徐佳甄軻

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院廣漢分院，四川 廣漢 618300）

0 引言

機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)是位置伺服控制的一種系統(tǒng)的稱呼，它通過直接控制系統(tǒng)中電機(jī)或其他電器的運(yùn)行，間接或直接得控制負(fù)載作動(dòng)，以達(dá)到對(duì)控制目標(biāo)位置伺服控制的效果。安全是民航業(yè)永恒的主題，響應(yīng)速度、控制精度、抗干擾能力是飛行控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的三大指標(biāo)。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)要求控制準(zhǔn)確、響應(yīng)及時(shí)，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

本文對(duì)民機(jī)機(jī)載設(shè)備襟翼控制系統(tǒng)機(jī)電作動(dòng)器的余度管理進(jìn)行設(shè)計(jì)，目的是使襟翼系統(tǒng)達(dá)到更高的安全可靠性。對(duì)于可靠性指標(biāo)要求較高的襟翼控制系統(tǒng)，如果只是單純提高零部件的性能，系統(tǒng)容錯(cuò)效果并不是最理想的。余度設(shè)計(jì)是為了確保安全而考慮的一種手段，也是機(jī)載設(shè)備常用的調(diào)節(jié)控制方式。通過多個(gè)部件或多個(gè)通道直接提升系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，在不改變?cè)悴考阅艿幕A(chǔ)上提升系統(tǒng)的整體可靠性。復(fù)合式機(jī)電作動(dòng)器也存在力矩不均衡這個(gè)不可避免的弊端，其對(duì)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大的不良影響，通過對(duì)襟翼機(jī)電作動(dòng)器力矩紛爭(zhēng)的問題進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種電流補(bǔ)償反饋的控制系統(tǒng)，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)中易出現(xiàn)的力矩不均衡的問題。

1 余度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和管理

飛機(jī)襟翼收放系統(tǒng)的功能是控制襟翼的收放達(dá)到命令的位置，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，盡可能縮短飛機(jī)起飛和著陸時(shí)的飛機(jī)滑跑距離。隨著現(xiàn)代飛機(jī)外形尺寸增加以及飛機(jī)性能的不斷提升，飛機(jī)的旅客容量不斷增加，這對(duì)飛機(jī)的穩(wěn)定性及安全性提出了更高的要求。為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的各種姿態(tài)變換，飛機(jī)上存在許多運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)件，比如飛機(jī)操縱舵面（如方向舵、升降舵、襟翼、副翼）、起落架以及收放系統(tǒng)等，這些結(jié)構(gòu)必然參與到每一次飛行起落，這些結(jié)構(gòu)件是否安全可靠，直接關(guān)系到飛機(jī)是否能夠正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)正確的操作。冗余管理的目的是管理系統(tǒng)冗余資源，使冗余計(jì)算機(jī)能夠協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容錯(cuò)，提高系統(tǒng)的安全性和可用性。

復(fù)合式機(jī)電作動(dòng)器系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是兩部雙重繞組無刷直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，重要的結(jié)構(gòu)組成部分是滾珠絲杠和雙余度齒輪機(jī)構(gòu)等，這些零部件整體由驅(qū)動(dòng)電路串為一個(gè)系統(tǒng)。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上來看，無刷直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)是采用雙重獨(dú)立的定子繞組，也就是電機(jī)的兩套繞組獨(dú)立工作，它們的驅(qū)動(dòng)電路也是獨(dú)立的功率可能不同，從整體來看一個(gè)電機(jī)形成了兩條相對(duì)獨(dú)立的電氣通道。系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)通道中的電流，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行裁定，從而能夠及時(shí)切換通道以隔離有故障或失效的通道。雙余度減速齒輪采用的結(jié)構(gòu)方式為力矩綜合結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上來講兩臺(tái)雙余度電機(jī)之間通過一個(gè)連接機(jī)構(gòu)“雙軸輸入”來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)力矩平衡綜合，采用力矩綜合系統(tǒng)輸出力矩為兩臺(tái)雙余度電機(jī)輸出力矩的求和，由系統(tǒng)的單軸輸出帶動(dòng)滾珠絲杠最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的曲線轉(zhuǎn)變直線活動(dòng)，驅(qū)動(dòng)操縱面來完成指令。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)置有電磁離合器設(shè)備，它相當(dāng)于系統(tǒng)的保護(hù)協(xié)調(diào)裝置，若系統(tǒng)中任何一個(gè)電機(jī)的所有通道均失效的情況下，該失效電機(jī)會(huì)自動(dòng)被電磁離合器隔離，對(duì)應(yīng)的兩個(gè)電氣通道關(guān)閉。

