基于容错双余度电机的舵控系统设计

梁 东，杨金鹏，曹鑫磊，杨 涛

(中国航天空气动力技术研究院，北京 100074)

0 引 言

随着电力电子技术的发展，无人机及其机载设备在性能逐步提升的同时，其成本也在快速上升，因此对无人机系统可靠性的要求也越来越高。舵控系统作为飞控作动系统的重要组成部分，是无人机系统的执行机构，其安全性和可靠性直接关系到无人机系统的飞行安全。据统计数据显示，在电机驱动系统中，大约有38%的故障是源于电机故障或功率开关器件损坏[1-3]，双余度无刷直流电动机具有转矩波动小、动态响应快和可靠性高等优点[4-5]，目前已逐渐成为电动舵机动力源的首选。近年来，西工大等高校提出一种永磁容错电机的概念[6]，较双余度无刷直流电动机的可靠性更高，绕组之间的耦合性更低，但存在电机线缆及功率器件过多的问题。因此，本文设计并实现了一种容错双余度电机，既提高了电机的可靠性，又减少了电缆及功率器件数量。

1 舵控系统总体方案设计

舵控系统由舵机控制器和舵机组成，本文的舵控系统总体方案如图1所示。其中舵机由容错双余度电机、谐波减速器和位置传感器(导电塑料电位器)组成；舵机控制器采用STM32F407作为主控芯片，为方便系统测试，舵机控制器的指令信号和反馈信号通信方式均包含模拟信号和CAN总线2种方式，FPGA模块负责容错双余度电机的换相、故障诊断和故障隔离等功能，与主控芯片通过FSMC总线进行通讯，驱动模块是针对容错双余度电机设计的具有故障检测与隔离功能的驱动电路。

图1 舵控系统总体方案

2 容错双余度电机及驱动电路设计

2.1 无刷直流电动机设计

常规的双余度电机绕组配置及驱动电路如图2所示。其中A，B，C相为一套绕组，D，E，F相为另一套绕组，且2套绕组相差30°电角度，2套绕组的霍尔传感器也相差30°电角度。在使用中，如果A相绕组与E相绕组同时发生故障，剩余的4相绕组将不能可靠地完成电机驱动，且霍尔传感器没有相互备份功能。

图2 双余度电机绕组配置及驱动电路

针对常规双余度电机的弊端，容错电机的概念被提出，其绕组配置及驱动电路如图3所示。A相与D相绕组，B相与E相绕组，C相与F相绕组分别同相位，采用该逆变器驱动电路，电机的绕组之间没有电气耦合，增加了系统的可靠性，但此种方案的功率驱动器件增加1倍，且电机的线缆也较双余度电机多。

图3 容错电机绕组配置及驱动电路

本文提出的容错双余度绕组配置及驱动电路如图4所示。A相与D相绕组，B相与E相绕组，C相与F相绕组分别同相位，霍尔传感器也采用2套同相位的霍尔传感器相互备份。因此，只有同相位的两相绕组同时损坏时，电机才不能正常工作。可靠性部门对该舵控系统进行了建模分析计算，对于200 h的任务可靠度，基于容错双余度电机的舵控系统可靠度为98.74%，比基于常规双余度电机的舵控系统可靠度(96.68%)提高了2%。

图4 容错双余度电机绕组配置及驱动电路

2.2 电机驱动电路设计

以A相为例，本文针对容错双余度电机设计的驱动电路原理如图5所示。其中，P1为电磁继电器，用于模拟H桥上桥断路故障，U1为霍尔式电流传感器，用于测量该相的电流，U2和U6构成H型驱动桥，U3为NMOS管驱动芯片，COM1端用于H桥短路故障及绕组短路故障检测，COM1～COM6均通过0.02 Ω电阻连接至COM端，COM端用于限流检测及保护。常规的逆变桥驱动电路在功率开关器件发生故障时，会影响到该绕组的正常工作，因此，本文利用开关隔离电源实现功率开关芯片的浮动栅极驱动，即U4，U5，U7和U8共同构成H桥隔离电路，当SWITCH为高阻信号时，U4和U5栅源极间电压为12 V，A相通道打开；当SWITCH=0时，电压为0，U4和U5关闭A相通道。

