飞机机电作动系统故障模式分析与故障诊断方法

芦杨

【摘 要】飞机机电作动系统采用典型的多电飞机系统，飞机机电作动系统直接影响飞机飞行的可靠性和安全性，为了满足飞机高可靠性及高安全性的基本需求，需要深入探究机电作动器的故障模式。本文基于无刷直流电动机机电作动系统故障模式的基础上展开深入分析，提出采用直流母线电流进行在线故障诊断的方法，最终对故障预测方法进行探究。

【关键词】飞机机电作动系统；故障模式分析；故障诊断方法

一、机电作动系统结构分析

多电飞机的机电作动器作为飞机舵面的驱动装置存在，原理结构如下图所示，是速度、位置及电流三闭环控制的无刷直流电动机系统，电源输入端设置有LC结构的EMI滤波器。由下图可知，机电作动器由无刷直流电动机、逆变器、速度与位置传感器组成，还包含完成位置与速度及电流闭环控制的微处理器。

二、故障类型探究

机电作动系统包含电磁机构、传感器、微处理器以及电力电子线路等多种部件，所以可能发生的故障模式也相对比较多样化。本文主要针对常见故障模式展开分析，探究电动机直流母线电流的波形以及频谱，以作为故障诊断的依据。

1.功率电路故障类型

无刷直流电动机功率的主电路六个功率开关器件组成三相桥结构，因此功率电路故障类型主要是开关器的故障，开关器故障可具体分为断路故障和短路故障两种。

短路故障，电路整体中有保护电路的设计，一旦短路故障发生会对控制信号进行即可封锁，此时整个电路暂停工作。如某一器件发生断路故障时，电机极有可能为缺相运行状态，如测量直流母线电流为一个开关器件断路时的电流波形，均为应用FFT方法分析时获取的不同频谱。功率电路的另一种故障类型则为非主电路故障，引发原因可能是功率电路中斩波器发生断路故障，此时该通道的母线电流值为零，此处需要注意不同断路故障母线电流表现波形存在一定差异。如逆变器发生故障，则会导致直流母线电流波形发生畸变情况。

2.电动机故障类型

轴承故障及绕组故障是无刷直流电动机的主要故障类型，轴承故障的具体表现是润滑油干枯、轴承滚珠磨损等，绕组故障主要表现形式为开路和短路故障。

一旦电动机轴承发生润滑油干枯或者是滚珠磨损时，会使得摩擦力矩增加，并且越发不均衡，最终导致电动机机械振动。电动机机械发生振动会直接影响直流母线电流。

绕组损坏是引发电机绕组匝间短路故障的主要原因。一旦绕组任一相匝间发生局部短路情况，该相等效电阻、电感以及反电势都会随之降低，从而使得三相电流越发不平衡。此外，电流相对较大的绕组会发生严重发热情况，若任由其自主发展会造成电机发热的持续增加，最终使得匝间短路故障随之加重，甚至会导致相见短路或者单相对地短路等十分严重的后果。

一旦电机绕组匝间发生短路故障，因等效电阻、电感以及反电势等相应降低，会造成直流母线电流波形发生相应变化，如应用FFT方式进行分析会有不同频谱发生。

通常情况下接线处是电机绕组开路故障的高发区域。有任何一组绕组发生短路情况，电机无法正常运转，表现形式为电动机无法启动。

3.位置传感器故障类型

无刷直流电动机对位置传感器换相进行依赖，位置传感器时无刷直流电动机的重要组成部分。位置传感器应用于飞机时需满足高可靠性的基本需求，一般电机位置的传感器对无刷旋转变压器进行采用。旋转变压器作为位置传感器时，通过专用集成电路结算获得其位置信号，如结算电路发生故障将会造成无法获取位置信号的情况，从而电机无法正常运行。对于系统的实际运行而言，其工作环境长期高温且强震动，极易发生旋转变压器机械松动等故障。此类故障会造成逆变器换相发生超前或者延迟的情况，电机虽然可运行，但是电机直流提升，相应的输出转矩降低，转矩脉动处于较大值。如位置传感器发生故障造成逆变器换相超前或延迟情况时，直流母线电流峰值随之增加。

4.控制器故障类型

机电作动器的控制器采用微处理器。近些年来我国电子技术不断发展，微处理器的集成度也随之不断提升，总的来讲，控制器所需外围电路不断减少，控制器故障率也持续下降，可靠性得到有效提升。

微处理器故障类型分为硬件故障和软件故障两种，软件故障指的是处理器运算程序受到干扰，采用某些措施时系统出现瞬态失控的情况。通常情况下微处理器硬件故障发生区域为外围接口，简单整理故障发生时的系统状态：

<1>故障发生于控制器与上位机通信接口位置时，对于上位机的指令无法接受，机电作动系统此时为失控状态；

<2>如控制器故障发生在传感器接口位置时，除非对特殊容错控制策略进行采用，否则系统无法完成相应的各类功能；

<3>如控制器输出接口发生故障，主电路六个开关器件会收到错误的控制信号。如某个控制信号故障后呈现高电平，相对应的开关器件始终保持导通状态。如同一桥臂另一开关器件为正常导通状态，会形成逆变器管路故障；反之某个控制信号故障呈现低电平状态时，相对应的开关器件始终为截止状态。

三、机电作动器故障诊断探析

1.故障现象分类整理

依据上述故障模式分析，可将其分为三个类型。

<1>由于故障的发生，造成系统完全无法运转的情况，此种故障类型包含控制器大部分故障、功率电路两个以上开关器件断路故障等，此时电动机无法进行运转，如需进行故障诊断，需另外添加测试方法。

<2>由于故障造成逆变器断路的情况，主要为控制器输出信号故障引发的断路及功率开关器短路等。此时系统较短时间内保护，最终也会呈现电动机无法运转的现象，如需进行故障诊断需要另加测试手段。

<3>电动机发生故障仍旧可进行运转的情况，此种情况主要包含单个功率器件开路、控制器单个输出信号低电平故障、电动机轴承和线圈故障以及位置传感器误差故障灯。此类故障系统电动机可进行运转，因此可实现故障的在线诊断。

2.故障诊断方法整理

由不同故障的直流母线电流波形以及故障频谱分析结果可以得出，不同故障类型下谐波幅值存在一定差异，一次可对相应的故障判断条件进行构建，从而作为故障识别的基本依据。

对电机系统各种状态下的两路母线电流分别进行FFT变化操作，获取归一化幅度的频谱数据。通过进一步分析得出，直流分量、基波、四次谐波以及六次谐波可对不同运行状态的特征进行具体表示。

四、结束语

综合上述所言，机电作动系统是典型的机电一体化系统，虽然故障模式相对十分多样化，但是完全可以借助直流母线电流FFT分析的方式完成部分故障种类的在线诊断。为了满足飞机飞行安全性及稳定性的需求，本文首先分析了机电作动系统结构，然后由系统结构展开故障类型的探究，并最终总结机电作動器故障诊断的方法和种类，旨在切实提升飞机机电作动系统故障的判定效率及修复水平。

【参考文献】

[1]杨建忠，杨珍书，孙晓哲.机电作动系统故障影响分析与故障检测方法[J].微特电机，2018，46（06）：43-48.