系統(tǒng)還設(shè)置有位置速度傳感器裝置，目的是讓電機(jī)電氣通道模式轉(zhuǎn)換及換相控制提供電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置跟蹤信號(hào)，同時(shí)完成電機(jī)轉(zhuǎn)速的跟蹤。在滾珠絲杠設(shè)直線位移傳感器，可以測(cè)量直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)位置，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確位置控制。

本文主要研究襟翼控制系統(tǒng)，襟翼控制系統(tǒng)的余度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從兩方面入手分析，即電傳系統(tǒng)和機(jī)械控制系統(tǒng)。首先是電傳控制部分，因?yàn)樵撓到y(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電路、襟翼電機(jī)、控制器及有關(guān)傳感器組成，其中任意一個(gè)電氣元件故障或失效都會(huì)導(dǎo)致整套控制系統(tǒng)失效。因此對(duì)無刷直流電機(jī)本體結(jié)構(gòu)及其控制電路的電氣余度設(shè)計(jì)是非常有必要的。其次是襟翼控制系統(tǒng)機(jī)械控制部分主要包含齒輪機(jī)構(gòu)和滾珠絲杠轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，無刷直流電機(jī)是唯一的動(dòng)力元件，從系統(tǒng)運(yùn)行整體來看，只要驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障，所控制的系統(tǒng)會(huì)立刻缺失動(dòng)力從而系統(tǒng)無法按照指令實(shí)現(xiàn)飛行操作偏轉(zhuǎn)指令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在系統(tǒng)中非常關(guān)鍵，所以從增加驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)量的角度布置余度機(jī)構(gòu)形式。該余度機(jī)構(gòu)與電氣控制余度設(shè)計(jì)思路一起形成復(fù)合式的機(jī)電作動(dòng)控制器的概念。該復(fù)合式機(jī)電作動(dòng)器系統(tǒng)為“電機(jī)雙通道、電氣四通道”形式，兩套襟翼電機(jī)采用并行運(yùn)動(dòng)模式，每臺(tái)電機(jī)采用兩個(gè)電氣通道，主/副電氣通道模式。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，每個(gè)運(yùn)行電機(jī)僅有一個(gè)電氣通道有效，另一個(gè)電氣通道處于待用的備份狀態(tài)。

令兩個(gè)無刷直流電機(jī)為A、B電機(jī)，A電機(jī)的兩個(gè)電氣通道為A、A通道，B電機(jī)的兩個(gè)電氣通道為B、B通道。復(fù)合式機(jī)電作動(dòng)器系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)組成來看由2個(gè)電機(jī)通道組成，每個(gè)電機(jī)通道又單獨(dú)負(fù)責(zé)2個(gè)電氣通道。從運(yùn)行模式來看，組成電機(jī)間采用并行運(yùn)行模式，電機(jī)控制的兩個(gè)電氣通道獨(dú)立運(yùn)行，采取的運(yùn)行模式為“主/副”模式工作。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)參加工作，兩臺(tái)電機(jī)的主電氣通道工作，副電氣通道處于備份的狀態(tài)。就電機(jī)A而言，A即作為主電氣通道運(yùn)行，而A作為副通道處于備份工作模式；對(duì)于電機(jī)B，B即作為主電氣通道運(yùn)行，而B作為副通道處于備份工作模式。

按照電氣通道故障數(shù)量，復(fù)合式機(jī)電作動(dòng)器可分為四種工作模式。

（1）零故障模式，即正常工作模式：當(dāng)襟翼控制系統(tǒng)正常工作時(shí)，A、B電機(jī)正常工作，A、B電氣通道正常進(jìn)行工作，A、B處于備用工作狀態(tài)，每臺(tái)電機(jī)各承擔(dān)一半的輸出轉(zhuǎn)矩和功率。

（2）單故障模式：此時(shí)系統(tǒng)中僅有一臺(tái)電機(jī)負(fù)責(zé)的主通道失效，系統(tǒng)會(huì)利用隔離驅(qū)動(dòng)電路將發(fā)生故障或失效的通道隔離，備用通道接替主通道進(jìn)行工作，系統(tǒng)正常運(yùn)行，此時(shí)每臺(tái)電機(jī)同樣承受輸出轉(zhuǎn)矩和功率的1/2。

