楊建忠，楊珍書，孫曉哲

(中國(guó)民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300)

0 引 言

隨著多電飛機(jī)的發(fā)展與電傳飛控技術(shù)的成熟，電力作動(dòng)系統(tǒng)以其高可靠性、無(wú)污染、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，已作為多電飛機(jī)作動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，成為新型作動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向[1]。其中，機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱EMA)作為功率電傳的典型特征之一，逐漸取代液壓作動(dòng)系統(tǒng)，已在新型民用客機(jī)的飛控作動(dòng)系統(tǒng)中得到應(yīng)用[2]。例如波音787和空客380已將EMA應(yīng)用于水平安定面配平作動(dòng)和擾流板作動(dòng)。然而，目前在役民機(jī)仍以液壓作動(dòng)系統(tǒng)為主要作動(dòng)形式，因此，EMA尚未有足夠長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間與足夠大的數(shù)據(jù)積累以得到可靠的故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

中國(guó)民航規(guī)章CCAR 25.671(c)條款規(guī)定，必須用分析、試驗(yàn)或兩者兼用來(lái)表明，在正常飛行包線內(nèi)發(fā)生飛行操縱系統(tǒng)故障后，不需要特殊的駕駛技巧或體力，飛機(jī)仍能繼續(xù)安全飛行與著陸。EMA作為飛行操縱系統(tǒng)的安全-關(guān)鍵部件，對(duì)其進(jìn)行故障模式及影響的研究十分必要[3-5]。

當(dāng)前EMA故障影響及故障特征來(lái)源于工業(yè)技術(shù)報(bào)告、軍方報(bào)告的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，關(guān)于EMA的故障機(jī)理和故障影響分析仍鮮有文獻(xiàn)開展系統(tǒng)研究[6-8]。

本文基于EMA故障機(jī)理分析，選取典型的故障模式，通過故障仿真分析該種故障模式對(duì)EMA的故障影響。提出基于快速傅里葉變換的故障檢測(cè)方法，提取故障特征，為EMA故障檢測(cè)提供理論支持。

1 典型故障模式選取

1.1 EMA故障模式梳理

EMA集電磁機(jī)構(gòu)、傳感器、電力電子線路多種部件為一體，其可能出現(xiàn)的故障模式復(fù)雜且各不相同。基于EMA的架構(gòu)和工作原理，對(duì)其故障模式進(jìn)行分析與整理，按照功能實(shí)現(xiàn)的分類原則將EMA的故障模式分為電子控制裝置故障、驅(qū)動(dòng)器故障、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)故障、機(jī)械傳動(dòng)故障和傳感器故障5個(gè)模塊，且故障特征的選取準(zhǔn)則如下：

(1)故障特征之間差別大，但是特征樣本之間的差別小；

(2)故障特征對(duì)外界環(huán)境變量如噪聲、系統(tǒng)誤差等相對(duì)不敏感；

(3)故障特征與EMA其他故障模式的故障特征不關(guān)聯(lián)。

根據(jù)CCAR 25.671(c)的要求，基于EMA故障機(jī)理進(jìn)行分析，并考慮若不及時(shí)糾正與診斷就會(huì)發(fā)展成為失效情況[9]，對(duì)EMA的故障模式整理與歸納如表1所示。

表1 EMA傳統(tǒng)故障模式

1.2 非指令信號(hào)

表1中的故障模式并未考慮到電子飛行控制系統(tǒng)和EMA的新穎獨(dú)特設(shè)計(jì)特征，而這也是適航審查的難點(diǎn)與關(guān)注重點(diǎn)，應(yīng)對(duì)其新穎的故障模式及故障影響進(jìn)行研究。

