飛控機電作動系統(tǒng)典型故障模式影響分析

孫曉哲 ，楊珍書，陳 棒，閻 芳

(1.中國民航大學 天津市民用航空器適航與維修重點實驗室,天津 300300；2.中國民航大學,天津 300300；3.江蘇航空職業(yè)技術學院,鎮(zhèn)江 212134)

0 引 言

多電/全電飛機技術的發(fā)展使得機電作動系統(tǒng)(EMA)逐漸應用于現(xiàn)代民用飛機。波音787的水平安定面和擾流板采用了EMA，同時EMA也應用到起落架和環(huán)境控制系統(tǒng)[1-2]，減輕了飛機的質(zhì)量，提高了飛機的可維護性。適航規(guī)章CCAR25.671明確要求不能影響飛機安全飛行和著陸，即單個失效不能導致災難性的事故發(fā)生[7]。因此，作動系統(tǒng)作為飛行控制系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，必須明確飛控作動系統(tǒng)的故障模式、機理及影響。飛控EMA的符合性一般通過分析、試驗或兩者結合來證明[3-4]。

當前已經(jīng)開展了一些針對EMA故障模式及其影響的研究，主要集中在對飛控EMA的結構進行改進，優(yōu)化了系統(tǒng)性能，提高了可靠性。Moog公司對系統(tǒng)中傳感器的故障模式與影響進行了研究[5]。NASA研制了高可靠性的四冗余EMA和用于運輸機的高功率EMA，并通過F/A-18B測試平臺驗證了EMA的容錯能力[6]。NASA建造了多個測試臺用來研究新電力技術帶來的適航性和飛行安全風險，如X-57 Maxwell和混合動力電力系統(tǒng)(HEIST)等。Parker航天公司在EMA研發(fā)方面有著豐富的經(jīng)驗，所開發(fā)的驅動系統(tǒng)具有良好的抗干擾和容錯性能。EMA在現(xiàn)代新型民用飛機上的應用逐漸成熟，已成為新型電動執(zhí)行技術的發(fā)展方向。然而，EMA是一個復雜的機電系統(tǒng)，其驅動機制復雜，容易受到各種非線性擾動。而且故障模式與影響之間的關系復雜：一種故障模式可能導致多種故障表現(xiàn)，而一種故障表現(xiàn)可能由不同的故障模式引起[7]。因此，對飛行控制EMA的故障模式和故障影響的研究，有助于故障檢測的設計和提高系統(tǒng)可靠性，同時為EMA的符合性驗證和適航審定提供技術支持。

本文在分析系統(tǒng)架構和故障機理的基礎上，對飛控EMA的典型故障模式進行了分析和建模。研究故障注入與影響的仿真分析方法，通過對非線性因素和閉環(huán)控制系統(tǒng)故障的仿真，分析相關表征故障的參數(shù)變化，梳理故障特征與模式的聯(lián)系，為EMA的適航符合性驗證和審定提供技術支持和審查關注點。

1 系統(tǒng)故障模式分析

1.1 系統(tǒng)描述

飛控EMA作為位置伺服控制系統(tǒng)，可分為直線式與旋轉式兩類[8]。圖1為直線式飛控EMA的結構，系統(tǒng)由作動器電子控制裝置(以下簡稱ACE)、齒輪減速裝置、無刷直流電機(以下簡稱BLDCM)、滾珠絲杠、傳感器等部分組成。EMA采用BLDCM，齒輪減速裝置及滾珠絲杠將驅動電機的旋轉輸入力矩轉化為線性輸出力，驅動舵面偏轉[10]。此外，直線式飛控EMA結構利用轉速傳感器、位置傳感器反饋轉速信號和位置信號，以此實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

圖1 直線式飛控EMA結構

1.2 系統(tǒng)典型故障模式

針對系統(tǒng)的主要組成部件，分析系統(tǒng)典型的故障模式及發(fā)生機理。

1)電機繞組短路

飛控EMA驅動電機繞組短路故障是由機械摩擦、溫升過大等因素使絕緣保護損壞而導致的。這類故障發(fā)生率較高，不僅造成磁場形變，還導致系統(tǒng)過載運行、器件發(fā)熱嚴重。因此，此類故障具有重要的研究意義。

