民機襟翼作動器余度結(jié)構(gòu)與力矩均衡控制系統(tǒng)設計

徐佳甄軻

（中國民用航空飛行學院廣漢分院，四川 廣漢 618300）

0 引言

機電執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)是位置伺服控制的一種系統(tǒng)的稱呼，它通過直接控制系統(tǒng)中電機或其他電器的運行，間接或直接得控制負載作動，以達到對控制目標位置伺服控制的效果。安全是民航業(yè)永恒的主題，響應速度、控制精度、抗干擾能力是飛行控制驅(qū)動系統(tǒng)中非常關鍵的三大指標。設計的控制系統(tǒng)要求控制準確、響應及時，同時具有較強的抗干擾能力。

本文對民機機載設備襟翼控制系統(tǒng)機電作動器的余度管理進行設計，目的是使襟翼系統(tǒng)達到更高的安全可靠性。對于可靠性指標要求較高的襟翼控制系統(tǒng)，如果只是單純提高零部件的性能，系統(tǒng)容錯效果并不是最理想的。余度設計是為了確保安全而考慮的一種手段，也是機載設備常用的調(diào)節(jié)控制方式。通過多個部件或多個通道直接提升系統(tǒng)的容錯能力，在不改變原零部件性能的基礎上提升系統(tǒng)的整體可靠性。復合式機電作動器也存在力矩不均衡這個不可避免的弊端，其對系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的不良影響，通過對襟翼機電作動器力矩紛爭的問題進行分析，設計了一種電流補償反饋的控制系統(tǒng)，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)中易出現(xiàn)的力矩不均衡的問題。

1 余度結(jié)構(gòu)設計和管理

飛機襟翼收放系統(tǒng)的功能是控制襟翼的收放達到命令的位置，根據(jù)空氣動力學原理，盡可能縮短飛機起飛和著陸時的飛機滑跑距離。隨著現(xiàn)代飛機外形尺寸增加以及飛機性能的不斷提升，飛機的旅客容量不斷增加，這對飛機的穩(wěn)定性及安全性提出了更高的要求。為實現(xiàn)飛機的各種姿態(tài)變換，飛機上存在許多運動結(jié)構(gòu)件，比如飛機操縱舵面（如方向舵、升降舵、襟翼、副翼）、起落架以及收放系統(tǒng)等，這些結(jié)構(gòu)必然參與到每一次飛行起落，這些結(jié)構(gòu)件是否安全可靠，直接關系到飛機是否能夠正常運行，實現(xiàn)正確的操作。冗余管理的目的是管理系統(tǒng)冗余資源，使冗余計算機能夠協(xié)同工作，實現(xiàn)系統(tǒng)容錯，提高系統(tǒng)的安全性和可用性。

復合式機電作動器系統(tǒng)的驅(qū)動機構(gòu)主要是兩部雙重繞組無刷直流驅(qū)動電機，重要的結(jié)構(gòu)組成部分是滾珠絲杠和雙余度齒輪機構(gòu)等，這些零部件整體由驅(qū)動電路串為一個系統(tǒng)。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上來看，無刷直流驅(qū)動電機是采用雙重獨立的定子繞組，也就是電機的兩套繞組獨立工作，它們的驅(qū)動電路也是獨立的功率可能不同，從整體來看一個電機形成了兩條相對獨立的電氣通道。系統(tǒng)實時控制和監(jiān)測通道中的電流，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進行裁定，從而能夠及時切換通道以隔離有故障或失效的通道。雙余度減速齒輪采用的結(jié)構(gòu)方式為力矩綜合結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上來講兩臺雙余度電機之間通過一個連接機構(gòu)“雙軸輸入”來實現(xiàn)系統(tǒng)力矩平衡綜合，采用力矩綜合系統(tǒng)輸出力矩為兩臺雙余度電機輸出力矩的求和，由系統(tǒng)的單軸輸出帶動滾珠絲杠最終實現(xiàn)系統(tǒng)的曲線轉(zhuǎn)變直線活動，驅(qū)動操縱面來完成指令。同時系統(tǒng)設置有電磁離合器設備，它相當于系統(tǒng)的保護協(xié)調(diào)裝置，若系統(tǒng)中任何一個電機的所有通道均失效的情況下，該失效電機會自動被電磁離合器隔離，對應的兩個電氣通道關閉。