經(jīng)驗(yàn)表明，能夠?qū)﹄娮泳€路中傳輸信號(hào)產(chǎn)生干擾并修改指令信號(hào)的主要干擾有[10]：有害的瞬變、異步微處理器對(duì)信號(hào)的處理、傳輸延遲的有害影響、傳感器噪聲、不可靠的傳感器信號(hào)、失真效應(yīng)、電磁效應(yīng)等?；趯?duì)非指令信號(hào)故障機(jī)理分析，EMA非指令信號(hào)的產(chǎn)生位置及形式如表2所示。

表2 EMA非指令信號(hào)的產(chǎn)生位置與形式

以上綜合考慮CCAR 25.671和專用條件指令信號(hào)完整性的要求，對(duì)EMA的故障模式進(jìn)行梳理。

綜上可得EMA典型故障模式如表3所示?；谶x取的典型故障模式，建立故障模型并進(jìn)行故障仿真。

表3 EMA典型故障模式

2 故障仿真

圖1為EMA故障模型仿真框圖。它主要由控制器、逆變模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)本體、機(jī)械傳動(dòng)模塊等組成，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算模塊采用分段線性化的方法，電流閉環(huán)采用PWM控制。

圖1 EMA故障模型仿真框圖

對(duì)表3中的故障模式進(jìn)行故障建模與仿真。采用S函數(shù)表述電機(jī)繞組短路、軸承卡阻等故障發(fā)生時(shí)系統(tǒng)參數(shù)的變化；考慮非指令信號(hào)為“液態(tài)”非指令信號(hào)[11]，即為正常信號(hào)與干擾信號(hào)的疊加，其故障注入原理圖如圖2所示。

圖2非指令信號(hào)故障注入原理圖

2.1 繞組匝間短路故障

已知應(yīng)用于民用客機(jī)水平安定面的EMA驅(qū)動(dòng)舵面作動(dòng)時(shí)，最高配平速度為6.98×10-3rad/s，舵面最大軸向載荷為4 000 N，所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩峰值為3.2 N·m，因此EMA輸入舵偏指令為斜率k1=0.06斜坡信號(hào)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩2.2 N·m。故障百分比Sa設(shè)為0.8，系統(tǒng)運(yùn)行1 s時(shí)A相繞組發(fā)生匝間短路故障，故障時(shí)刻系統(tǒng)響應(yīng)如圖3所示。

由圖3可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速約0.12 s達(dá)到穩(wěn)定，響應(yīng)迅速；作動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，輸出舵偏平穩(wěn)且能精確跟蹤指令信號(hào)，三相電流相差120°相位，輸出電磁轉(zhuǎn)矩在2.2 N·m附近波動(dòng)。

(a) 電機(jī)相電流

(b) 輸出轉(zhuǎn)矩

(c) 電機(jī)角轉(zhuǎn)速

(d) 舵偏輸出

A相繞組發(fā)生匝間短路故障后，三相電流相位仍能正常切換，但短路相電流幅值增大，電流波形受電感影響發(fā)生畸變，輸出轉(zhuǎn)矩受短路環(huán)流影響發(fā)生劇烈脈動(dòng)。由于閉環(huán)調(diào)節(jié)作用，輸出舵偏基本不受影響。若在此故障模式下持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，三相不均衡電流可能導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部溫升，影響電機(jī)作動(dòng)性能，帶來(lái)不必要的軸承磨損甚至燒毀電路，為EMA帶來(lái)更嚴(yán)峻的故障影響。相比舵偏輸出值，驅(qū)動(dòng)電機(jī)三相電流響應(yīng)迅速，故障特征明顯，更應(yīng)將其作為匝間短路的故障特征。

2.2 電機(jī)軸承卡阻故障

(a) 輸出電磁轉(zhuǎn)矩

(b) 電機(jī)轉(zhuǎn)速

(c) 舵偏輸出

2.3 載荷路徑間隙過大

由于載荷路徑間隙過大僅在系統(tǒng)反向作動(dòng)時(shí)產(chǎn)生故障影響，因此EMA輸入舵偏指令為幅值0.6 rad、周期2 s的正弦信號(hào)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩2.2 N·m，系統(tǒng)運(yùn)行1 s時(shí)載荷傳遞路徑出現(xiàn)間隙過大故障，故障時(shí)刻系統(tǒng)響應(yīng)如圖5所示。

