田乾乾， 范海峰

(1.中國民航大學(xué)，天津 300300； 2.天津航天機電設(shè)備研究所，天津 300301)

0 引 言

小型無人直升機憑借自身的特點和自主飛行能力，在某些場合已經(jīng)取代了固定翼飛機和載人飛機，得到了廣泛的應(yīng)用[1]。由于其飛行過程是在電子設(shè)備的全程干預(yù)下完成，不需要飛行員的參與，所以，也可以應(yīng)用到一些環(huán)境較為惡劣的場合，例如：勘探、航拍、巡邏等[2]。

近幾年來，隨著導(dǎo)航與制導(dǎo)技術(shù)、自動化技術(shù)以及微電子技術(shù)的長足發(fā)展，無人機的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從單純的軍事用途朝多樣化的民用領(lǐng)域發(fā)展，無論是在軍事領(lǐng)域還是在民用領(lǐng)域，無人機在執(zhí)行任務(wù)的過程中，往往需要其對一個目標(biāo)進行連續(xù)的跟蹤，并將收集到的有價值信息實時地回傳給地面控制中心，然后控制中心將信息進行處理，根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)得出無人機下一步的飛行路徑，并實時控制無人機的姿態(tài)。

在對目標(biāo)進行定位與跟蹤的過程中，要求機載的攝像頭或其他設(shè)備能夠?qū)崟r地根據(jù)目標(biāo)位置的移動進行快速隨動，這樣才能保證得到的都是有價值的信息，機載云臺作為跟蹤設(shè)備的操作平臺，可靠性和穩(wěn)定性的要求很高，一旦發(fā)生故障將造成跟蹤設(shè)備不能對目標(biāo)隨動，從而造成整個系統(tǒng)的失靈。

1 電動舵機

機載云臺作為無人機上搭載的各種設(shè)備的操作與安裝平臺，具有水平和垂直回轉(zhuǎn)的功能，而電動舵機作為整個系統(tǒng)的核心部件，可靠性的高低直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能。

如圖1所示為機載云臺的結(jié)構(gòu)框圖，電動舵機是飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，作為整個系統(tǒng)的核心部件，它根據(jù)飛控計算機的輸出指令，對飛機的各操縱面進行直接或間接控制[1]，其由控制器、驅(qū)動器和電動機組成?，F(xiàn)階段電動舵機主要采用無刷直流電機，無刷直流電機由高性能的稀土永磁材料制造，具有高速度、高動態(tài)響應(yīng)、高熱容量及高可靠性的優(yōu)點[2]，同時其還具有低噪聲、長壽命的特點，是一種發(fā)展?jié)摿薮蟮男滦碗姍C，目前已應(yīng)用于多種領(lǐng)域，尤其在航空、航天中應(yīng)用廣泛。

圖1 機載云臺結(jié)構(gòu)框圖

目前在飛控系統(tǒng)中，電動式伺服舵機發(fā)展迅速，但是由于結(jié)構(gòu)和部件復(fù)雜，與傳統(tǒng)的單純機械式舵機相比，可靠性略低，當(dāng)電路發(fā)生故障沒有及時排除時，將會影響舵機的使用性能，危害航空安全[1]，因此，設(shè)計一個故障監(jiān)測系統(tǒng)對舵機的故障進行及時定位、排除是非常有必要的。

2 光生伏打隔離器PVI1050NS

無人機電動舵機驅(qū)動系統(tǒng)主要包括功率驅(qū)動系統(tǒng)和逆變系統(tǒng)兩部分，功率驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性較小，而且即使發(fā)生故障，也很難進行人為干預(yù)，而逆變系統(tǒng)如果發(fā)生故障則會導(dǎo)致整個系統(tǒng)停擺[3]。例如：逆變系統(tǒng)某一橋臂發(fā)生導(dǎo)通短路時，隨著控制信號001—010—011—100—101—110六種狀態(tài)的循環(huán)，將會出現(xiàn)直通的危險狀況，相當(dāng)于母線電壓直接加在一根導(dǎo)線上，電流瞬間急劇增大，燒毀元器件[4]，此時應(yīng)立即切斷該故障通道。

為了避免這種直通危險的發(fā)生，本文將光生伏打隔離器PVI1050NS應(yīng)用到無刷直流電動機的驅(qū)動電路中。PVI的核心是長3 mm，寬不到0.5 mm的硅光電池(通常稱為光生伏打電池)小陣列(串聯(lián)以獲得足夠的輸出電壓)[5]，其位置距高輸出穩(wěn)定性的砷鋁化鎵發(fā)光二極管約1 mm[6]，并塑壓在透明塑料光學(xué)腔體內(nèi)，可以將LED的紅外能量高效地傳遞到光生伏打電池組[7],這種光生伏打隔離器采用標(biāo)準(zhǔn)8引腳DIP封裝。