2)軸承卡頓

軸承卡頓故障的起因一般為物理因素，如潤滑油不足、不可避免的機械摩擦等，可導致軸承運轉不流暢甚至停滯。故障出現(xiàn)后，減速器角度輸出保持在故障發(fā)生時刻的位置，無法跟隨指令變化。該結構故障導致機械結構受到破壞，輸出軸懸空，EMA輸出不再受到指令的控制，而是隨著外界負載發(fā)生變化。

3)傳動機構間隙過大

傳動機構間隙過大造成位置控制精度下降、速度響應遲滯。傳動機構件在制造與安裝過程中不可避免的尺寸偏差，以及運行過程中的機械損耗，都是導致傳動機構間隙過大產(chǎn)生的原因。此類故障在飛控EMA中可引起齒輪咬合誤差、聯(lián)軸節(jié)的扭轉間隙、滾珠絲杠與螺母工作時的軸向間隙。

4)載荷路徑結構故障

在飛控EMA的扭矩傳遞過程中，齒輪減速裝置將BLDCM的高轉速扭矩轉變?yōu)榈娃D速大扭矩，為實現(xiàn)此功能，齒輪減速裝置設計成逐級減速模式。齒輪減速裝置的結構決定了其在制造及安裝中存在的物理偏差是不能避免的。這將導致齒輪運轉過程中更易磨損，加速老化，出現(xiàn)斷齒、齒輪脫節(jié)等狀況。最終造成減速裝置不能運轉，載荷路徑被切斷，舵面無法接收電機輸出載荷。

2 故障建模

飛控EMA的數(shù)學建模是系統(tǒng)故障仿真和影響分析的基礎。飛控EMA的系統(tǒng)仿真模型示于圖2，模型包括ACE、電機驅動和BLDCM、齒輪箱、滾珠絲杠以及傳感器。驅動器根據(jù)PWM波的占空比信號控制各開關管導通、關斷，為電機繞組供電。速度環(huán)和位置環(huán)采用經(jīng)典PI算法進行控制律解算，驅動作動器按照指令動作。通過文獻中的實驗數(shù)據(jù)驗證了系統(tǒng)模型的正確性。同時在故障仿真中也考慮了摩擦和間隙的非線性特性對結果的影響。

圖2 EMA系統(tǒng)仿真模型

2.1 繞組短路

圖3 繞組短路故障

這類故障發(fā)生時，如圖3所示，電機三相不再對稱，除了兩相正常繞組外，故障相繞組包括短路繞組和未短路繞組。此時，電機三相繞組電感及電阻都會發(fā)生不同程度的改變。故障后的電壓平衡方程：

式中：eA(t),e0(t),eB(t),eC(t)為短路繞組、未短路繞組、兩相正常繞組的感應電動勢；i0(t)為短路繞組電流；L0,M0,R0分別為故障相繞組自感、互感與電阻。電機輸出轉矩：

繞組自感的變化與長度Lm、線圈內(nèi)徑D、繞組匝數(shù)N以及材料自身有關。假設電機繞組處于理想狀態(tài)下，氣隙均勻，單位面積磁導為μm，不考慮繞組之間的漏感，則繞組的自感、互感分別如下：

式中：ψ為繞組間交鏈磁鏈。

由磁通連續(xù)性定理可知，當任一相出現(xiàn)匝間短路，故障相短路部分電感變化：

故障相未短路部分繞組電感變化：

式中：k為繞組受到漏磁場影響系數(shù)；p為電機極對數(shù)； 0

根據(jù)上述可知，BLDCM出現(xiàn)任一相匝間短路時，由相關參數(shù)可建立L0,L1與L之間的數(shù)學關系。為了進一步剖析繞組短路對系統(tǒng)的故障影響，據(jù)此數(shù)學關系，建立該種故障模型。

2.2 軸承卡頓

減速裝置機械結構受損時，會產(chǎn)生較大的干擾轉矩，造成電機負載過大、轉速為0，出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。只有當電機輸出功率能夠克服干擾負載時，轉速才能逐漸恢復。假設在任意旋轉角度出現(xiàn)軸承卡頓，電機軸承卡頓故障模型如圖4所示。