(a) 輸出電磁轉(zhuǎn)矩

(b) 電機(jī)轉(zhuǎn)速

(c) 舵偏輸出

由圖5可知，在系統(tǒng)反向動(dòng)態(tài)作動(dòng)過程中，由于過大的間隙干擾，輸出舵偏不能精確跟蹤指令信號(hào)，控制器試圖通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷減小誤差，由此帶來(lái)輸出轉(zhuǎn)矩振蕩。在反向作動(dòng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中，間隙過大且干擾不斷累積，導(dǎo)致輸出舵偏產(chǎn)生大的誤差，直到反向作動(dòng)完成，跟蹤性能存在0.7 s延遲。

2.4 傳感器輸出信號(hào)噪聲

EMA輸入舵偏指令為斜率k1=0.06斜坡信號(hào)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩2.2 N·m，系統(tǒng)運(yùn)行1 s時(shí)傳感器疊加高斯噪聲干擾，故障時(shí)刻系統(tǒng)響應(yīng)如圖6所示。

(a) 輸出電磁轉(zhuǎn)矩

(b) 電機(jī)轉(zhuǎn)速

(c) 舵偏輸出

由圖6可知，位置傳感器輸出信號(hào)疊加噪聲干擾后，由于控制器閉環(huán)作用，系統(tǒng)誤差信號(hào)被放大且隨噪聲信號(hào)波動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩與輸出舵偏受到錯(cuò)誤的誤差信號(hào)調(diào)節(jié)產(chǎn)生噪聲波動(dòng)。輸出舵偏波動(dòng)易造成舵面振蕩失效，影響舵面配平并對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)造成衍生影響。

2.5 控制器輸出信號(hào)噪聲

EMA輸入舵偏指令為斜率k1=0.06斜坡信號(hào)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩2.2 N·m，系統(tǒng)運(yùn)行1 s時(shí)控制器疊加高斯噪聲干擾，故障時(shí)刻系統(tǒng)響應(yīng)如圖7所示。

(a) 輸出電磁轉(zhuǎn)矩

(b) 電機(jī)轉(zhuǎn)速

(c) 舵偏輸出

由圖7可知，控制器輸出信號(hào)疊加噪聲干擾后，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)部分產(chǎn)生噪聲干擾。由于控制器閉環(huán)作用，調(diào)節(jié)輸出舵偏跟蹤指令信號(hào)，減小誤差，輸出舵偏基本不受影響。相比舵偏輸出值，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩故障特征明顯，更應(yīng)將其作為控制器噪聲信號(hào)干擾的故障特征。

通過以上故障仿真及影響分析可知，EMA各個(gè)部件發(fā)生典型故障后，雖會(huì)造成輸出電磁轉(zhuǎn)矩振蕩、電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，但系統(tǒng)仍能夠帶故障運(yùn)行，且某些故障(驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組短路、控制器產(chǎn)生噪聲非指令信號(hào))基本不影響舵偏輸出。雖然故障時(shí)刻舵偏輸出受故障影響較小，但此時(shí)系統(tǒng)作動(dòng)性能變差，若不能根據(jù)有效的故障特征進(jìn)行準(zhǔn)確及時(shí)判斷，故障的衍生影響將進(jìn)一步惡化系統(tǒng)性能，導(dǎo)致不可接受的故障響應(yīng)。

