某離合器電路的可靠性與仿真的研究

韓 欣

(北京青云航空儀表有限公司，北京 101300)

磁粉離合器與離合器電路是飛機(jī)自動(dòng)油門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的核心部件，根據(jù)自動(dòng)飛行控制計(jì)算機(jī)的指令接通或切斷自動(dòng)油門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力矩傳輸，直接關(guān)系到飛機(jī)油門系統(tǒng)的工作狀態(tài)，間接影響著飛行安全。

2011 年南京理工大學(xué)的王程等[1]研究了不同結(jié)構(gòu)形式對(duì)磁粉離合器工作性能的影響，建立了磁粉離合器的仿真模型，但沒有對(duì)電流控制的原理作進(jìn)一步研究；2014 年合肥工業(yè)大學(xué)的鞠俊等[2]在傳統(tǒng)磁粉離合器的基礎(chǔ)上提出了一種新型的磁粉聯(lián)軸器，創(chuàng)建了三維有限元結(jié)構(gòu)模型，該技術(shù)應(yīng)用于汽車領(lǐng)域；2018 年初海軍裝備部的孫勇[3]分析了某型飛機(jī)離合器的結(jié)構(gòu)和工作原理，建立了離合器原理分析的仿真模型，電流控制原理有待進(jìn)一步的研究；2018 年秋國(guó)家電網(wǎng)湖北電力公司的熊平與華中科技大學(xué)的辜承林[4]提出了離合器接合過程中調(diào)節(jié)踏板開度的優(yōu)化方案，驅(qū)動(dòng)部分采用的是永磁直流電機(jī)，與電路驅(qū)動(dòng)的方式不同；2019 年中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司的羅明宇與河北建筑工程學(xué)院的倪笑宇[5]共同研發(fā)了一種航空用電磁離合器，優(yōu)勢(shì)在于內(nèi)部空間更小、質(zhì)量更輕，唯一不足在于對(duì)電流控制的機(jī)理分析較少。目前暫未發(fā)現(xiàn)近十年國(guó)外軍工發(fā)達(dá)國(guó)家公布電流控制磁粉離合器的相關(guān)研究成果。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，本研究結(jié)合現(xiàn)役某型磁粉離合器的接口特征設(shè)計(jì)了一種離合器電路，分析計(jì)算了其輸出電流，進(jìn)行了可靠性預(yù)計(jì)，開展了在不同溫度條件下離合器電路模型的SimulationX 仿真，再通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 離合器電路設(shè)計(jì)與分析

1.1 需求

磁粉離合器為對(duì)軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)[6]，主要由定子鐵心、線圈組件、轉(zhuǎn)子組件、軸承、密封圈和殼體組件組成，具有體積小、重量輕、動(dòng)作靈敏、消耗功率小、線性調(diào)節(jié)范圍廣、傳遞扭矩與滑差率無關(guān)和過載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[7]。本研究自制的磁粉離合器如圖1 所示。

圖1 磁粉離合器

磁粉離合器的兩個(gè)接線柱與離合器電路相連，離合器電路的輸出電流直接供給了磁粉離合器，該電流是磁粉離合器的核心參數(shù)之一。磁粉離合器正常工作的需求為:低溫-55 ℃～高溫70 ℃條件下，需提供78 mA～169 mA 的電流；電流偏差不大于20 mA；平均故障間隔時(shí)間的最低可接受值是10 000 h；電路仿真誤差不大于5%。

1.2 電路設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的電路由前置驅(qū)動(dòng)和電流控制兩部分組成，如圖2 所示。

圖2 離合器電路

圖2(a)中N1 是直流電源模塊TDSAGS28S5W5QY，輸入28 V 生成5 V 直流電壓；N2 與N3 均是電壓線性調(diào)節(jié)器SW1764BMT，分別將5 V 電壓轉(zhuǎn)化為1.9 V和3.3 V 電壓，以給數(shù)字信號(hào)處理器供電；N4 是數(shù)字信號(hào)處理器SM320F28335PTPMEP，通用I/O 口輸出的高低電平經(jīng)過晶體管V9和上拉電阻R0生成3.3 V/開的離散量3.3VCR。