PVI1050NS能產(chǎn)生大約5 V電壓，并且具有一定的電流產(chǎn)生能力[8]。輸入電流I經(jīng)LED轉(zhuǎn)換后，變?yōu)檩椛浼t外光，紅外光對準(zhǔn)光電池的表面后，將產(chǎn)生與入射能量呈正比的電流I[9]。

民生水利發(fā)展又是一個長期的過程，需要不斷把握人民群眾的新期盼，開辟興水惠民新領(lǐng)域。會議指出，要努力在抓好小型農(nóng)田水利重點縣建設(shè)、實施坡耕地綜合整治、開展蓄滯洪區(qū)安全建設(shè)、搞好病險水閘除險加固、開展農(nóng)村水環(huán)境整治等五個方面實現(xiàn)突破。

將物理、電氣以及機械結(jié)構(gòu)考慮進去，計算得出電流傳輸比約為1000∶1(近似線性的)[7]。因此，為了獲得足夠的輸出電壓，須將多個光電池串聯(lián)，如10個光電池串聯(lián)可以獲得約6 V左右的輸出電壓，在本設(shè)計中，相當(dāng)于將PVI的兩個獨立的輸出串聯(lián)一起，達到12 V的驅(qū)動能力。

圖2中，實線為輸出特性，虛線為PVI器件的輸出短路特性。PVI1050NS的輸出特性，從圖2可以看出，縱坐標(biāo)為輸出的電壓，橫坐標(biāo)為輸入的電流，輸出端的負(fù)載電阻作為控制參數(shù)[10]?？梢钥吹剑S著輸入電流的不斷增加，輸出電壓在輸入電流增加到約2～4 mA后接近恒流源的特性[7]。輸出電壓隨輸出負(fù)載的電阻值降低而不斷減小，輸出開路狀態(tài)下的輸出電壓最高[11]。

圖2 PVI輸出特性

從圖中輸出電壓與輸出端負(fù)載電阻的關(guān)系看，PVI器件適用于為高輸入阻抗的電路提供隔離的耦合信號與電能，特別適合于驅(qū)動MOSFET，IGBT等絕緣柵功率半導(dǎo)體器件[12]。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 主電路設(shè)計

在無刷直流電動機的全橋式驅(qū)動電路中，逆變橋主電路有6只功率開關(guān)器件(功率MOSFET或IGBT)，如圖3所示，若每只功率MOSFET都用1個獨立的驅(qū)動電路來驅(qū)動,至少需6個驅(qū)動電路，這樣需要配備4個相互獨立的直流電源來給驅(qū)動電路供電，這樣不但使系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，而且可靠性也下降[4]。

圖3 主回路單元

IR公司的IR2136S系列是功率MOSFET和IGBT的專用柵極驅(qū)動集成電路，它的內(nèi)部采用自舉技術(shù)[9,13]，僅需一個直流電源就可以解決所有問題。

3.2 功率驅(qū)動電路設(shè)計

IR2136S芯片具有完備的保護功能，可大大提高系統(tǒng)的集成度、可靠性，并可縮小電路板的尺寸。IR2136S集成電路的性能較光耦合器或變壓器柵極驅(qū)動方式優(yōu)越，它的死區(qū)時間低至250 ns[13]。典型接通時間為250 ns，關(guān)斷時間為180 ns[9],可滿足無刷直流電動機高頻工作驅(qū)動的要求。

IR2136S具有如下特點:

1)有浮地輸出，可直接驅(qū)動600 V高壓系統(tǒng)；

2)能夠輸出10～20 V的驅(qū)動信號；

3)具有欠壓保護和過流保護功能；

4)邏輯輸入和CMOS,LSTTL輸出兼容[5]。

3.3 故障保護電路設(shè)計

當(dāng)上下橋臂發(fā)生直通時，相當(dāng)于電源的正負(fù)極相短接，這時候就會有很大的電流流過采樣電阻[7]，經(jīng)過電路中的過流檢測電路，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，這時電路中的功率驅(qū)動芯片IR2136S的ITRIP引腳變?yōu)楦唠娖健?/p>

如圖4所示，ITRIP引腳是一個過流保護引腳，正常狀態(tài)下為低電平，當(dāng)引腳電平變?yōu)楦邥r，芯片的FAULT引腳由正常的高電平變?yōu)榈碗娖?，一旦FAULT引腳變?yōu)榈碗娖?，?dāng)FAULT變?yōu)榈碗娖綍r，IR2136S自動截斷所有輸出，保護后續(xù)電路。

圖4 輸入輸出時序圖

同時電路的二極管截止， PVI1050NS輸入切斷，輸出因此也切斷，將電源的正極切斷，起到雙重保護電路的作用，過流保護原理圖如圖5所示。

圖5 過流保護

如圖6所示，分別將電路中的其他故障信號，如過壓、欠壓及過溫等保護信號相與后分別輸入到控制器的功率保護中斷引腳FAULT中，這樣無論電路中哪一故障信號使能，系統(tǒng)都能對故障進行定位與診斷。

