混合多余度结构飞机的电传舵机可靠性预测

混合多余度结构飞机的电传舵机可靠性预测

王崇君

摘要：飞机经常利用余度结构来提高电气系统的可靠性。这篇文章研究了带有混合余度结构飞机的电传舵机。这种飞机将电气余度和机械余度结合起来。它有两套由四组电流源驱动的无电刷直流电动机组成。电流由两套基于DSP的控制单元控制，两个电动机的输出转矩由齿轮减速器综合。根据这篇文章，在合理的静不稳定结构下，这个系统可靠性中的缺点被削弱，并且系统的综合性能被优化。结果表明，在更高可靠性的条件下，四余度EMA能够运行并完成他的飞行任务。

Ⅰ 简介

用于电传系统（PBW）的电气-机械舵机系统集成电子电路电源、微处理器，无刷直流电动机（BLDCM）及齿轮减速器等于一体。每个部分的可靠性都有很大不同，而余度结构却是EMA研究中最重要的部分之一。

在国内外，对于余度结构的研究经常涉及到两种，即电气余度和机械余度。每种系统都有其各自的优缺点。这篇文章综合两种系统的特点进行了综合的讨论。根据分析，这种多余度（四余度）EMA能提高EMA的可靠性并能优化系统的综合性能。在EMA领域它属于创新的结构。

Ⅱ 混合四余度EMA

电气余度结构属于双流通道系统，在这个系统中，电机的定子为双线圈结构，其中每个线圈由一套电源电路驱动。系统紧凑并且有很高的灵敏度和效率。但是它将引起定子和转子直径的增大，减小电机速度，并增大了故障隔离的难度。

机械余度结构为双电机通道系统，系统使用机械传动装置将两电机的输出转矩集成。系统很容易提高速度及故障的隔离。但是这种系统非常复杂并能引起超重。并且系统的机械效率很低。由于死去的存在使得系统很难控制。

这里介绍的多余度舵机集成两种舵机的特点进行了综合。系统由两套基于DSP的控制单元，四套电源电路，两套双线圈BLDCM及齿轮减速器组成。四余度EMA系统的结构图如图1所示。

A. BLDCM及分解器(电磁结构)

BLDCM及分解器皆为电磁结构。通过对无刷电机的故障模式的分析，故障主要发生在线圈及轴承，所以对BLDCM及分解器的可靠性分析主要为两部分，即定子线圈和轴承。

a. 定子线圈的可靠性预测

电机线圈的主要故障模式为绝缘故障，主要的环境灵敏度压力为高温，主要的工作灵敏度压力为电压及频率。电机的工作温度主要取决于电机的功耗，环境温度及辐射情况。这里所提到的定子线圈不需要工作再高速条件下。通过工作压力的分析，线圈类似于MIL-STD-217F所提到的功率变压器。分析变压器的故障模型，故障率为

Ⅳ 混合四余度EMA工作可靠性

混合四余度EMA可工作在故障容错模式下，基于这种方式下，可计算出系统的可靠性。

A.混合四余度EMA的工作方式

关于输出功率，当两通道中任何一个混合电源通道工作在可靠情况下，四余度EMA可完成飞行任务。系统有四个电源电路通道，这就需要其拥有容错能力即“故障下运行”，“故障下安全”。这就意味着EMA应该在有两个电源电路通道是能完成相应的控制任务。因此混合四余度EMA拥有四种工作方式。

常规工作方式：四套电源电路及两个电机工作在可靠性。每个电机各提供1/2的输出功率，每个功率变极器提供1/4功率。

容错工作方式Ⅰ：如果某个电机故障并且不能工作，则它应工作在单通道模式下，另一个工作在双通道方式，系统工作在双电机，三通道工作方式。

容错工作方式Ⅱ：在两电机中任一通道出现故障，两个电机都应工作在单通道工作方式，系统工作在双电机，三通道工作方式。

容错工作方式Ⅲ：若某个电机发生热传导故障（例如短路），轴承表现出故障，或一个电机的某个电源电路通道故障，这是只有一个点击工作在双通道模式，则系统工作在单电机，双通道方式。

控制器可以工作在单通道或双通道方式。当工作在双通道模式，每个控制器控制一个电机。如果其中任何一个故障，另一个完成对两个电机的控制任务。故障方式及余度的判决由监视器完成。

B．混合四余度EMA可靠性预测

EMA中每部分的可靠性及所使用的余度如表Ⅰ所示。它可以证明这个混合余度的合理性。由表可以看出，文章中所提到的EMA中，可靠性越低的部分，采用的余度越高。由表Ⅰ知，显而易见，电源电路的可靠性最低（<90%）,若电机为普通的单线圈结构可靠性将更低（<80%）。因此，此混合四余度EMA中的功率变极器余度方法可提升整个系统的可靠性。

 

这篇文章中所研究的电气和机械余度综合是一种新型的结构在EMA领域。在基于控制模板和MIL-HDBK-217F(电气设备的可靠性预测)下，这种四余度EMA的可靠性已经计算出。跟F-18A中所使用的双机械余度EMA相比，四余度EMA仅仅增加了双通道电源电气电路，但EMA的可靠性得到很大的提高。它可以经过生产后的可靠性证明测试证实。