（3）雙故障模式，這種模式分有兩為情況，情況一：兩個(gè)電機(jī)的兩個(gè)主通道分布故障，隔離電路工作后，兩個(gè)電機(jī)系統(tǒng)分別由各自的備用通道進(jìn)行工作，系統(tǒng)仍可以正常工作，每臺(tái)電機(jī)同樣承受輸出轉(zhuǎn)矩和功率的1/2。情況二：任意一部電機(jī)負(fù)責(zé)的主/副電氣通道都出現(xiàn)故障，此時(shí)該電機(jī)喪失了控制作用，系統(tǒng)主動(dòng)利用電磁離合器裝置將故障電機(jī)全部隔離，故障電機(jī)負(fù)責(zé)的兩個(gè)電氣通道全部關(guān)閉；同時(shí)系統(tǒng)另一部電機(jī)負(fù)責(zé)的兩個(gè)電氣通道一起進(jìn)行工作，持續(xù)保障系統(tǒng)輸出，系統(tǒng)仍然能夠正常工作，該套系統(tǒng)承受全部的轉(zhuǎn)矩和功率。

（4）三故障模式：該模式出現(xiàn)的可能性較小。當(dāng)兩臺(tái)電機(jī)的所有電氣通道中只剩下一套通道能夠正常工作時(shí)，其余通道全部失效，系統(tǒng)輸出僅為1個(gè)電氣通道的輸出，此時(shí)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率過小將無法滿足需求，系統(tǒng)失效。

當(dāng)系統(tǒng)中存在雙故障模式時(shí)，仍然能夠正常工作，而出現(xiàn)雙故障模式的概率也是相對(duì)較低的，可以看出系統(tǒng)的可靠性較高。

2 力矩不均衡問題研究

由于上述幾種工作模式的存在，除了雙故障模式情況二之外復(fù)合式機(jī)電作動(dòng)器也存在力矩不均衡這個(gè)不可避免的弊端。力矩紛爭(zhēng)會(huì)造成互相關(guān)聯(lián)的齒輪力矩綜合裝置互相干涉，使齒輪產(chǎn)生局部疲勞現(xiàn)象，這會(huì)大大降低機(jī)電作動(dòng)器的使用時(shí)長(zhǎng)；同時(shí)力矩紛爭(zhēng)會(huì)影響機(jī)電作動(dòng)器的輸出精度，降低系統(tǒng)的工作效率，影響襟翼控制系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)指令的執(zhí)行質(zhì)量。因此必須解決力矩紛爭(zhēng)的問題。

系統(tǒng)左右襟翼分別由兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)。兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置通過軟軸連接，正常工作時(shí)，襟翼控制器發(fā)出同步控制指令，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置，分別帶動(dòng)左右襟翼同步運(yùn)行；當(dāng)一側(cè)襟翼操縱面的電機(jī)或減速機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障，故障一側(cè)的襟翼操作面不制動(dòng)，而另一側(cè)驅(qū)動(dòng)裝置通過電機(jī)軸上的制動(dòng)器使兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置同時(shí)制動(dòng)，保持當(dāng)前角度，保證系統(tǒng)的安全性。

要解決力矩紛爭(zhēng)問題，可以從三個(gè)方面入手。首先，可以考慮提高零部件的制造精度，這種方法使兩個(gè)電機(jī)系統(tǒng)部件盡量完全一致，減少了兩個(gè)控制通道的客觀差異性，但同時(shí)也會(huì)增加制造成本，并未從根本上解決問題；其次，可以考慮增加綜合裝置整體包容不同力矩?cái)?shù)值的能力，如從系統(tǒng)輸入軸材質(zhì)的角度考慮，可以采取更加柔韌的輸入軸，但當(dāng)系統(tǒng)在雙故障模式的情況二等單電機(jī)工作時(shí)，輸入軸過高會(huì)造成電機(jī)齒輪承載力不均，加速磨損，這種方法也不能徹底解決力矩紛爭(zhēng)的問題。最后，從控制角度出發(fā)，試圖對(duì)通道誤差進(jìn)行識(shí)別和補(bǔ)償，在系統(tǒng)中設(shè)置檢測(cè)裝置，由控制檢測(cè)設(shè)備對(duì)系統(tǒng)中不同通道存在的差異進(jìn)行具體的實(shí)時(shí)檢測(cè)比較，再將結(jié)果用反饋信號(hào)的形式傳遞給控制系統(tǒng)，系統(tǒng)不斷進(jìn)行修正補(bǔ)償降低差異，使綜合系統(tǒng)盡快達(dá)到理想的狀態(tài)。這種方式將力矩不均衡控制在可接受的范圍內(nèi)，是解決力矩紛爭(zhēng)的有效辦法。

