民机襟翼作动器余度结构与力矩均衡控制系统设计

徐佳甄轲

（中国民用航空飞行学院广汉分院，四川 广汉 618300）

0 引言

机电执行机构系统是位置伺服控制的一种系统的称呼，它通过直接控制系统中电机或其他电器的运行，间接或直接得控制负载作动，以达到对控制目标位置伺服控制的效果。安全是民航业永恒的主题，响应速度、控制精度、抗干扰能力是飞行控制驱动系统中非常关键的三大指标。设计的控制系统要求控制准确、响应及时，同时具有较强的抗干扰能力。

本文对民机机载设备襟翼控制系统机电作动器的余度管理进行设计，目的是使襟翼系统达到更高的安全可靠性。对于可靠性指标要求较高的襟翼控制系统，如果只是单纯提高零部件的性能，系统容错效果并不是最理想的。余度设计是为了确保安全而考虑的一种手段，也是机载设备常用的调节控制方式。通过多个部件或多个通道直接提升系统的容错能力，在不改变原零部件性能的基础上提升系统的整体可靠性。复合式机电作动器也存在力矩不均衡这个不可避免的弊端，其对系统会产生较大的不良影响，通过对襟翼机电作动器力矩纷争的问题进行分析，设计了一种电流补偿反馈的控制系统，以调节系统中易出现的力矩不均衡的问题。

1 余度结构设计和管理

飞机襟翼收放系统的功能是控制襟翼的收放达到命令的位置，根据空气动力学原理，尽可能缩短飞机起飞和着陆时的飞机滑跑距离。随着现代飞机外形尺寸增加以及飞机性能的不断提升，飞机的旅客容量不断增加，这对飞机的稳定性及安全性提出了更高的要求。为实现飞机的各种姿态变换，飞机上存在许多运动结构件，比如飞机操纵舵面（如方向舵、升降舵、襟翼、副翼）、起落架以及收放系统等，这些结构必然参与到每一次飞行起落，这些结构件是否安全可靠，直接关系到飞机是否能够正常运行，实现正确的操作。冗余管理的目的是管理系统冗余资源，使冗余计算机能够协同工作，实现系统容错，提高系统的安全性和可用性。

复合式机电作动器系统的驱动机构主要是两部双重绕组无刷直流驱动电机，重要的结构组成部分是滚珠丝杠和双余度齿轮机构等，这些零部件整体由驱动电路串为一个系统。从系统结构上来看，无刷直流驱动电机是采用双重独立的定子绕组，也就是电机的两套绕组独立工作，它们的驱动电路也是独立的功率可能不同，从整体来看一个电机形成了两条相对独立的电气通道。系统实时控制和监测通道中的电流，根据监测结果进行裁定，从而能够及时切换通道以隔离有故障或失效的通道。双余度减速齿轮采用的结构方式为力矩综合结构，从结构上来讲两台双余度电机之间通过一个连接机构“双轴输入”来实现系统力矩平衡综合，采用力矩综合系统输出力矩为两台双余度电机输出力矩的求和，由系统的单轴输出带动滚珠丝杠最终实现系统的曲线转变直线活动，驱动操纵面来完成指令。同时系统设置有电磁离合器设备，它相当于系统的保护协调装置，若系统中任何一个电机的所有通道均失效的情况下，该失效电机会自动被电磁离合器隔离，对应的两个电气通道关闭。

系统还设置有位置速度传感器装置，目的是让电机电气通道模式转换及换相控制提供电机转子的位置跟踪信号，同时完成电机转速的跟踪。在滚珠丝杠设直线位移传感器，可以测量直线运动的实时位置，最后实现对系统的准确位置控制。

本文主要研究襟翼控制系统，襟翼控制系统的余度结构设计从两方面入手分析，即电传系统和机械控制系统。首先是电传控制部分，因为该系统主要由驱动电路、襟翼电机、控制器及有关传感器组成，其中任意一个电气元件故障或失效都会导致整套控制系统失效。因此对无刷直流电机本体结构及其控制电路的电气余度设计是非常有必要的。其次是襟翼控制系统机械控制部分主要包含齿轮机构和滚珠丝杠转换机构，无刷直流电机是唯一的动力元件，从系统运行整体来看，只要驱动电机故障，所控制的系统会立刻缺失动力从而系统无法按照指令实现飞行操作偏转指令，驱动电机在系统中非常关键，所以从增加驱动电机数量的角度布置余度机构形式。该余度机构与电气控制余度设计思路一起形成复合式的机电作动控制器的概念。该复合式机电作动器系统为“电机双通道、电气四通道”形式，两套襟翼电机采用并行运动模式，每台电机采用两个电气通道，主/副电气通道模式。当系统正常运行时，两个电机同时运行，每个运行电机仅有一个电气通道有效，另一个电气通道处于待用的备份状态。

