飛機機電作動系統(tǒng)故障模式分析與故障診斷方法

蘆楊

【摘 要】飛機機電作動系統(tǒng)采用典型的多電飛機系統(tǒng)，飛機機電作動系統(tǒng)直接影響飛機飛行的可靠性和安全性，為了滿足飛機高可靠性及高安全性的基本需求，需要深入探究機電作動器的故障模式。本文基于無刷直流電動機機電作動系統(tǒng)故障模式的基礎(chǔ)上展開深入分析，提出采用直流母線電流進行在線故障診斷的方法，最終對故障預(yù)測方法進行探究。

【關(guān)鍵詞】飛機機電作動系統(tǒng)；故障模式分析；故障診斷方法

一、機電作動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

多電飛機的機電作動器作為飛機舵面的驅(qū)動裝置存在，原理結(jié)構(gòu)如下圖所示，是速度、位置及電流三閉環(huán)控制的無刷直流電動機系統(tǒng)，電源輸入端設(shè)置有LC結(jié)構(gòu)的EMI濾波器。由下圖可知，機電作動器由無刷直流電動機、逆變器、速度與位置傳感器組成，還包含完成位置與速度及電流閉環(huán)控制的微處理器。

二、故障類型探究

機電作動系統(tǒng)包含電磁機構(gòu)、傳感器、微處理器以及電力電子線路等多種部件，所以可能發(fā)生的故障模式也相對比較多樣化。本文主要針對常見故障模式展開分析，探究電動機直流母線電流的波形以及頻譜，以作為故障診斷的依據(jù)。

1.功率電路故障類型

無刷直流電動機功率的主電路六個功率開關(guān)器件組成三相橋結(jié)構(gòu)，因此功率電路故障類型主要是開關(guān)器的故障，開關(guān)器故障可具體分為斷路故障和短路故障兩種。

短路故障，電路整體中有保護電路的設(shè)計，一旦短路故障發(fā)生會對控制信號進行即可封鎖，此時整個電路暫停工作。如某一器件發(fā)生斷路故障時，電機極有可能為缺相運行狀態(tài)，如測量直流母線電流為一個開關(guān)器件斷路時的電流波形，均為應(yīng)用FFT方法分析時獲取的不同頻譜。功率電路的另一種故障類型則為非主電路故障，引發(fā)原因可能是功率電路中斬波器發(fā)生斷路故障，此時該通道的母線電流值為零，此處需要注意不同斷路故障母線電流表現(xiàn)波形存在一定差異。如逆變器發(fā)生故障，則會導(dǎo)致直流母線電流波形發(fā)生畸變情況。

2.電動機故障類型

軸承故障及繞組故障是無刷直流電動機的主要故障類型，軸承故障的具體表現(xiàn)是潤滑油干枯、軸承滾珠磨損等，繞組故障主要表現(xiàn)形式為開路和短路故障。

一旦電動機軸承發(fā)生潤滑油干枯或者是滾珠磨損時，會使得摩擦力矩增加，并且越發(fā)不均衡，最終導(dǎo)致電動機機械振動。電動機機械發(fā)生振動會直接影響直流母線電流。

繞組損壞是引發(fā)電機繞組匝間短路故障的主要原因。一旦繞組任一相匝間發(fā)生局部短路情況，該相等效電阻、電感以及反電勢都會隨之降低，從而使得三相電流越發(fā)不平衡。此外，電流相對較大的繞組會發(fā)生嚴(yán)重發(fā)熱情況，若任由其自主發(fā)展會造成電機發(fā)熱的持續(xù)增加，最終使得匝間短路故障隨之加重，甚至?xí)?dǎo)致相見短路或者單相對地短路等十分嚴(yán)重的后果。

一旦電機繞組匝間發(fā)生短路故障，因等效電阻、電感以及反電勢等相應(yīng)降低，會造成直流母線電流波形發(fā)生相應(yīng)變化，如應(yīng)用FFT方式進行分析會有不同頻譜發(fā)生。

通常情況下接線處是電機繞組開路故障的高發(fā)區(qū)域。有任何一組繞組發(fā)生短路情況，電機無法正常運轉(zhuǎn)，表現(xiàn)形式為電動機無法啟動。