3 故障檢測(cè)方法

通過分析故障模式的原始故障信號(hào)不能夠提取故障特征，因此，需要通過必要的時(shí)域分析、頻域分析或者時(shí)頻域分析提取故障特征。時(shí)域分析包括時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析、高階統(tǒng)計(jì)量和短脈沖等方法，該種方法僅能夠?qū)ο到y(tǒng)的故障特征及表現(xiàn)進(jìn)行基本的描述與分析。時(shí)頻域分析方法包括小波變換、短時(shí)傅里葉變換等，該方法從濾波器組結(jié)構(gòu)中尋找故障信號(hào)的主頻帶，能夠從干擾噪聲信號(hào)中精確提取故障特征。頻域故障特征分析方法包括高階頻譜分析、包絡(luò)分析、快速傅里葉變換等，該種分析方法能夠有效地從故障信息中提取重要故障特征[12]。其中，快速傅里葉變換(FFT)分析能夠提取時(shí)域分析中隱藏的重要信息[13]，且理論成熟適用范圍廣，基于頻域分析，總諧波失真值(THD)能夠體現(xiàn)系統(tǒng)的故障特征[14]，因此FFT方法成為有效的故障特征提取方法?；诠收戏抡婺Ｐ停肍FT技術(shù)方法，通過分析EMA輸出電磁轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子電流的諧波，提取故障特征，為故障定位與檢測(cè)提供理論基礎(chǔ)。

當(dāng)EMA發(fā)生匝間繞組短路故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)A相電流、輸出電磁轉(zhuǎn)矩的頻譜特性規(guī)律基本不變，但其諧波幅度隨短路故障程度增加而減小，如圖8～圖10所示。

(a) A相相電流FFT分析

(b) 輸出轉(zhuǎn)矩FFT分析

(a) A相相電流FFT分析

(b) 輸出轉(zhuǎn)矩FFT分析

(a) A相相電流FFT分析

(b) 輸出轉(zhuǎn)矩FFT分析

因此，發(fā)生同一故障時(shí)，A相電流、電磁轉(zhuǎn)矩頻譜特性規(guī)律基本不變，但THD值隨故障嚴(yán)重程度的增加而增大，如表4所示。

表4 A相電流與電磁轉(zhuǎn)矩的THD值

由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的故障信號(hào)存在調(diào)制現(xiàn)象，系統(tǒng)軸承輸出信號(hào)中存在噪聲干擾，通過FFT分析直接觀察其故障頻率的分量可能無(wú)法正確檢測(cè)到相應(yīng)故障。Hilbert-Huang Transform (HHT)和Spectral Kurtosis (SK)僅在故障信號(hào)標(biāo)定的頻帶進(jìn)行故障特征分析，雖能夠降低由于噪聲帶來(lái)的干擾，但是由于濾波器的限制，這些方法所確定故障信號(hào)的主頻帶可能不與故障頻帶匹配，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。因此，EMA多種故障模式及噪聲干擾對(duì)其故障的檢測(cè)有一定難度。文獻(xiàn)[15]采用模擬退火和譜峰度的綜合方法對(duì)最佳頻段進(jìn)行定位，這種方法通過模擬退火使頻譜峰度最大化來(lái)實(shí)現(xiàn)頻帶優(yōu)化，進(jìn)而解決局部單一故障因調(diào)制與干擾不易被檢測(cè)的問題。FFT分析方法成熟，為能夠減小信號(hào)調(diào)制及噪聲對(duì)FFT分析結(jié)論的干擾，以此準(zhǔn)確提取故障特征，明確多種故障模式及其影響之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，本文以電機(jī)軸承卡阻(圖11)、載荷路徑間隙過大(圖12)、傳感器信號(hào)干擾故障(圖13)、控制器信號(hào)干擾故障(圖14)為例，分別對(duì)EMA典型故障模式進(jìn)行FFT分析，對(duì)比不同故障模式下故障特征的差異，總結(jié)規(guī)律性結(jié)論如表5所示，能夠?qū)Χ喾N故障模式進(jìn)行準(zhǔn)確的故障特征提取。