圖6 其他故障信號保護

4 實驗驗證

設(shè)計完成的電動舵機驅(qū)動器及其故障監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示，主要包括控制單元、驅(qū)動單元、無刷直流電動機及仿真器等結(jié)構(gòu)。

圖7 電動舵機驅(qū)動器及其故障監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

實驗對象(無刷直流電動機)的主要參數(shù)：供電電壓72 V；功率1 500 W；空載轉(zhuǎn)速8 600 r/min；額定轉(zhuǎn)速7 600 r/min；額定轉(zhuǎn)矩1.8 N·m。

4.1 開環(huán)機械特性與電流測試

通過研制的電動舵機驅(qū)動器來控制無刷直流電動機，使用轉(zhuǎn)矩測量儀對電動機進行加載測試，然后利用故障監(jiān)測系統(tǒng)進行電流值測量。

首先在系統(tǒng)開環(huán)情況下進行機械特性實驗。給定額定電壓72 V，首先讓電動機空載起動，記錄下電動機的轉(zhuǎn)速，然后逐步增加電動機的轉(zhuǎn)矩負(fù)載，實驗結(jié)果如表1。

從表1可以看出:實測機械特性的硬度稍低于FEA仿真理論值的硬度，圖8、圖9能更直觀地反映這一點。

表1 實驗數(shù)據(jù)

4.2 額定工況測試與電流測試

用電動舵機驅(qū)動器來控制無刷直流電動機，系統(tǒng)額定工況下(額定轉(zhuǎn)速7 600 r/min；額定轉(zhuǎn)矩1.8 N·m)的響應(yīng)特性如圖8、圖9。

實驗結(jié)論：

圖8所示為B,C相的相電壓曲線圖，從圖中可以看出:B相(淺黑色)相電壓值約為36 V，C相(白色)相電壓，電壓值也約為36 V，黑色線為B，C線電壓，值為B，C相電壓差，從圖中可以看出：線電壓約為額定電壓72 V。

圖8 相電壓

圖9所示為相電流曲線圖，為電機的C相相電流，從圖中可以看出:電機在額定工況下的電流可達1 A左右，與前面的實驗數(shù)據(jù)吻合，動態(tài)特性良好。

圖9 相電流

5 結(jié) 論

結(jié)合光生伏打隔離器PVI1050NS的技術(shù)特點，設(shè)計并實現(xiàn)了一種新型故障監(jiān)測傳感器，該監(jiān)測傳感器能實時監(jiān)測電動舵機驅(qū)動電路中的過流、過壓、過溫等故障信號。通過對該故障信號的處理，可以判斷驅(qū)動電路的故障位置，迅速進行定位并進行故障處理，保障了電動舵機運行的可靠性與安全性。實驗結(jié)果表明：該故障監(jiān)測傳感器具有較高的靈敏度，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

參考文獻:

[1] 王季秩,曲家騏.執(zhí)行機構(gòu)[M].2版.北京:機械工業(yè)出版社,1999:55-80.

[2] 鄭 吉,王學(xué)普.無刷直流電機控制技術(shù)綜述[J].微特電機,2002(3):11-13.

[3] 周鳳岐,陳 瑜.一種新型的伺服系統(tǒng)一變結(jié)構(gòu)諧波傳動電動伺服系統(tǒng)[J].導(dǎo)彈與航天運載技術(shù),2001(3):3-4.

[4] 董慧芬,周元均,沈頌華.雙余度無刷直流電動機容錯動態(tài)性能分析[J].中國電機工程學(xué)報,2007,27(21):80-180.

[5] 周元均.雙繞組無刷直流電動機的數(shù)學(xué)模型與轉(zhuǎn)矩特性[J].電工技術(shù)學(xué)報,2004,19(4):10-18.

[6] 張小林.小型飛機器機載計算機的余度設(shè)計技術(shù)[J].西北大學(xué)學(xué)報,2001,19(2):274-278.

[7] Green S,Atkinson D J,Jack A G,et al.Senseless operation of a fault tolerant PWM drive[J].IEE Proceedings of Electric Power Applications,2003,150(2):1030-1038.

[8] 劉 彬,劉景林,馬瑞卿.雙余度稀土永磁無刷直流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)[J].微電機,2004,37(1):26-28.

[9] 向茂溪.大功率雙余度機電作動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].北京：北京航空航天大學(xué),2002.

[10] 昃 萌,望自強,周元鈞.機載電液作動器驅(qū)動器的雙余度控制[J].電力電子,2006(1):18-26.

[11] Ede J D,Atallah K,Wang Jiabin,et al.Effect of optimal torque control on rotor loss of fault tolerant permanent magnet brushless machines[J].IEEE Transactions on Magnetic,2002,38(5):312-320.

[12] 楊 平.雙余度無刷直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計及性能研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué),2005.

[13] Moreira J C.Indirect sensing for rotor flux position of permanent magnet AC motors operating over a wide speed range[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1996,32(6):1394-1401.