趙 春,趙守軍,何 俊,陳 鵬,曲 穎

(北京精密機電控制設備研究所，北京100076)

·工程技術(shù)·

雙余度機電靜壓伺服機構(gòu)的故障隔離與重構(gòu)技術(shù)研究

趙 春,趙守軍,何 俊,陳 鵬,曲 穎

(北京精密機電控制設備研究所，北京100076)

針對高可靠應用需求，介紹一型雙余度機電靜壓伺服機構(gòu)試驗樣機，采用一臺非對稱式液壓作動器及與其集成于一體的兩套伺服電機泵驅(qū)動組件。重點分析了余度機電靜壓伺服機構(gòu)故障隔離和重構(gòu)技術(shù)方案，采用含M型工位的兩位四通電磁換向閥實現(xiàn)故障通道的隔離與卸荷，提出故障工況下將剩余正常通道的位置誤差比例增益加倍的控制律重構(gòu)方法。理論分析和故障模擬試驗數(shù)據(jù)表明，雙余度機電靜壓伺服機構(gòu)具備突出的可靠性設計優(yōu)勢和良好的故障容錯能力，具有應用于載人航天運載火箭的價值。

機電靜壓；雙余度；故障隔離；重構(gòu)；運載火箭

1 引言

機電靜壓伺服機構(gòu)(Electro-Hydrostatic Actuator，EHA，也稱電靜液伺服作動器)通過伺服電機驅(qū)動雙向定量泵實現(xiàn)液壓作動器兩腔流量的精確快速調(diào)節(jié)，最終通過負反饋閉環(huán)控制實現(xiàn)作動器活塞位置的精確快速控制。相比傳統(tǒng)的閥控電液伺服機構(gòu)(Electro-Hydraulic Actuator，EH)，消除了伺服閥前置級噴嘴抗污染能力差、易于堵塞的致命故障模式；相比滾珠絲杠類機電伺服機構(gòu)(Electro-Mechanical Actuator，EMA)，消除了機械傳動機構(gòu)的卡死故障模式，保留了電力驅(qū)動的使用維護方便性和高效率，同時繼承了液壓作動器的強大輸出力能力[1-4]。三者原理對比如圖1。

因此，機電靜壓伺服機構(gòu)以其較高的固有可靠性、良好的使用維護性和易實現(xiàn)大功率等特點，成為飛機功率電傳(Power-By-Wire)舵控作動系統(tǒng)的主選方案[5，6]，已在歐洲空中客車A380和美國聯(lián)合戰(zhàn)斗機F35等飛機上成功應用[6，7]，也成為我國航空領(lǐng)域近年來研究和攻關(guān)的重點[8]。在航天領(lǐng)域，此技術(shù)對載人運載火箭也有很強的吸引力。

圖1 三種伺服機構(gòu)工作原理比較圖Fig.1 The comparison of three servo actuators’schematic diagrams

對于機電靜壓伺服機構(gòu)，定量泵中高速精密運動副密集，與伺服電機及配套的電子控制驅(qū)動部分一起是可靠性相對薄弱的環(huán)節(jié)，但由于是液壓控制，很容易通過多臺液壓泵的并聯(lián)冗余設計得到解決[1，9]。此外，多臺液壓泵并聯(lián)也可以增大功率輸出能力。載人航天追求極致的可靠性指標，搖擺發(fā)動機實現(xiàn)推力矢量控制的伺服機構(gòu)功率也較大，采取冗余設計的機電靜壓伺服機構(gòu)提供了較理想的技術(shù)方案[3]，但系統(tǒng)相對復雜，在國內(nèi)研究很少。

對應用于航天的伺服機構(gòu)，因受空間布局限制，液壓作動器不能采取航空中通常用到的作動器活塞串聯(lián)冗余設計方式[4]，只能在可靠性薄弱的核心部件采取冗余設計，但要求能夠自動消除一度故障影響，即“一度故障容錯能力”(One Fault Tolerant)，也因此在航天伺服控制中稱作“余度設計”。例如，三余度閥控伺服機構(gòu)的伺服閥即采用三套力矩馬達和液壓放大器前置級，通過閥芯位置和伺服作動器輸出位置的兩級閉環(huán)反饋自動消除一度故障影響[9]。

因此，故障隔離與重構(gòu)成為高可靠機電靜壓伺服機構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。本文設計了雙余度機電靜壓伺服機構(gòu)試驗樣機，提出了故障隔離與重構(gòu)方案，進行了模擬故障工況下的系統(tǒng)初步性能試驗，表明雙余度機電靜壓伺服機構(gòu)具備突出的可靠性設計優(yōu)勢和良好的故障容錯能力。