圖2(b)中輸入由離散量3.3VCR 和直流28 V兩者共同提供，輸出為電流Iout。采用預(yù)調(diào)電位器WJ24B-W-20(RP1)對(duì)輸出電流的大小進(jìn)行微調(diào)。

1.3 理論分析

圖2 中極性電容CT1 與非極性電容C1組合對(duì)28 V 電源濾波；電容C2對(duì)3.3 V 離散量輸入濾波；二極管V2對(duì)3.3 V 離散量齊納穩(wěn)壓。V2是穩(wěn)壓二極管MM3Z3V0，齊納電壓UZ為3.0 V，穩(wěn)定電流IZ為5 mA，額定電流IZmax為62 mA。3.3 V 輸入電壓經(jīng)過限流電阻R5提供給V2的反向電流記為IDZ，根據(jù)電流的節(jié)點(diǎn)定律:

代入U(xiǎn)Z＝3.0 V，R5＝20 Ω，R6＝500 Ω 可得IDZ＝9 mA。

IDZ在(IZ，IZmax)范圍內(nèi)，因此V2反向擊穿正常工作，將圖2 等效為圖3。

圖3 離合器電路的等效電路

圖3 中V3是NPN 三極管BC1653N4，集電極-發(fā)射極飽和電壓UCES為0.5 V，開啟時(shí)導(dǎo)通電壓UBE為0.7 V。記V3的基極、發(fā)射極、集電極的電流分別為IB、IE和IC，則假設(shè)V3工作在放大狀態(tài)，則:

V1是穩(wěn)壓二極管MM3Z16V，齊納電壓UZ為16 V，穩(wěn)定電流IZ為5 mA，通過限流電阻R9與28 V相連，故陽(yáng)極電勢(shì)Ug小于28 V。將Ug＜28 V 代入式(4)可得UCE＜-6.5 V，故假設(shè)不成立，V3工作在飽和狀態(tài)，UCE＝UCES＝0.5 V。V1的陽(yáng)極電勢(shì)Ug決定于R1、R2和R9對(duì)28 V 的分壓，記28 V 為Ui，則:

將R1＝R9＝10 kΩ，R2＝3 kΩ 代入式(5)，得Ug≈3.59 V。

VM1 是P 溝道增強(qiáng)型MOS 管LYPM5210S，開啟電壓Ugs(th)為-0.31 V，柵極-源極之間的電壓為:

Ugs小于開啟電壓Ugs(th)，PMOS 管VM1 這一“開關(guān)”處于導(dǎo)通狀態(tài)，Us≈UD＝28 V，圖3 的等效電路如圖4 所示。

圖4 圖3 的等效電路

圖4 中V4是普通二極管1N4003，正常分壓約為0.7 V；V5是穩(wěn)壓二極管BWB3V6，起“箝位”作用，齊納電壓UZ為3.6 V，穩(wěn)定電流IZ為20 mA；V6是PNP型開關(guān)晶體管3CK80C，電流傳輸比β為80～120；V7是普通二極管1N4003，保護(hù)前端電路；V8是硅整流二極管2CZ53D，使電流輸出的方向不變。

記三極管V6基極、發(fā)射極、集電極的電流分別為IB、IE和IC，則IE＝IB+IC＝IB+βIB，從而離合器電路的輸出電流Iout為:

根據(jù)并聯(lián)原理，二極管V4兩端的電壓U4加上穩(wěn)壓管V5兩端的電壓U5，與電位器RP1 上的電壓URP1、電阻R上的電壓UR和三極管V6的基極-發(fā)射極的極間電壓UBE之和相等:

