梁 東，楊金鵬，曹鑫磊，楊 濤

(中國航天空氣動力技術(shù)研究院，北京 100074)

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，無人機及其機載設(shè)備在性能逐步提升的同時，其成本也在快速上升，因此對無人機系統(tǒng)可靠性的要求也越來越高。舵控系統(tǒng)作為飛控作動系統(tǒng)的重要組成部分，是無人機系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，其安全性和可靠性直接關(guān)系到無人機系統(tǒng)的飛行安全。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在電機驅(qū)動系統(tǒng)中，大約有38%的故障是源于電機故障或功率開關(guān)器件損壞[1-3]，雙余度無刷直流電動機具有轉(zhuǎn)矩波動小、動態(tài)響應(yīng)快和可靠性高等優(yōu)點[4-5]，目前已逐漸成為電動舵機動力源的首選。近年來，西工大等高校提出一種永磁容錯電機的概念[6]，較雙余度無刷直流電動機的可靠性更高，繞組之間的耦合性更低，但存在電機線纜及功率器件過多的問題。因此，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種容錯雙余度電機，既提高了電機的可靠性，又減少了電纜及功率器件數(shù)量。

1 舵控系統(tǒng)總體方案設(shè)計

舵控系統(tǒng)由舵機控制器和舵機組成，本文的舵控系統(tǒng)總體方案如圖1所示。其中舵機由容錯雙余度電機、諧波減速器和位置傳感器(導(dǎo)電塑料電位器)組成；舵機控制器采用STM32F407作為主控芯片，為方便系統(tǒng)測試，舵機控制器的指令信號和反饋信號通信方式均包含模擬信號和CAN總線2種方式，F(xiàn)PGA模塊負責(zé)容錯雙余度電機的換相、故障診斷和故障隔離等功能，與主控芯片通過FSMC總線進行通訊，驅(qū)動模塊是針對容錯雙余度電機設(shè)計的具有故障檢測與隔離功能的驅(qū)動電路。

圖1 舵控系統(tǒng)總體方案

2 容錯雙余度電機及驅(qū)動電路設(shè)計

2.1 無刷直流電動機設(shè)計

常規(guī)的雙余度電機繞組配置及驅(qū)動電路如圖2所示。其中A，B，C相為一套繞組，D，E，F(xiàn)相為另一套繞組，且2套繞組相差30°電角度，2套繞組的霍爾傳感器也相差30°電角度。在使用中，如果A相繞組與E相繞組同時發(fā)生故障，剩余的4相繞組將不能可靠地完成電機驅(qū)動，且霍爾傳感器沒有相互備份功能。

圖2 雙余度電機繞組配置及驅(qū)動電路

針對常規(guī)雙余度電機的弊端，容錯電機的概念被提出，其繞組配置及驅(qū)動電路如圖3所示。A相與D相繞組，B相與E相繞組，C相與F相繞組分別同相位，采用該逆變器驅(qū)動電路，電機的繞組之間沒有電氣耦合，增加了系統(tǒng)的可靠性，但此種方案的功率驅(qū)動器件增加1倍，且電機的線纜也較雙余度電機多。

圖3 容錯電機繞組配置及驅(qū)動電路

本文提出的容錯雙余度繞組配置及驅(qū)動電路如圖4所示。A相與D相繞組，B相與E相繞組，C相與F相繞組分別同相位，霍爾傳感器也采用2套同相位的霍爾傳感器相互備份。因此，只有同相位的兩相繞組同時損壞時，電機才不能正常工作?？煽啃圆块T對該舵控系統(tǒng)進行了建模分析計算，對于200 h的任務(wù)可靠度，基于容錯雙余度電機的舵控系統(tǒng)可靠度為98.74%，比基于常規(guī)雙余度電機的舵控系統(tǒng)可靠度(96.68%)提高了2%。

圖4 容錯雙余度電機繞組配置及驅(qū)動電路

2.2 電機驅(qū)動電路設(shè)計

以A相為例，本文針對容錯雙余度電機設(shè)計的驅(qū)動電路原理如圖5所示。其中，P1為電磁繼電器，用于模擬H橋上橋斷路故障，U1為霍爾式電流傳感器，用于測量該相的電流，U2和U6構(gòu)成H型驅(qū)動橋，U3為NMOS管驅(qū)動芯片，COM1端用于H橋短路故障及繞組短路故障檢測，COM1～COM6均通過0.02 Ω電阻連接至COM端，COM端用于限流檢測及保護。常規(guī)的逆變橋驅(qū)動電路在功率開關(guān)器件發(fā)生故障時，會影響到該繞組的正常工作，因此，本文利用開關(guān)隔離電源實現(xiàn)功率開關(guān)芯片的浮動?xùn)艠O驅(qū)動，即U4，U5，U7和U8共同構(gòu)成H橋隔離電路，當(dāng)SWITCH為高阻信號時，U4和U5柵源極間電壓為12 V，A相通道打開；當(dāng)SWITCH=0時，電壓為0，U4和U5關(guān)閉A相通道。