2 試驗樣機設計方案及工作原理

設計雙余度機電靜壓伺服機構(gòu)及其控制驅(qū)動器試驗樣機，工作原理簡圖如圖2[10]，機電靜壓伺服機構(gòu)如圖3，控制驅(qū)動原理圖如圖4[11]，高度集成的一體化伺服電機泵如圖5，基本設計參數(shù)如表1。

將柱塞式定量液壓泵、永磁同步式伺服電機和旋轉(zhuǎn)變壓器同軸集成設計在一個殼體內(nèi)，形成一個產(chǎn)品，稱為伺服電機泵(Servo Motor Driven Pump，SMDP)，在控制上與伺服電機相同，但輸出的是液壓流量而不是機械轉(zhuǎn)角。采用兩套相同的伺服電機泵及控制驅(qū)動裝置，形成液壓作動器的兩個控制通道，此處稱作通道A和通道B。每個通道輸出液壓流量的隔離控制由液壓泵出口的含M型工位的兩位四通電磁換向閥實現(xiàn)。

采用非對稱的單出桿液壓作動器設計，以適應現(xiàn)有試驗系統(tǒng)較短軸向安裝尺寸限制，但在無桿腔內(nèi)部中心增加一個固定套筒，使得兩腔作用面積比接近1，近似于對稱作動器，以減小油箱體積。內(nèi)置測量作動器活塞位移的傳感器，一端固定在套筒內(nèi)，一端連接在移動的活塞桿上。兩個不同方向運動時的不對稱流量由增壓油箱和液控單向閥調(diào)節(jié):當活塞由小端朝大端運動時，液控單向閥打開，大端排出的相對于小端的多余油液通過單向閥進入油箱；相反方向運動時，液控單向閥關(guān)閉，電機泵速度增加，增壓油箱補充大端運動需要的較多油液。增壓油箱也防止液壓泵的氣蝕及補償系統(tǒng)內(nèi)泄漏。

電氣部分采用控制器和驅(qū)動器一體化設計方案?？刂破鞯暮诵氖菙?shù)字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)，實現(xiàn)作動器位置環(huán)、電機速度環(huán)和電流環(huán)的三環(huán)閉環(huán)控制及系統(tǒng)性能補償計算；同時，實現(xiàn)永磁同步電機的正弦波調(diào)制控制，生成控制伺服電機的PWM信號。電機驅(qū)動器的核心是IGBT模塊及功率驅(qū)動電路。伺服控制驅(qū)動器與外部采用CAN總線通訊。兩個電氣通道之間采用422內(nèi)部總線通訊。

圖2 雙余度機電靜壓伺服機構(gòu)工作原理簡圖Fig.2 The schematic diagram of the dual redundancy EHA

圖3 伺服控制驅(qū)動器A通道工作原理簡圖Fig.3 The schematic diagram of the servo controller and driver of the channel A

圖4 雙余度機電靜壓伺服機構(gòu)圖Fig.4 The picture of the dual redundancy EHA

圖5 伺服電機泵設計圖Fig.5 The cross section of the servo motor driven pump

表1 雙余度機電靜壓伺服機構(gòu)基本設計參數(shù)表Table 1 The basic design parameters of the dual redundancy EHA

為消除作為核心部件的伺服電機泵及其電控部分的一度故障影響，系統(tǒng)采用如下的故障隔離與重構(gòu)方法:

1)正常工況下，通道A和通道B同時工作，兩個伺服電機泵各承擔作動器控制流量的1/2；

2)假設通道A故障，包含驅(qū)動器、伺服電機和液壓泵等可能的故障，電磁換向閥斷電，切斷液壓泵與作動器的液流通道，利用電磁換向閥的M型工位實現(xiàn)液壓泵的卸荷；

3)在電磁換向閥動作的同時，發(fā)信號給通道B，通道B的控制器改變控制律，將伺服電機泵的轉(zhuǎn)速提高一倍，保持液壓作動器位置閉環(huán)控制的性能不變，即實現(xiàn)一度故障容錯能力。

3 控制律重構(gòu)方法分析

控制律重構(gòu)是余度機電靜壓伺服機構(gòu)實現(xiàn)“一度故障容錯能力”的關(guān)鍵，由軟件實現(xiàn)。

因配置及其設計參數(shù)完全相同，忽略A、B兩個通道的差異，系統(tǒng)控制方框圖簡化表達如圖6。

位置回路的開環(huán)特性表達為:

其中，為方便表達，將位置閉環(huán)控制算法拆解為兩部分，即位置誤差比例增益Kp和表達為集中控制傳遞函數(shù)的位置特性補償算法Gb。將伺服電機動態(tài)特性表達為Gsm，作動器在負載下的動態(tài)特性表達為GL。此外，Dp是液壓泵的排量，A是液壓作動器的作用面積，Kn是等效的電機轉(zhuǎn)速系數(shù)，Kx是位移傳感器變換系數(shù)，均是常數(shù)，s則是拉普拉斯算子。

一個通道故障工況下，如果另外一個通道控制律不變，位置回路的開環(huán)增益則會降低一半，動態(tài)品質(zhì)將顯著變差。要保證系統(tǒng)的原有品質(zhì)，剩余一個通道的增益必須要增大?？刂坡芍貥?gòu)設計如下:一個通道故障時，剩余的正常通道將位置誤差比例增益加倍，由Kp增大至2Kp。從而保證系統(tǒng)特性不變。

可以看出，余度機電靜壓伺服機構(gòu)的控制律重構(gòu)技術(shù)途徑簡單明了，只需改變位置回路的位置誤差比例增益，而對位置回路的其它特性補償算法、伺服電機回路的的控制算法不需要采取任何措施，這充分顯示出機電靜壓伺服機構(gòu)的余度設計優(yōu)勢。

圖6 系統(tǒng)控制方框簡圖Fig.6 The block diagram of the control system

4 仿真分析及試驗驗證

搭建雙余度機電靜壓伺服機構(gòu)的AMESim仿真模型[10]，簡要表達如圖7。

以試驗樣機為試驗對象，搭建試驗系統(tǒng)，利用閥控液壓作動器加載，進行故障隔離與重構(gòu)模擬試驗，試驗現(xiàn)場如圖8。

為對比系統(tǒng)隔離與重構(gòu)前后的性能差異，設計試驗程序如下:

1)0 s起，通道A和通道B同時工作；

2)40 s時刻，模擬通道B故障，切換通道B的電磁換向閥，同時通道A位置誤差比例增益加倍；

3)80 s時刻，模擬通道B恢復，通道A和通道B同時工作；

4)120 s時刻，模擬通道A故障，切換通道A的電磁換向閥，同時通道B位置誤差比例增益加倍；

5)160 s時刻，模擬通道A恢復，通道A和通道B同時工作。

整個過程中，對作動器施加的位置信號為:

施加外負載力為:

截取40 s時模擬通道B故障時刻前后以及80 s時模擬通道B恢復工作時刻前后的位置、電機轉(zhuǎn)速、電機電流和作動器兩腔壓差的仿真與實測試驗曲線如圖9～圖12(通道A故障工況及恢復的曲線近似，不再給出)。

分析故障工況下的伺服機構(gòu)對指令信號的頻域響應如表2[12]。

圖7 雙余度機電靜壓伺服機構(gòu)AMESim仿真模型Fig.7 The AMESim simulation model of the dual redundancy EHA

圖8 雙余度機電靜壓伺服機構(gòu)試驗系統(tǒng)Fig.8 The experiment system for the dual redundancy EHA

圖9 作動器位置響應的仿真與實測試驗曲線Fig.9 The simulation and experiment curves of the actuator’s position responses

表2 位置響應曲線頻域分析結(jié)果Table 2 The frequency domain analysis result of the position responses

試驗數(shù)據(jù)分析表明:

1)系統(tǒng)的試驗曲線與仿真結(jié)果吻合，作動器在正常和故障工況下均能有效抵抗外負載干擾，穩(wěn)定跟隨指令信號動作；

2)一個通道故障時，剩余的正常通道的電機泵轉(zhuǎn)速加倍，輸出流量也因此加倍，作動器的控制流量能力不變，位置回路的幅頻和相頻特性保持了原有品質(zhì)；

3)系統(tǒng)還具備故障通道的快速恢復能力，兩個通道電機泵快速協(xié)同工作，位置控制特性不受影響。

分析認為，不同通道下的少許性能差異源于伺服電機泵的內(nèi)泄漏等個性。通道A單獨工作時，幅值比－0.26 dB稍優(yōu)于雙通道的－0.38 dB，相位滯后－55.4°也稍優(yōu)于雙通道的－59.3°。通道B單獨工作時，性能與雙泵相當。