[86.7，167]在(78，169)的范圍內(nèi)，滿足需求。

另外，28 V 直流供電的正常波動(dòng)范圍為24 V～30 V[9]，將供電電壓(24～30)V 代入式(5)，可得Ug為3.07 V～3.85 V，代入式(6)，可得Ugs為-24.93 V～-24.15 V，Ugs＜Ugs(th)，于是PMOS 管VM1 這一“開關(guān)”保持導(dǎo)通狀態(tài)不變，即輸入28 V 的波動(dòng)對(duì)輸出電流沒有影響。

1.4 高低溫電流偏差分析

從1.3 節(jié)式(10)可知離合器電流由穩(wěn)壓管BWB3V6、電阻RMK3216KB430J 和預(yù)調(diào)電位器WJ24B-W-20 決定。穩(wěn)壓管BWB3V6 的溫度系數(shù)是±0.08%/℃，電阻RMK3216KB430J 的溫度系數(shù)是±100×10-6/℃，預(yù)調(diào)電位器WJ24B-W-20 的溫度系數(shù)是±150×10-6/℃，據(jù)此計(jì)算出三者的溫度特性如表1 所示。

表1 溫度特性

將表1 數(shù)據(jù)代入式(10)可得不同溫度條件下的電路輸出。

常溫25 ℃時(shí):

從而高低溫條件下離合器電路的電流偏差:

該偏差值ΔI＜20 mA，滿足需求。

2 可靠性

2.1 建模

本研究的可靠性預(yù)計(jì)是在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段對(duì)離合器電路的可靠性進(jìn)行的定量估計(jì)?？煽啃阅Ｐ褪强煽啃灶A(yù)計(jì)的基礎(chǔ)，包括可靠性框圖和相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[10]。離合器電路的可靠性框圖如圖5 所示。

圖5 可靠性框圖

圖5 中任一模塊或元器件發(fā)生故障都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)離合器電路失效，因此離合器電路的可靠性框圖屬于串聯(lián)模型，記離合器電路的總失效率為λ，各個(gè)組成單元的失效率為λi(i＝1，2，…，n)，則:

式中:λn為第n個(gè)組成單元的失效率。

記離合器電路的平均故障間隔時(shí)間為Y，則離合器電路的可靠性模型是:

2.2 可靠性預(yù)計(jì)

依據(jù)《GJB/Z 299C—2006 電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》，采用元器件應(yīng)力分析法對(duì)離合器電路進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)[11]。第1 步，統(tǒng)計(jì)離合器電路中各種元器件的數(shù)量，依據(jù)元器件手冊(cè)或廠家資料確定每個(gè)元器件的質(zhì)量等級(jí)和關(guān)鍵參數(shù)，如表2 所示；第2步，按照元器件的類別查找對(duì)應(yīng)的工作失效率預(yù)計(jì)模型，分別計(jì)算元器件的工作失效率；第3 步，計(jì)算離合器電路的平均故障間隔時(shí)間，并與規(guī)定的最低可接受值對(duì)比，判斷是否滿足需求。

表2 元器件的關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)

離合器電路的元器件優(yōu)選七專級(jí)，其次國(guó)軍標(biāo)級(jí)，未選用宇航級(jí)與工業(yè)品級(jí)的元器件。匯總離合器電路中元器件的工作失效率如表3 所示。

表3 元器件的工作失效率

表3 數(shù)據(jù)求和得到電路的總失效率λ為1.445 6×10-6/h，代入式(18)中，得到離合器電路的平均故障間隔時(shí)間Y＝691 754.3 h，大于規(guī)定的最低可接受值10 000 h，因此離合器電路的設(shè)計(jì)滿足可靠性的定量要求。