3.位置傳感器故障類型

無刷直流電動機對位置傳感器換相進行依賴，位置傳感器時無刷直流電動機的重要組成部分。位置傳感器應(yīng)用于飛機時需滿足高可靠性的基本需求，一般電機位置的傳感器對無刷旋轉(zhuǎn)變壓器進行采用。旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器時，通過專用集成電路結(jié)算獲得其位置信號，如結(jié)算電路發(fā)生故障將會造成無法獲取位置信號的情況，從而電機無法正常運行。對于系統(tǒng)的實際運行而言，其工作環(huán)境長期高溫且強震動，極易發(fā)生旋轉(zhuǎn)變壓器機械松動等故障。此類故障會造成逆變器換相發(fā)生超前或者延遲的情況，電機雖然可運行，但是電機直流提升，相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩降低，轉(zhuǎn)矩脈動處于較大值。如位置傳感器發(fā)生故障造成逆變器換相超前或延遲情況時，直流母線電流峰值隨之增加。

4.控制器故障類型

機電作動器的控制器采用微處理器。近些年來我國電子技術(shù)不斷發(fā)展，微處理器的集成度也隨之不斷提升，總的來講，控制器所需外圍電路不斷減少，控制器故障率也持續(xù)下降，可靠性得到有效提升。

微處理器故障類型分為硬件故障和軟件故障兩種，軟件故障指的是處理器運算程序受到干擾，采用某些措施時系統(tǒng)出現(xiàn)瞬態(tài)失控的情況。通常情況下微處理器硬件故障發(fā)生區(qū)域為外圍接口，簡單整理故障發(fā)生時的系統(tǒng)狀態(tài)：

<1>故障發(fā)生于控制器與上位機通信接口位置時，對于上位機的指令無法接受，機電作動系統(tǒng)此時為失控狀態(tài)；

<2>如控制器故障發(fā)生在傳感器接口位置時，除非對特殊容錯控制策略進行采用，否則系統(tǒng)無法完成相應(yīng)的各類功能；

<3>如控制器輸出接口發(fā)生故障，主電路六個開關(guān)器件會收到錯誤的控制信號。如某個控制信號故障后呈現(xiàn)高電平，相對應(yīng)的開關(guān)器件始終保持導(dǎo)通狀態(tài)。如同一橋臂另一開關(guān)器件為正常導(dǎo)通狀態(tài)，會形成逆變器管路故障；反之某個控制信號故障呈現(xiàn)低電平狀態(tài)時，相對應(yīng)的開關(guān)器件始終為截止?fàn)顟B(tài)。

三、機電作動器故障診斷探析

1.故障現(xiàn)象分類整理

依據(jù)上述故障模式分析，可將其分為三個類型。

<1>由于故障的發(fā)生，造成系統(tǒng)完全無法運轉(zhuǎn)的情況，此種故障類型包含控制器大部分故障、功率電路兩個以上開關(guān)器件斷路故障等，此時電動機無法進行運轉(zhuǎn)，如需進行故障診斷，需另外添加測試方法。

<2>由于故障造成逆變器斷路的情況，主要為控制器輸出信號故障引發(fā)的斷路及功率開關(guān)器短路等。此時系統(tǒng)較短時間內(nèi)保護，最終也會呈現(xiàn)電動機無法運轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，如需進行故障診斷需要另加測試手段。

<3>電動機發(fā)生故障仍舊可進行運轉(zhuǎn)的情況，此種情況主要包含單個功率器件開路、控制器單個輸出信號低電平故障、電動機軸承和線圈故障以及位置傳感器誤差故障燈。此類故障系統(tǒng)電動機可進行運轉(zhuǎn)，因此可實現(xiàn)故障的在線診斷。

2.故障診斷方法整理

由不同故障的直流母線電流波形以及故障頻譜分析結(jié)果可以得出，不同故障類型下諧波幅值存在一定差異，一次可對相應(yīng)的故障判斷條件進行構(gòu)建，從而作為故障識別的基本依據(jù)。

對電機系統(tǒng)各種狀態(tài)下的兩路母線電流分別進行FFT變化操作，獲取歸一化幅度的頻譜數(shù)據(jù)。通過進一步分析得出，直流分量、基波、四次諧波以及六次諧波可對不同運行狀態(tài)的特征進行具體表示。

四、結(jié)束語

綜合上述所言，機電作動系統(tǒng)是典型的機電一體化系統(tǒng)，雖然故障模式相對十分多樣化，但是完全可以借助直流母線電流FFT分析的方式完成部分故障種類的在線診斷。為了滿足飛機飛行安全性及穩(wěn)定性的需求，本文首先分析了機電作動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然后由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)展開故障類型的探究，并最終總結(jié)機電作動器故障診斷的方法和種類，旨在切實提升飛機機電作動系統(tǒng)故障的判定效率及修復(fù)水平。

【參考文獻】

[1]楊建忠，楊珍書，孫曉哲.機電作動系統(tǒng)故障影響分析與故障檢測方法[J].微特電機，2018，46（06）：43-48.