因此，系統(tǒng)具備良好的一度故障容錯能力。

圖10 電機轉(zhuǎn)速仿真與實測試驗曲線Fig.10 The simulation and experiment curves of the motors’rotation speeds

圖11 電機q軸電流仿真與實測試驗曲線Fig.11 The simulation and experiment curves of the motors’q-axis currents

圖12 作動器兩腔壓差仿真與實測試驗曲線Fig.12 The simulation and experiment curves of the differential pressure for the actuator

5 結(jié)論

針對雙余度機電靜壓伺服機構(gòu)初步研究成果，總結(jié)如下:

1)液壓泵的流量輸出相加特性使得機電靜壓伺服機構(gòu)可以方便實現(xiàn)更高等級的余度設計，例如三余度或四余度，只需在液壓泵出口設置換向閥實現(xiàn)彼此的隔離。而對于采用滾珠絲杠傳動和齒輪減速器的機電伺服機構(gòu)，由于要通過齒輪機構(gòu)實現(xiàn)故障隔離與協(xié)調(diào)，更復雜，技術(shù)難度也更大。

2)機電靜壓伺服機構(gòu)余度設計優(yōu)勢還在于可方便實現(xiàn)大載荷和大功率輸出能力。本文中的樣機采用液壓作動器可以可靠實現(xiàn)300 kN的推力和近10 kW的功率輸出。其中，伺服電機泵雖然是新產(chǎn)品，但在部組件層級有良好的航天產(chǎn)品基礎(chǔ)，進一步改進可以可靠實現(xiàn)6000 rpm的轉(zhuǎn)速和21 MPa的負載壓力，單套對應功率可達到15 kW，單個液壓作動器配四套電機泵就可實現(xiàn)60 kW的功率輸出。相反，要開發(fā)60 kW的航天用伺服電機或液壓泵，難度和技術(shù)風險都很大。

3)對于我國未來更大推力的載人運載火箭需要的典型40 kW伺服功率而言，采用四余度設計可實現(xiàn)一度故障工況下的全功率能力、兩度故障工況下的75%功率能力、三度故障工況下的37.5%的功率能力。由于航天伺服控制的瞬時大功率、經(jīng)常性小功率功率譜特點以及伺服電機和液壓系統(tǒng)較強的短時過載能力，余度機電靜壓伺服機構(gòu)具備值得信賴的故障容錯能力。

4)相比傳統(tǒng)的閥控液壓伺服機構(gòu)，機電靜壓伺服機構(gòu)也具有結(jié)構(gòu)一體化設計的先天優(yōu)勢，可徹底消除獨立的液壓能源系統(tǒng)和外部液壓導管，密封可靠性顯著提高，使用維護方便性與機電伺服機構(gòu)接近。

5)本文開展的余度機電靜壓伺服機構(gòu)研究還在于初期階段，試驗樣機系統(tǒng)頻帶還很窄，結(jié)構(gòu)設計還不夠緊湊。國內(nèi)較大功率的快響應機電靜壓伺服機構(gòu)也有研究成果[13]，且液壓產(chǎn)品具備高集成結(jié)構(gòu)設計的天然優(yōu)勢，都有解決的工程基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語

作為近年來國外航空領(lǐng)域已取得充分發(fā)展的先進技術(shù)，機電靜壓伺服機構(gòu)(EHA)因其電力驅(qū)動、高可靠設計、大功率等特點，對我國載人航天運載火箭有較大的應用價值。本文通過雙余度機電靜壓伺服機構(gòu)原理性樣機設計和試驗研究，提出了故障隔離及重構(gòu)方法，表明系統(tǒng)具備良好的一度故障容錯性能，同樣技術(shù)可拓展應用至更高余度等級的設計。

（

）

[1]Garrison M，Davis M，Steffan S.Human-rated upper stage thrust vector control system architecture selection[C]//43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference＆Exhibit.July，2007:Cincinnati，OH.

[2]Vanthuyne T.An electrical thrust vector control system for the VEGA launcher[C]//Proceedings of 13th European Space Mechanisms and Tribology Symposium-ESMATS 2009’，Vienna，Austria 23-25 September 2009.

[3]曾廣商，趙守軍，張曉莎.我國載人運載火箭伺服機構(gòu)技術(shù)發(fā)展分析[J].載人航天，2013，19(4):3-10.Zeng Guangshang，Zhao Shoujun，Zhang Xiaosha.Technology development analysis of Chinese servo-mechanism for human-rated launch vehicles[J].Manned Spaceflight，2013，19 (4):3-10.(in Chinese)

[4]McCullough K R.Design and Characterization of a Dual Electro-Hydrostatic Actuator[D].Hamilton:McMaster University，2011.