3 SimulationX 仿真調(diào)試

3.1 建模

本研究采用SimulationX 對(duì)離合器電路建模仿真。意義在于:在電路設(shè)計(jì)早期開展SimulationX 建模仿真，比在電路制板、設(shè)計(jì)定型和批產(chǎn)階段開展電路仿真具有更多的參考價(jià)值，能降低甚至避免設(shè)計(jì)后期更改導(dǎo)致的成本損失；通過SimulationX 仿真能很快地發(fā)現(xiàn)電路原理更改或元器件替代帶來的輸出變化，實(shí)現(xiàn)交互式的設(shè)計(jì)與仿真；能拓寬傳統(tǒng)的電路仿真領(lǐng)域。

SimulationX 的建模方法分為三種:面向物理對(duì)象的建模、面向信號(hào)的建模、基于方程和算法的建模[12]，本研究采用面向物理對(duì)象的建模。在SimulationX 中搭建的離合器電路模型，如圖6 所示。該電路相當(dāng)于一個(gè)“恒流源”，能提供給負(fù)載穩(wěn)定的電流。

圖6 離合器電路模型

3.2 參數(shù)設(shè)置

3.2.1 常用元器件

針對(duì)模型中的電阻R、電容C、整流/普通二極管D、電壓調(diào)整二極管TVS，直接調(diào)用SimulationX中的模塊，如圖7 所示。

圖7 直接調(diào)用常用元器件

3.2.2 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管

模型中VM1 是P 溝道增強(qiáng)型MOS 管，打開參數(shù)界面如圖8 所示。

圖8 MOS 管參數(shù)窗口

圖8 中沒有開啟電壓UGS(th)或夾斷電壓UGS(off)，故使用Modelica Compatibility 的電路模擬接口EAI(Electrical Analog Interface)，如圖9 所示。

圖9 調(diào)用EAI 界面

3.2.3 三極管BJT

模型中V4 是NPN 型三極管，V6 是PNP 型三極管，按照三極管產(chǎn)品手冊(cè)設(shè)置放大系數(shù)β(對(duì)應(yīng)SimulationX 中的Bf)與飽和電流Is。飽和電流的單位需設(shè)置為mA，如圖10 所示。

圖10 三極管的參數(shù)設(shè)置

3.2.4 開關(guān)量

用一個(gè)0、1 控制開關(guān)的函數(shù)表示離散量3.3 V/開，如圖11 所示。當(dāng)f(x)＝“0”時(shí)，開關(guān)斷開；當(dāng)f(x)＝“1”時(shí)，開關(guān)閉合。

圖11 開關(guān)量輸入

3.3 常溫仿真

新建一個(gè)New Model，用Diagram View 圖表視圖打開，將調(diào)試成功的離合器電路模型復(fù)制過來，再打開TypeDesigner 二次開發(fā)模型，定義引腳和參數(shù)，接著調(diào)用萬用表模塊檢查電路模型是否正確，如圖12所示。

圖12 調(diào)用萬用表

點(diǎn)擊仿真運(yùn)行按鈕，觀察流過電阻的電流可得到模型輸出的仿真結(jié)果，如圖13 所示。

圖13 輸出的常溫仿真結(jié)果

從圖13 可知，離合器電路模型在常溫時(shí)提供給離合器(負(fù)載111 Ω)的電流大小為87.2 mA。

離合器的實(shí)際阻值為(106～112)Ω，將離合器電路模型中負(fù)載阻值依次設(shè)置為:107 Ω、108 Ω、109 Ω、110 Ω 和111 Ω，仿真結(jié)果如圖14 所示。

圖14 離合器電路常溫仿真結(jié)果

3.4 高低溫仿真

按照1.4 節(jié)的表1 設(shè)置離合器電路模型中穩(wěn)壓管BWB3V6 的齊納電壓、電阻RMK3216KB430J 和預(yù)調(diào)電位器WJ24B-W-20 的阻值參數(shù)，進(jìn)行高溫70 ℃與低溫-55 ℃時(shí)的SimulationX 仿真。