系統(tǒng)還設置有位置速度傳感器裝置，目的是讓電機電氣通道模式轉(zhuǎn)換及換相控制提供電機轉(zhuǎn)子的位置跟蹤信號，同時完成電機轉(zhuǎn)速的跟蹤。在滾珠絲杠設直線位移傳感器，可以測量直線運動的實時位置，最后實現(xiàn)對系統(tǒng)的準確位置控制。

本文主要研究襟翼控制系統(tǒng)，襟翼控制系統(tǒng)的余度結(jié)構(gòu)設計從兩方面入手分析，即電傳系統(tǒng)和機械控制系統(tǒng)。首先是電傳控制部分，因為該系統(tǒng)主要由驅(qū)動電路、襟翼電機、控制器及有關傳感器組成，其中任意一個電氣元件故障或失效都會導致整套控制系統(tǒng)失效。因此對無刷直流電機本體結(jié)構(gòu)及其控制電路的電氣余度設計是非常有必要的。其次是襟翼控制系統(tǒng)機械控制部分主要包含齒輪機構(gòu)和滾珠絲杠轉(zhuǎn)換機構(gòu)，無刷直流電機是唯一的動力元件，從系統(tǒng)運行整體來看，只要驅(qū)動電機故障，所控制的系統(tǒng)會立刻缺失動力從而系統(tǒng)無法按照指令實現(xiàn)飛行操作偏轉(zhuǎn)指令，驅(qū)動電機在系統(tǒng)中非常關鍵，所以從增加驅(qū)動電機數(shù)量的角度布置余度機構(gòu)形式。該余度機構(gòu)與電氣控制余度設計思路一起形成復合式的機電作動控制器的概念。該復合式機電作動器系統(tǒng)為“電機雙通道、電氣四通道”形式，兩套襟翼電機采用并行運動模式，每臺電機采用兩個電氣通道，主/副電氣通道模式。當系統(tǒng)正常運行時，兩個電機同時運行，每個運行電機僅有一個電氣通道有效，另一個電氣通道處于待用的備份狀態(tài)。

令兩個無刷直流電機為A、B電機，A電機的兩個電氣通道為A、A通道，B電機的兩個電氣通道為B、B通道。復合式機電作動器系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)組成來看由2個電機通道組成，每個電機通道又單獨負責2個電氣通道。從運行模式來看，組成電機間采用并行運行模式，電機控制的兩個電氣通道獨立運行，采取的運行模式為“主/副”模式工作。當系統(tǒng)正常工作時，兩臺電機同時參加工作，兩臺電機的主電氣通道工作，副電氣通道處于備份的狀態(tài)。就電機A而言，A即作為主電氣通道運行，而A作為副通道處于備份工作模式；對于電機B，B即作為主電氣通道運行，而B作為副通道處于備份工作模式。

按照電氣通道故障數(shù)量，復合式機電作動器可分為四種工作模式。

（1）零故障模式，即正常工作模式：當襟翼控制系統(tǒng)正常工作時，A、B電機正常工作，A、B電氣通道正常進行工作，A、B處于備用工作狀態(tài)，每臺電機各承擔一半的輸出轉(zhuǎn)矩和功率。

（2）單故障模式：此時系統(tǒng)中僅有一臺電機負責的主通道失效，系統(tǒng)會利用隔離驅(qū)動電路將發(fā)生故障或失效的通道隔離，備用通道接替主通道進行工作，系統(tǒng)正常運行，此時每臺電機同樣承受輸出轉(zhuǎn)矩和功率的1/2。