[5]Navarro R.Performance of an electro-hydrostatic actuator on the F-18 systems research aircraft[R].NASA/TM-97-206224，1997.

[6]Cooper M A.Simulating Actuator Energy Demands of an Aircraft in Flight[D].Cranfield:Cranfield University，2014.

[7]Le Tron X.A380 Flight Controls Overview.DGLR.[2012].http://www.fzt.haw-hamburg.de/pers/Scholz/dglr/hh/text_2007_09_27_A380_Flight_Controls.pdf

[8]李軍，付永領(lǐng)，王占林.機載電靜液作動系統(tǒng)的發(fā)展 現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)研究[J].航空制造技術(shù)，2005(11):73-77.Li Jun，F(xiàn)u Yongling，Wang Zhanlin.Present development status and key technology research of airborne electro-hydrostatic actuation system[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2005(11):73-77.(in Chinese)

[9]曾廣商，沈為國，石立，等.高可靠三冗余伺服機構(gòu)系統(tǒng)[J].航天控制，2005，23(1):35-40.Zeng Guangshang，Shen Weiguo，Shi Li，et al.High-reliable triple redundancy servomechanism system[J].Aerospace Control，2005，23(1):35-40.(in Chinese)

[10]齊海濤，付永領(lǐng).基于AMESim的電動靜液作動器的仿真分析[J].機床與液壓，2007，35(3):184-186.Qi Haitao，F(xiàn)u Yongling.Simulation of electro-hydrostatic actuator based on AMESim[J].Machne Tool＆Hydraulics，2007，35(3):184-186.(in Chinese)

[11]陳恒.基于DSP的永磁同步電機控制系統(tǒng)的研究[D].南京:南京理工大學，2010.Chen Heng.Research of permanent magnet synchronous motor control system based on DSP[D].NanJing:Nanjing University of Science and Technology，2010.(in Chinese)

[12]趙守軍，許文波.基于虛擬測試的伺服系統(tǒng)頻率特性Matlab求解方法和應用[C]//第五屆全國流體傳動與控制學術(shù)會議暨2008年中國航空學會液壓與氣動學術(shù)會議，2008.Zhao Shoujun，Xu Wenbo.Virtual-testing-based Matlab Solution to frequency characteristics of servo systems and its applications[C]//The 5th Nation Academic Conference on Fluid Power Transmission and Control＆China Aviation Society Hydraulic and Pneumatic Conference，2008.(in Chinese)

[13]何俊，趙守軍，曲穎，等.一種高緊湊整體化機電靜壓伺服機構(gòu)研究[C]//中國航空學會航空機電、人體與環(huán)境工程學術(shù)會議，2013.He Jun，Zhao Shoujun，Qu Ying，et al.Study on a high compact and integrated electro-hydrostatic actuator[C]//2013 Conference on Aviation Electromechanical，Human and Environmental Engineering，China Society of Aeronautics and Aerospace，2013.(in Chinese)

Study on Fault Isolation and Reconfiguration for Dual Redundancy Electro-Hydrostatic Actuators

ZHAO Chun，ZHAO Shoujun，HE Jun，CHEN Peng，QU Ying
(Beijing Institute of Precision Mechatronics and Controls，Beijing 100076，China)

For highly reliable applications，a dual redundancy electro-hydrostatic actuator(EHA) was introduced，where a non-symmetrical hydraulic actuator and two sets of servo motor driven pump were integrated into a monolithic structure.A technical approach to isolate faults and reconfigurate the system was introduced and analyzed.Two-position-four-way directional solenoid valves having M type positions were used to isolate the fault channel and to unload the corresponding pump.A control law was reconstructed that the position error gain in the remaining normal channel was doubled.Theoretical analysis and experimental simulations were conducted.It shows that redundant Electro-Hydrostatic Actuators have the outstanding advantage for highly reliable designs and good fault tolerant performance，valuable to be applied to manned space launch vehicles.

electro-hydrostatic actuator；dual-redundant；fault isolation；reconfiguration；launch vehicle

V448.122

A

1674-5825(2015)03-0205-07

2015-03-17；

2015-04-14

趙春(1988－)，男，碩士研究生，研究方向為運載火箭推力矢量伺服控制技術(shù)。E-mail:zhao.c1988＠163.com