(a) A相相電流FFT分析

(b) 輸出轉(zhuǎn)矩FFT分析

(a) A相相電流FFT分析

(b) 輸出轉(zhuǎn)矩FFT分析

(a) A相相電流FFT分析

(b) 輸出轉(zhuǎn)矩FFT分析

(a) A相相電流FFT分析

(b) 輸出轉(zhuǎn)矩FFT分析

由表5可知，不同故障模式導(dǎo)致的A相電流、輸出轉(zhuǎn)矩頻譜特性的變化規(guī)律各不相同，通過總結(jié)分析可以得出以下規(guī)律：

EMA發(fā)生機(jī)械故障(軸承卡阻、載荷路徑間隙過大)相較電氣電子故障(表中其它故障)，A相電流諧波幅度變化大，THD值約為電氣電子故障的7倍。因此，A相電流THD值能夠作為基本的故障特征以判斷發(fā)生的故障為機(jī)械或電氣電子類型。

表5 各故障模A相電流與電磁轉(zhuǎn)矩FFT分析

當(dāng)機(jī)械故障引起的A相電流THD值變化基本相同時(shí)，分析輸出轉(zhuǎn)矩THD值的變化規(guī)律。電機(jī)軸承卡阻時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩THD值約為載荷路徑間隙過大時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩THD值的4倍。同理，在電氣電子部分故障中，傳感器信號(hào)噪聲干擾故障時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩THD值約為控制器信號(hào)噪聲干擾故障的9倍。因此，輸出轉(zhuǎn)矩THD值能夠作為另一故障特征，區(qū)分同類故障(機(jī)械或電氣電子)中不同的故障模式。

除THD值作為故障特征之外，電流及輸出轉(zhuǎn)矩的頻譜特性可輔助確定導(dǎo)致故障發(fā)生的故障模式。例如，電機(jī)軸承發(fā)生卡阻故障時(shí)，A相電流頻譜分布規(guī)律同正常狀態(tài)，但其輸出轉(zhuǎn)矩頻譜分布規(guī)律恰與正常狀態(tài)相反；控制器輸出信號(hào)產(chǎn)生干擾故障時(shí)，除輸出轉(zhuǎn)矩低頻率諧波增大一倍外，相電流、輸出轉(zhuǎn)矩頻譜分布規(guī)律基本同正常狀態(tài)。

根據(jù)上述分析可知：

(1)同一故障模式下，相電流和輸出轉(zhuǎn)矩的THD值隨故障嚴(yán)重程度的增加而增大。

(2)相電流THD值作為故障特征判斷故障發(fā)生的類型：傳遞路徑機(jī)械故障時(shí)相電流THD值約為電信號(hào)故障的7倍；輸出轉(zhuǎn)矩THD值作為另一故障特征判斷同類故障中不同故障模式：傳感器非指令信號(hào)故障時(shí)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩THD值約為控制器非指令信號(hào)故障的9倍。

(3)除THD值作為故障特征之外，不同故障模式下電流及輸出轉(zhuǎn)矩的頻譜特征可協(xié)助確定故障模式。

由此，確定系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)相電流、輸出轉(zhuǎn)矩為故障特征，定義諧波失真的變化閾值，建立故障判斷條件，作為故障檢測(cè)的推理規(guī)則。

4 結(jié) 語(yǔ)

EMA是機(jī)電一體化的復(fù)雜系統(tǒng)，故障模式不明確，本文基于EMA的工作原理與故障機(jī)理，梳理出典型的故障模式并歸類，通過模型仿真分析EMA系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的故障響應(yīng)及變化。并提出將FFT分析方法應(yīng)用于故障特征提取，將系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)相電流、輸出轉(zhuǎn)矩的THD值作為重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過FFT分析與THD值的比較，能夠獲取顯著的故障特征與變化閾值，為帶故障運(yùn)行的在線檢測(cè)與診斷提供理論基礎(chǔ)。

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