圖4 電機軸承卡頓故障模型

2.3 傳動機構間隙過大

傳動機構間隙過大導致在某一段輸入范圍內(nèi)傳動機構輸出為0，類似于死區(qū)模型。因此本文將飛控EMA中的傳動間隙近似簡化為死區(qū)模型[9]，簡化后的數(shù)學模型如下：

式中：θd為輸出端與負載端的相對轉角；DB為死區(qū)函數(shù)；Ba為單邊間隙。

2.4 載荷路徑結構故障

該故障的典型特點為突變型，即信號突然發(fā)生跳變，其故障模型可表示：

式中：f(t)為確定系統(tǒng)屬性變化與故障發(fā)生的時間變量；tch為確定故障發(fā)生時間的隨機變量。

故障注入示意如圖5所示。

圖5 載荷路徑故障注入示意圖

3 故障仿真與分析

根據(jù)以上EMA典型故障模式建模方法的研究，仿真故障注入，分析故障影響。故障結果的影響分析考慮了系統(tǒng)中非線性因素(如摩擦、間隙)和不同設計對故障結果的影響。

3.1 繞組短路

1.5 s時，注入A、B兩相繞組短路故障，如圖6～圖8所示，無刷直流電機轉速、系統(tǒng)輸出轉矩在故障注入時刻產(chǎn)生波動。

(a) 非線性

(b) 線性

(c) 開環(huán)

(a) 非線性

(b) 線性

(a) 非線性

(b) 線性

(c) 開環(huán)

圖6～圖8線性和非線性仿真結果表明，故障發(fā)生后轉矩波動，由于輸出轉矩產(chǎn)生波動，其平均值減小，系統(tǒng)輸出轉矩的平均幅值減小，而非線性摩擦導致轉矩偏差增大，輸出轉矩波動，幅值約為線性狀態(tài)的兩倍。從BLDCM角速度仿真結果可以看出，系統(tǒng)在故障注入時具有較大的干擾和嚴重的過沖現(xiàn)象。另外，根據(jù)線性閉環(huán)和開環(huán)的仿真結果，控制器的閉環(huán)調(diào)節(jié)可以抑制由于故障引起的轉矩波動，舵面輸出基本完成作動任務。非線性摩擦對系統(tǒng)轉矩和電機轉速有嚴重干擾。因此，這種故障對系統(tǒng)的影響與系統(tǒng)設計有關。在適航審查時，應將故障注入到系統(tǒng)內(nèi)部，以分析此故障模式對系統(tǒng)的影響。另外，對于工業(yè)設計方，應考慮非線性摩擦對控制器的影響。

3.2 軸承卡頓

1.5 s時，在電機軸承輸出軸注入軸承卡頓故障，卡阻力矩為3.5 N·m，仿真結果如圖9～圖11所示。

(a) 非線性

(b) 線性

(c) 開環(huán)

(a) 非線性

(b) 線性

(c) 開環(huán)

(a) 非線性

(b) 線性

(c) 開環(huán)

由圖9～圖11可得，軸承卡頓故障對舵面輸出的影響只與干擾轉矩的嚴重程度和位置有關，考慮非線性的故障影響與線性系統(tǒng)的故障影響基本相同。另外，通過開環(huán)分析可知，系統(tǒng)輸出轉矩無法克服產(chǎn)生卡死故障的干擾轉矩。軸承卡頓的故障位置和故障力矩對故障影響起決定性作用，非線性因素和控制器性能對軸承卡頓沒有影響。因此，這種故障模式對系統(tǒng)的影響確定，適航審查過程中從系統(tǒng)級注入故障即可。

3.3 傳動機構間隙過大

在4 s時，在滾珠絲杠與螺母連接處注入10倍于正常值的機械傳動間隙過大故障。在6 s時，在表面輸出交界處注入正常值的10倍。故障仿真結果如圖12～圖14所示。

由于該故障是間隙非線性的一種特殊表達形式，對非線性系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中故障的影響進行了比較分析。