還考慮另外兩種機(jī)械余度控制結(jié)構(gòu)，即采用機(jī)械運(yùn)動(dòng)合成的差動(dòng)周轉(zhuǎn)齒輪或者諧波齒輪機(jī)構(gòu)，但由于其設(shè)計(jì)難度太大，制造復(fù)雜且成本高昂，而且對(duì)系統(tǒng)零部件的加工精細(xì)度要求也很高，還有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的特點(diǎn)，差動(dòng)周轉(zhuǎn)齒輪或者諧波齒輪機(jī)構(gòu)有降低系統(tǒng)穩(wěn)定品質(zhì)的可能性。因此綜合以上，從控制角度出發(fā)，本文利用均衡控制技術(shù)，展開了對(duì)復(fù)合式機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)力矩紛爭(zhēng)解決方法的研究。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在民機(jī)完成飛行任務(wù)時(shí)，襟翼力矩紛爭(zhēng)問題的嚴(yán)重程度由兩個(gè)電機(jī)通道輸出轉(zhuǎn)矩之間的誤差值大小來判斷。差值越大，問題越大。課題所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)目標(biāo)之一便是控制兩通道間的輸出轉(zhuǎn)矩誤差，使差值穩(wěn)定在合適的區(qū)間內(nèi)。但是由于客觀原因輸出轉(zhuǎn)矩?zé)o法直接測(cè)量，又因?yàn)檩敵鲛D(zhuǎn)矩可用電流關(guān)系式來表達(dá)，所以電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩差異也體現(xiàn)在了兩通道的反饋電流上。所以確定了本小節(jié)將利用對(duì)兩臺(tái)電機(jī)負(fù)責(zé)通道的電路電流反饋補(bǔ)償控制策略，利用電流反饋補(bǔ)償對(duì)通道電流進(jìn)行均衡控制，以間接達(dá)到對(duì)通道輸出轉(zhuǎn)矩均衡控制的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

根據(jù)通道電流反饋補(bǔ)償策略，畫出補(bǔ)償控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理示意圖，如圖1所示。

圖1 反饋補(bǔ)償控制系統(tǒng)原理示意圖

在設(shè)計(jì)的機(jī)電作動(dòng)器之上，在系統(tǒng)兩通道間額外增加電流反饋補(bǔ)償控制器裝置，也是一個(gè)內(nèi)環(huán)裝置。這個(gè)設(shè)備在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)將自動(dòng)進(jìn)行兩臺(tái)電機(jī)之間的電流檢測(cè)和對(duì)比，對(duì)兩臺(tái)電機(jī)的電流I、I進(jìn)行檢測(cè)并對(duì)比其大小，令ΔI=I-I，控制原理主要是通過對(duì)兩個(gè)通道的電流誤差差值的計(jì)算，在兩個(gè)通道各設(shè)置了一個(gè)PID反饋補(bǔ)償器進(jìn)行系統(tǒng)控制。過程簡(jiǎn)單描述為：當(dāng)A電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大于B電機(jī)轉(zhuǎn)矩，即I＞I，那么電流誤差ΔI=I-I＞0，通過通道上設(shè)置的PID控制器對(duì)A通道提供了一個(gè)負(fù)向電壓反饋，A通道電壓降低，I隨之減小，即減小A電機(jī)通道的輸出轉(zhuǎn)矩；反之，當(dāng)A電機(jī)通道輸出轉(zhuǎn)矩比B通道輸出轉(zhuǎn)矩大，通過B通道的反饋控制器向B電機(jī)提供一個(gè)正向電壓反饋，B通道電壓增大，增大I，從而增大B電機(jī)通道輸出轉(zhuǎn)矩，使系統(tǒng)力矩均衡。這個(gè)控制過程為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的，實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩電機(jī)通道實(shí)時(shí)輸出力矩的動(dòng)態(tài)均衡控制。同樣，當(dāng)A電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩小于B電機(jī)轉(zhuǎn)矩，即電流誤差ΔI＜0，同樣可以有效實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的均衡控制。

將轉(zhuǎn)矩誤差用公式表示出來，設(shè)A電機(jī)通道輸出轉(zhuǎn)矩為T，B電機(jī)通道輸出轉(zhuǎn)矩為T，則兩電機(jī)的轉(zhuǎn)矩誤差為：

設(shè)轉(zhuǎn)矩不均衡度為τ，其表達(dá)式為：

4 結(jié)語

從控制的角度進(jìn)行研究，利用電流誤差調(diào)節(jié)反饋，展開設(shè)計(jì)了一種反饋補(bǔ)償控制系統(tǒng)，以間接實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)力矩均衡的控制。雙電機(jī)復(fù)合式作動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)增加了控制系統(tǒng)的容錯(cuò)余度，使系統(tǒng)在容錯(cuò)狀態(tài)下保證正常的輸出。而增加的反饋補(bǔ)償控制系統(tǒng)利用對(duì)電流間的調(diào)節(jié)間接解決了系統(tǒng)的力矩紛爭(zhēng)問題。