設(shè)置一正常數(shù)ζ。

當(dāng)||θ(k)‐θ(k)||≤ζ，位置綜合單元的輸出θ(k)為：

當(dāng)||θ(k)‐θ(k)||≥ζ，表征位移傳感器1、位移傳感器2中某一傳感器出現(xiàn)故障，此時(shí)引入霍爾信號(hào)解算出的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)ω。由于伺服系統(tǒng)在工作過程中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)基本不會(huì)發(fā)生變形，因此減速比函數(shù)穩(wěn)定，可根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)解算出伺服系統(tǒng)位移。

如果||θ(k)‐θ(k)||≤γ，||θ(k)‐θ(k)||>γ則判定傳感器2故障，此時(shí)θ(k)=θ(k)；

如果||θ(k)‐θ(k)||≤γ，||θ(k)‐θ(k)||>γ則判定傳感器2故障，此時(shí)θ(k)=θ(k)。

位置環(huán)控制單元綜合接收位置給定θ、位置綜合單元輸出位移θ、輸出電流控制指令I(lǐng)，然后將電流控制指令平分，分別作為繞組1電流控制單元、繞組2電流控制單元的輸入。繞組1、2電流控制單元綜合電流控制指令0.5I、接收電流反饋I、I實(shí)現(xiàn)電流控制閉環(huán)，輸出PWM控制指令到功率放大器實(shí)現(xiàn)功率放大，從而實(shí)現(xiàn)力矩均衡輸出，避免力紛爭(zhēng)問題。

1.3.2 余度管理

針對(duì)電氣系統(tǒng)中供電電路、組合邏輯電路、霍爾傳感器故障、通信接口故障，控制軟件中設(shè)置超時(shí)判斷邏輯，如果信號(hào)電平、采集數(shù)據(jù)在外部激勵(lì)條件下超過一定時(shí)間沒有發(fā)生變化，則判定故障，切換控制電路切斷故障通道的母線。故障通道電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)模式產(chǎn)生感生電壓，通過IGBT的寄生二極管在與故障驅(qū)動(dòng)器母線上產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，但由于母線已經(jīng)斷開，反電動(dòng)勢(shì)沒有回路，不會(huì)和前級(jí)電路形成回路產(chǎn)生電流，不會(huì)對(duì)前級(jí)電路、正常通道電機(jī)造成影響。

針對(duì)逆變強(qiáng)電路單元，當(dāng)某一IGBT出現(xiàn)斷路時(shí)，該相某一時(shí)刻電流為0；IGBT出現(xiàn)短路時(shí)，該相某一時(shí)刻出現(xiàn)大電流；同橋臂直通時(shí)，電路中產(chǎn)生大電流；某一橋臂兩IGBT均斷路，該電流始終為0；通過電流檢測(cè)可以檢測(cè)IGBT短路或開路故障，切換控制電路切斷故障通道的母線。

針對(duì)伺服電機(jī)，如果一相繞組出現(xiàn)斷路故障，則故障繞組電流為0，該故障可檢測(cè)，切換控制電路切斷故障通道的母線。

若電機(jī)內(nèi)部繞組短路，在短路繞組之間產(chǎn)生回路電流，增加了正常電機(jī)通道的負(fù)載，如果短路線圈匝數(shù)較少，故障不可檢測(cè)；當(dāng)短路匝數(shù)較多時(shí)，出現(xiàn)較大電流，該故障可檢測(cè)。系統(tǒng)的余度工作模式如表1所示。

表1：余度工作模式

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

分別設(shè)置位置傳感器故障、組合邏輯電路故障、電機(jī)繞組斷路故障，伺服系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)、隔離與余度切換。余度控制措施有效。

伺服系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)、施加瞬時(shí)負(fù)載時(shí)，繞組1、繞組2電流測(cè)試結(jié)果如圖6所示，可以看到，繞組1和繞組2電流大小、相位基本一致，力矩均衡措施有效。

圖6：系統(tǒng)啟動(dòng)、施加瞬時(shí)負(fù)載時(shí)繞組1、2電流測(cè)試曲線

當(dāng)給定指令在-18°～+18°全工作行程內(nèi)，角度變化步長(zhǎng)2°，舵系統(tǒng)輸出、控制誤差曲線如圖7所示。

圖7：系統(tǒng)測(cè)試輸出和控制誤差曲線

可以看到，舵系統(tǒng)在全工作行程內(nèi)的控制誤差最大約為0.2°。

當(dāng)系統(tǒng)輸入10°階躍信號(hào)，系統(tǒng)輸出結(jié)果如圖8所示，系統(tǒng)超調(diào)為0.14%，上升時(shí)間約為119ms。

圖8：10°階躍信號(hào)時(shí)系統(tǒng)輸出

3 結(jié)論

本文完成了一種基于雙繞組無(wú)刷直流電機(jī)的高可靠性雙余度伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用TMS320F28335作為主控單元，針對(duì)電氣、結(jié)構(gòu)部分中的可靠性薄弱環(huán)節(jié)如組合邏輯電路、驅(qū)動(dòng)電路、傳感器、電機(jī)繞組等進(jìn)行了余度設(shè)計(jì)，并完成了余度切換控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在余度控制策略方面，該系統(tǒng)采用熱備份工作方案，對(duì)余度系統(tǒng)進(jìn)行管理，針對(duì)雙繞組電機(jī)同時(shí)工作引入的力紛爭(zhēng)問題，提出了基于電流均衡技術(shù)的雙閉環(huán)控制策略。

系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)、隔離與余度切換，雙繞組電機(jī)力矩平衡措施有效，系統(tǒng)具有可靠性高、控制精度高、穩(wěn)態(tài)誤差小、快速性高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提升飛行器的可靠性、控制性能具有重要意義。