由于機構間隙，滾珠絲杠輸出有一段空程差，導致舵面偏轉誤差增大。此時，控制器調(diào)節(jié)電機轉速，以補償故障對系統(tǒng)輸出的影響。無刷直流調(diào)速與系統(tǒng)輸出存在偏差，導致系統(tǒng)響應延遲，系統(tǒng)性能較差。但是，該任務仍然可以完成，故障對系統(tǒng)的影響只有在電機切換回來，系統(tǒng)反向運行時才能體現(xiàn)出來。此外，控制器可以調(diào)整故障，使其在其余時間不影響系統(tǒng)。

(a) 非線性

(b) 開環(huán)

(a) 非線性

(b) 開環(huán)

(a) 非線性

(b) 開環(huán)

3.4 載荷路徑結構故障

1.5 s時，在齒輪減速裝置中注入負載路徑結構故障，負載路徑的結構被破壞，如圖15～圖17所示。

(a) 非線性

(b) 線性

(c) 開環(huán)

(a) 非線性

(b) 線性

(c) 開環(huán)

(a) 非線性

(b) 線性

(c) 開環(huán)

電機輸出不能傳遞，系統(tǒng)輸出停滯在故障位置。電機空載并繼續(xù)高速運轉。通過開環(huán)分析可以看出，齒輪箱斷開后系統(tǒng)輸出和滾珠絲杠位移在故障時停滯不前。在系統(tǒng)負載斷開后，電機輸出功率不變，使電機轉速瞬間上升，穩(wěn)定在該轉速下。非線性因素的存在和系統(tǒng)的控制器不會改變故障的影響,故障只與故障時刻有關。

3.5 結果分析

在故障仿真結果分析的基礎上，總結了這四種故障模式與系統(tǒng)非線性因素和系統(tǒng)設計之間的關系，如表1所示。

表1 四種模式的故障影響分析總結

適航規(guī)章25部第25.671(c)款規(guī)定系統(tǒng)發(fā)生任何故障后飛機能夠避免或減輕故障影響，保證繼續(xù)安全操縱和飛行。針對25.671(c)的符合性驗證時需要考慮的失效類型，適航咨詢通告AC 25.671給出了舵面的故障類型，包括舵面卡阻、失控、振蕩、控制受限、非指令偏轉、操縱困難等。本文研究的四種故障模式中軸承卡阻和載荷路徑結構故障對系統(tǒng)(舵面級)的影響特征確定，分別為舵面卡阻和失控。而另兩種故障模式對系統(tǒng)影響不確定，依據(jù)系統(tǒng)設計可能會導致振蕩或非指令偏轉等系統(tǒng)級故障類型。

在對進行故障仿真結果分析的基礎上，根據(jù)故障對系統(tǒng)的影響，將故障模式分為兩類，第一類只與故障模式有關(如軸承卡阻、載荷路徑結構故障)，第二類同時還與非線性因素和系統(tǒng)設計有關，即不同的系統(tǒng)設計影響不同(如電機繞組短路、傳動機構間隙過大)。基于以上結果，對這兩種故障模式在進行符合性驗證和適航審定時關注不同，第一類故障模式的影響只與該模式相關，導致系統(tǒng)級故障特征確定，故障試驗時只需要在系統(tǒng)級(舵面)注入故障即可；第二類與非線性因素和系統(tǒng)設計有關的故障模式導致的系統(tǒng)級影響不確定，此類故障必須從系統(tǒng)內(nèi)部進行注入試驗。

4 結 語

本文在分析EMA架構、工作原理和故障機理的基礎上，對典型故障模式進行了分類和建模。

通過故障建模方法研究，開展故障模擬注入和影響仿真分析，考慮了系統(tǒng)非線性(如摩擦、間隙)和不同系統(tǒng)設計對故障結果的影響，將本文討論的設備部件級典型故障模式同適航規(guī)章 25.671的系統(tǒng)級故障類型建立了關系，并進行了劃類。同時根據(jù)故障對系統(tǒng)影響結果的相關因素，將故障模式分為兩類，在進行故障注入符合性驗證時，只與故障模式相關的第一類，只需在舵面級注入故障，另一類同時還與系統(tǒng)設計相關，則必須從內(nèi)部進行故障注入試驗。本文仿真結論為EMA故障注入的適航符合性驗證和審定提供技術支持和關注要素。