（3）雙故障模式，這種模式分有兩為情況，情況一：兩個電機的兩個主通道分布故障，隔離電路工作后，兩個電機系統(tǒng)分別由各自的備用通道進行工作，系統(tǒng)仍可以正常工作，每臺電機同樣承受輸出轉(zhuǎn)矩和功率的1/2。情況二：任意一部電機負責的主/副電氣通道都出現(xiàn)故障，此時該電機喪失了控制作用，系統(tǒng)主動利用電磁離合器裝置將故障電機全部隔離，故障電機負責的兩個電氣通道全部關閉；同時系統(tǒng)另一部電機負責的兩個電氣通道一起進行工作，持續(xù)保障系統(tǒng)輸出，系統(tǒng)仍然能夠正常工作，該套系統(tǒng)承受全部的轉(zhuǎn)矩和功率。

（4）三故障模式：該模式出現(xiàn)的可能性較小。當兩臺電機的所有電氣通道中只剩下一套通道能夠正常工作時，其余通道全部失效，系統(tǒng)輸出僅為1個電氣通道的輸出，此時電機的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率過小將無法滿足需求，系統(tǒng)失效。

當系統(tǒng)中存在雙故障模式時，仍然能夠正常工作，而出現(xiàn)雙故障模式的概率也是相對較低的，可以看出系統(tǒng)的可靠性較高。

2 力矩不均衡問題研究

由于上述幾種工作模式的存在，除了雙故障模式情況二之外復合式機電作動器也存在力矩不均衡這個不可避免的弊端。力矩紛爭會造成互相關聯(lián)的齒輪力矩綜合裝置互相干涉，使齒輪產(chǎn)生局部疲勞現(xiàn)象，這會大大降低機電作動器的使用時長；同時力矩紛爭會影響機電作動器的輸出精度，降低系統(tǒng)的工作效率，影響襟翼控制系統(tǒng)對運動指令的執(zhí)行質(zhì)量。因此必須解決力矩紛爭的問題。

系統(tǒng)左右襟翼分別由兩個獨立驅(qū)動裝置驅(qū)動。兩個獨立驅(qū)動裝置通過軟軸連接，正常工作時，襟翼控制器發(fā)出同步控制指令，驅(qū)動兩個驅(qū)動裝置，分別帶動左右襟翼同步運行；當一側(cè)襟翼操縱面的電機或減速機構(gòu)出現(xiàn)故障，故障一側(cè)的襟翼操作面不制動，而另一側(cè)驅(qū)動裝置通過電機軸上的制動器使兩個獨立驅(qū)動裝置同時制動，保持當前角度，保證系統(tǒng)的安全性。

要解決力矩紛爭問題，可以從三個方面入手。首先，可以考慮提高零部件的制造精度，這種方法使兩個電機系統(tǒng)部件盡量完全一致，減少了兩個控制通道的客觀差異性，但同時也會增加制造成本，并未從根本上解決問題；其次，可以考慮增加綜合裝置整體包容不同力矩數(shù)值的能力，如從系統(tǒng)輸入軸材質(zhì)的角度考慮，可以采取更加柔韌的輸入軸，但當系統(tǒng)在雙故障模式的情況二等單電機工作時，輸入軸過高會造成電機齒輪承載力不均，加速磨損，這種方法也不能徹底解決力矩紛爭的問題。最后，從控制角度出發(fā)，試圖對通道誤差進行識別和補償，在系統(tǒng)中設置檢測裝置，由控制檢測設備對系統(tǒng)中不同通道存在的差異進行具體的實時檢測比較，再將結(jié)果用反饋信號的形式傳遞給控制系統(tǒng)，系統(tǒng)不斷進行修正補償降低差異，使綜合系統(tǒng)盡快達到理想的狀態(tài)。這種方式將力矩不均衡控制在可接受的范圍內(nèi)，是解決力矩紛爭的有效辦法。