在高溫70 ℃條件下，離合器電路模型提供給離合器的仿真電流值如圖15 所示。

圖15 高溫仿真結(jié)果

在低溫-55 ℃條件下，離合器電路模型提供給離合器的仿真電流值如圖16 所示。

圖16 低溫仿真結(jié)果

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)測(cè)試

將離合器電路置于溫箱開展高低溫環(huán)境測(cè)試，外接常溫狀態(tài)的磁粉離合器做負(fù)載，并串入萬用表以獲得準(zhǔn)確的電流讀數(shù)，如圖17 所示。

圖17 離合器電路高低溫測(cè)試

本研究選取5 個(gè)不同的磁粉離合器作樣本進(jìn)行測(cè)試，5 個(gè)樣本在常溫下的阻值依次為:107 Ω、108 Ω、109 Ω、110 Ω、111 Ω。測(cè)試結(jié)果如表4 所示。

表4 離合器測(cè)試結(jié)果 單位:mA

從表4 可知:

①離合器電路的輸出電流隨著溫度的升高而減小；

②不同溫度下消耗電流均在78 mA～169 mA之間；

③所有樣本的偏差ΔI＜20 mA，滿足需求。

4.2 誤差計(jì)算

SimulationX 與傳統(tǒng)電路仿真有較大的區(qū)別[13-15]，將SimulationX 應(yīng)用于離合器電路的仿真是否適用尚屬未知，因此對(duì)仿真軟件的精確性研究至關(guān)重要[16]。仿真模型的簡(jiǎn)化對(duì)仿真的結(jié)果沒有影響[17]，但仿真誤差會(huì)影響仿真精度[18]。仿真誤差按式(19)計(jì)算[19]。

式中:δ為相對(duì)誤差，G為實(shí)測(cè)值，x為仿真值。

將圖14 中的等效電阻分別按照5 個(gè)樣本的阻值設(shè)置，得到的仿真輸出與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作對(duì)比，如表5所示。

表5 數(shù)據(jù)對(duì)比

從表5 可知:

①電路輸出的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較吻合；

②誤差隨溫度的變化而不同，最大值為4.2%；

③所有仿真誤差值均小于5%，滿足需求。

4.3 誤差分析

離合器電路輸出產(chǎn)生誤差的原因主要有三方面:元器件的固有屬性、建模仿真軟件中理想化集成元器件的局限性和外界環(huán)境條件的干擾。

電子元器件的固有屬性體現(xiàn)在參數(shù)上，參數(shù)設(shè)置影響建模參數(shù)、電流電壓的傳輸轉(zhuǎn)換、不同元器件之間的耦合匹配，同時(shí)也影響了離合器電路的輸出性能。另外離合器電路包含晶體二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管、MOS 管，它們的性能也受外界環(huán)境因素影響，在電路板工作時(shí)，局部熱量的聚集會(huì)導(dǎo)致輸出產(chǎn)生較大的誤差。

本研究采用的建模仿真軟件是SimulationX，電子元器件模型均是理想環(huán)境條件下的理想化模型。在實(shí)際應(yīng)用中，晶體元器件不僅受制造工藝的影響，也受外界環(huán)境條件的干擾，在一定程度上與實(shí)際的電路輸出存在一定的偏差。

5 結(jié)論

①本研究對(duì)離合器電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，探討了常溫、高溫和低溫條件對(duì)電路的影響，驗(yàn)證了等效電路的正確性。

②在離合器電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)能較早地預(yù)防電路可能存在的故障隱患，為離合器電路的質(zhì)量、設(shè)計(jì)改進(jìn)及后期保障提供依據(jù)。離合器電路的可靠性有提升的空間，可通過設(shè)計(jì)可靠性仿真試驗(yàn)、可靠性鑒定試驗(yàn)、裝機(jī)飛行的時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)等作進(jìn)一步的評(píng)價(jià)與完善。

③采用SimulationX 對(duì)離合器電路建模仿真是可行的，仿真輸出與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比可得離合器電路的設(shè)計(jì)正確。