图5 驱动电路原理图

3 系统软件控制策略

本文中舵控系统的技术难点在于针对容错双余度电机的控制、故障检测与隔离，以及霍尔传感器的故障检测，因此在控制算法方面，采用了常见的抗饱和积分分离式PID控制策略[7]。在舵控系统中，一般仅控制位置环，但为保证舵控系统满足起动电流的要求，增加了电流限幅功能。

4 故障分析与试验结果

本文的舵控系统，以模拟信号为例，控制和反馈信号范围均为±10 V，对应运动范围±30°，频带范围为4 Hz。为充分验证系统性能，利用Keysight信号发生器的任意波功能产生4 Hz的随机信号作为指令信号，部分测试中增加了正弦波与阶跃信号测试。利用电磁继电器的通断功能，研制了针对本舵控系统的故障模拟设备，对驱动电路及绕组可能出现的故障进行了模拟。

4.1 驱动电路H桥上桥断路故障

以A相为例，当图5中H桥上桥发生断路故障时，流过U1的电流为0。为减少该故障的误判断，根据霍尔信号判断当A相输出PWM信号大于某一阈值时，若经过一段时间，电流始终保持为0，则认为该相发生断路故障，与A相同相位的D相PWM应扩大2倍。经实际测试发现，A相断开时，对系统的性能影响较小，因此，为增加检测故障的可靠性，增加了故障判断的时间，降低了断路故障检测的实时性，试验效果如图6所示。

图6 H桥上桥断路故障(任意波)

4.2 驱动电路H桥下桥断路故障

以A相为例，当图5中H桥下桥断路时，经过电机的驱动电流会自动经过同相位的绕组，即D相绕组的驱动电路，系统性能基本不受影响，但可能会造成A相绕组无法实现续流，因此需在图5的U6单独并联1个续流二极管D2。

4.3 驱动电路H桥短路故障

当驱动电路H桥发生短路故障时，以A相为例，图5则会存在A相上下桥同时导通的现象，COM1端的电压瞬时可为电源电压，因此COM1端电压经比较器、光耦隔离后，进入FPGA，结合霍尔传感器信号和电流信号，即可在FPGA中判断出H桥短路故障，从而控制SWITCH端进行故障隔离，并执行PWM=0和SD=0等操作，试验效果如图7(a)所示。当电机刚起动，速度较低时发生故障，则电机性能可能会略有影响，因此增加了正弦波指令信号的测试，试验效果如图7(b)所示，表明电机速度会有波动，但10 ms左右即可完成故障隔离。

(a) 任意波故障响应图

(b) 正弦波故障响应图

4.4 容错双余度电机单相绕组断路故障

当单相绕组断路时，试验现象和隔离技术与H桥上桥断时相同，因此从控制上不再作区分。

4.5 容错双余度电机两相绕组短路故障

当发生两相绕组短路故障时，以A，B相短路为例，当输入电流从B相流向A相时，COM1端上的电压瞬时可以为电压电源，根据霍尔传感器信号和电流大小判断出当前为A，B相绕组短路，或A，E相绕组短路，此时需要根据B，E相的电流比较后，判断是哪相出现问题。发生此类故障时，从驱动电路端是无法进行隔离的，因此会存在驱动能力下降，发热等问题，故需将该故障及时上报飞控计算机，由飞控计算机及时采取其他措施。试验效果如图8所示。从阶跃信号响应图可以看出，发生故障的后半段，曲线的斜率明显下降，这是由于A，B相绕组短路后形成电流，阻碍电机运动，与理论分析结果相同。

(a) 任意波故障响应图

(b) 阶跃信号故障响应图

5 结 语

本文在分析了常规双余度电机及容错电机绕组配置的基础上，研究了容错双余度电机绕组配置结构，并针对该电机进行相应的驱动电路设计。文中详细分析了电机及驱动电路故障的种类、现象、检测和隔离方法，研制了针对该舵控系统的故障模拟设备，并对可能产生的故障进行了模拟。详细记录并分析了试验结果，结果表明基于容错双余度电机设计的舵控系统能够满足使用要求，并进一步提高了舵控系统的可靠性。