圖5 驅(qū)動電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件控制策略

本文中舵控系統(tǒng)的技術(shù)難點在于針對容錯雙余度電機的控制、故障檢測與隔離，以及霍爾傳感器的故障檢測，因此在控制算法方面，采用了常見的抗飽和積分分離式PID控制策略[7]。在舵控系統(tǒng)中，一般僅控制位置環(huán)，但為保證舵控系統(tǒng)滿足起動電流的要求，增加了電流限幅功能。

4 故障分析與試驗結(jié)果

本文的舵控系統(tǒng)，以模擬信號為例，控制和反饋信號范圍均為±10 V，對應(yīng)運動范圍±30°，頻帶范圍為4 Hz。為充分驗證系統(tǒng)性能，利用Keysight信號發(fā)生器的任意波功能產(chǎn)生4 Hz的隨機信號作為指令信號，部分測試中增加了正弦波與階躍信號測試。利用電磁繼電器的通斷功能，研制了針對本舵控系統(tǒng)的故障模擬設(shè)備，對驅(qū)動電路及繞組可能出現(xiàn)的故障進行了模擬。

4.1 驅(qū)動電路H橋上橋斷路故障

以A相為例，當(dāng)圖5中H橋上橋發(fā)生斷路故障時，流過U1的電流為0。為減少該故障的誤判斷，根據(jù)霍爾信號判斷當(dāng)A相輸出PWM信號大于某一閾值時，若經(jīng)過一段時間，電流始終保持為0，則認為該相發(fā)生斷路故障，與A相同相位的D相PWM應(yīng)擴大2倍。經(jīng)實際測試發(fā)現(xiàn)，A相斷開時，對系統(tǒng)的性能影響較小，因此，為增加檢測故障的可靠性，增加了故障判斷的時間，降低了斷路故障檢測的實時性，試驗效果如圖6所示。

圖6 H橋上橋斷路故障(任意波)

4.2 驅(qū)動電路H橋下橋斷路故障

以A相為例，當(dāng)圖5中H橋下橋斷路時，經(jīng)過電機的驅(qū)動電流會自動經(jīng)過同相位的繞組，即D相繞組的驅(qū)動電路，系統(tǒng)性能基本不受影響，但可能會造成A相繞組無法實現(xiàn)續(xù)流，因此需在圖5的U6單獨并聯(lián)1個續(xù)流二極管D2。

4.3 驅(qū)動電路H橋短路故障

當(dāng)驅(qū)動電路H橋發(fā)生短路故障時，以A相為例，圖5則會存在A相上下橋同時導(dǎo)通的現(xiàn)象，COM1端的電壓瞬時可為電源電壓，因此COM1端電壓經(jīng)比較器、光耦隔離后，進入FPGA，結(jié)合霍爾傳感器信號和電流信號，即可在FPGA中判斷出H橋短路故障，從而控制SWITCH端進行故障隔離，并執(zhí)行PWM=0和SD=0等操作，試驗效果如圖7(a)所示。當(dāng)電機剛起動，速度較低時發(fā)生故障，則電機性能可能會略有影響，因此增加了正弦波指令信號的測試，試驗效果如圖7(b)所示，表明電機速度會有波動，但10 ms左右即可完成故障隔離。

(a) 任意波故障響應(yīng)圖

(b) 正弦波故障響應(yīng)圖

4.4 容錯雙余度電機單相繞組斷路故障

當(dāng)單相繞組斷路時，試驗現(xiàn)象和隔離技術(shù)與H橋上橋斷時相同，因此從控制上不再作區(qū)分。

4.5 容錯雙余度電機兩相繞組短路故障

當(dāng)發(fā)生兩相繞組短路故障時，以A，B相短路為例，當(dāng)輸入電流從B相流向A相時，COM1端上的電壓瞬時可以為電壓電源，根據(jù)霍爾傳感器信號和電流大小判斷出當(dāng)前為A，B相繞組短路，或A，E相繞組短路，此時需要根據(jù)B，E相的電流比較后，判斷是哪相出現(xiàn)問題。發(fā)生此類故障時，從驅(qū)動電路端是無法進行隔離的，因此會存在驅(qū)動能力下降，發(fā)熱等問題，故需將該故障及時上報飛控計算機，由飛控計算機及時采取其他措施。試驗效果如圖8所示。從階躍信號響應(yīng)圖可以看出，發(fā)生故障的后半段，曲線的斜率明顯下降，這是由于A，B相繞組短路后形成電流，阻礙電機運動，與理論分析結(jié)果相同。

(a) 任意波故障響應(yīng)圖

(b) 階躍信號故障響應(yīng)圖

5 結(jié) 語

本文在分析了常規(guī)雙余度電機及容錯電機繞組配置的基礎(chǔ)上，研究了容錯雙余度電機繞組配置結(jié)構(gòu)，并針對該電機進行相應(yīng)的驅(qū)動電路設(shè)計。文中詳細分析了電機及驅(qū)動電路故障的種類、現(xiàn)象、檢測和隔離方法，研制了針對該舵控系統(tǒng)的故障模擬設(shè)備，并對可能產(chǎn)生的故障進行了模擬。詳細記錄并分析了試驗結(jié)果，結(jié)果表明基于容錯雙余度電機設(shè)計的舵控系統(tǒng)能夠滿足使用要求，并進一步提高了舵控系統(tǒng)的可靠性。