還考慮另外兩種機械余度控制結(jié)構(gòu)，即采用機械運動合成的差動周轉(zhuǎn)齒輪或者諧波齒輪機構(gòu)，但由于其設計難度太大，制造復雜且成本高昂，而且對系統(tǒng)零部件的加工精細度要求也很高，還有轉(zhuǎn)動慣量大的特點，差動周轉(zhuǎn)齒輪或者諧波齒輪機構(gòu)有降低系統(tǒng)穩(wěn)定品質(zhì)的可能性。因此綜合以上，從控制角度出發(fā)，本文利用均衡控制技術，展開了對復合式機電作動系統(tǒng)力矩紛爭解決方法的研究。

3 控制系統(tǒng)設計

在民機完成飛行任務時，襟翼力矩紛爭問題的嚴重程度由兩個電機通道輸出轉(zhuǎn)矩之間的誤差值大小來判斷。差值越大，問題越大。課題所設計控制系統(tǒng)設計的重點目標之一便是控制兩通道間的輸出轉(zhuǎn)矩誤差，使差值穩(wěn)定在合適的區(qū)間內(nèi)。但是由于客觀原因輸出轉(zhuǎn)矩無法直接測量，又因為輸出轉(zhuǎn)矩可用電流關系式來表達，所以電機輸出轉(zhuǎn)矩差異也體現(xiàn)在了兩通道的反饋電流上。所以確定了本小節(jié)將利用對兩臺電機負責通道的電路電流反饋補償控制策略，利用電流反饋補償對通道電流進行均衡控制，以間接達到對通道輸出轉(zhuǎn)矩均衡控制的設計目標。

根據(jù)通道電流反饋補償策略，畫出補償控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理示意圖，如圖1所示。

圖1 反饋補償控制系統(tǒng)原理示意圖

在設計的機電作動器之上，在系統(tǒng)兩通道間額外增加電流反饋補償控制器裝置，也是一個內(nèi)環(huán)裝置。這個設備在系統(tǒng)運行時將自動進行兩臺電機之間的電流檢測和對比，對兩臺電機的電流I、I進行檢測并對比其大小，令ΔI=I-I，控制原理主要是通過對兩個通道的電流誤差差值的計算，在兩個通道各設置了一個PID反饋補償器進行系統(tǒng)控制。過程簡單描述為：當A電機輸出轉(zhuǎn)矩大于B電機轉(zhuǎn)矩，即I＞I，那么電流誤差ΔI=I-I＞0，通過通道上設置的PID控制器對A通道提供了一個負向電壓反饋，A通道電壓降低，I隨之減小，即減小A電機通道的輸出轉(zhuǎn)矩；反之，當A電機通道輸出轉(zhuǎn)矩比B通道輸出轉(zhuǎn)矩大，通過B通道的反饋控制器向B電機提供一個正向電壓反饋，B通道電壓增大，增大I，從而增大B電機通道輸出轉(zhuǎn)矩，使系統(tǒng)力矩均衡。這個控制過程為實時動態(tài)的，實現(xiàn)了對兩電機通道實時輸出力矩的動態(tài)均衡控制。同樣，當A電機輸出轉(zhuǎn)矩小于B電機轉(zhuǎn)矩，即電流誤差ΔI＜0，同樣可以有效實現(xiàn)兩臺電機輸出轉(zhuǎn)矩的均衡控制。

將轉(zhuǎn)矩誤差用公式表示出來，設A電機通道輸出轉(zhuǎn)矩為T，B電機通道輸出轉(zhuǎn)矩為T，則兩電機的轉(zhuǎn)矩誤差為：

設轉(zhuǎn)矩不均衡度為τ，其表達式為：

4 結(jié)語

從控制的角度進行研究，利用電流誤差調(diào)節(jié)反饋，展開設計了一種反饋補償控制系統(tǒng)，以間接實現(xiàn)系統(tǒng)力矩均衡的控制。雙電機復合式作動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)增加了控制系統(tǒng)的容錯余度，使系統(tǒng)在容錯狀態(tài)下保證正常的輸出。而增加的反饋補償控制系統(tǒng)利用對電流間的調(diào)節(jié)間接解決了系統(tǒng)的力矩紛爭問題。