令两个无刷直流电机为A、B电机，A电机的两个电气通道为A、A通道，B电机的两个电气通道为B、B通道。复合式机电作动器系统从结构组成来看由2个电机通道组成，每个电机通道又单独负责2个电气通道。从运行模式来看，组成电机间采用并行运行模式，电机控制的两个电气通道独立运行，采取的运行模式为“主/副”模式工作。当系统正常工作时，两台电机同时参加工作，两台电机的主电气通道工作，副电气通道处于备份的状态。就电机A而言，A即作为主电气通道运行，而A作为副通道处于备份工作模式；对于电机B，B即作为主电气通道运行，而B作为副通道处于备份工作模式。

按照电气通道故障数量，复合式机电作动器可分为四种工作模式。

（1）零故障模式，即正常工作模式：当襟翼控制系统正常工作时，A、B电机正常工作，A、B电气通道正常进行工作，A、B处于备用工作状态，每台电机各承担一半的输出转矩和功率。

（2）单故障模式：此时系统中仅有一台电机负责的主通道失效，系统会利用隔离驱动电路将发生故障或失效的通道隔离，备用通道接替主通道进行工作，系统正常运行，此时每台电机同样承受输出转矩和功率的1/2。

（3）双故障模式，这种模式分有两为情况，情况一：两个电机的两个主通道分布故障，隔离电路工作后，两个电机系统分别由各自的备用通道进行工作，系统仍可以正常工作，每台电机同样承受输出转矩和功率的1/2。情况二：任意一部电机负责的主/副电气通道都出现故障，此时该电机丧失了控制作用，系统主动利用电磁离合器装置将故障电机全部隔离，故障电机负责的两个电气通道全部关闭；同时系统另一部电机负责的两个电气通道一起进行工作，持续保障系统输出，系统仍然能够正常工作，该套系统承受全部的转矩和功率。

（4）三故障模式：该模式出现的可能性较小。当两台电机的所有电气通道中只剩下一套通道能够正常工作时，其余通道全部失效，系统输出仅为1个电气通道的输出，此时电机的输出转矩和输出功率过小将无法满足需求，系统失效。

当系统中存在双故障模式时，仍然能够正常工作，而出现双故障模式的概率也是相对较低的，可以看出系统的可靠性较高。

2 力矩不均衡问题研究

由于上述几种工作模式的存在，除了双故障模式情况二之外复合式机电作动器也存在力矩不均衡这个不可避免的弊端。力矩纷争会造成互相关联的齿轮力矩综合装置互相干涉，使齿轮产生局部疲劳现象，这会大大降低机电作动器的使用时长；同时力矩纷争会影响机电作动器的输出精度，降低系统的工作效率，影响襟翼控制系统对运动指令的执行质量。因此必须解决力矩纷争的问题。

系统左右襟翼分别由两个独立驱动装置驱动。两个独立驱动装置通过软轴连接，正常工作时，襟翼控制器发出同步控制指令，驱动两个驱动装置，分别带动左右襟翼同步运行；当一侧襟翼操纵面的电机或减速机构出现故障，故障一侧的襟翼操作面不制动，而另一侧驱动装置通过电机轴上的制动器使两个独立驱动装置同时制动，保持当前角度，保证系统的安全性。

要解决力矩纷争问题，可以从三个方面入手。首先，可以考虑提高零部件的制造精度，这种方法使两个电机系统部件尽量完全一致，减少了两个控制通道的客观差异性，但同时也会增加制造成本，并未从根本上解决问题；其次，可以考虑增加综合装置整体包容不同力矩数值的能力，如从系统输入轴材质的角度考虑，可以采取更加柔韧的输入轴，但当系统在双故障模式的情况二等单电机工作时，输入轴过高会造成电机齿轮承载力不均，加速磨损，这种方法也不能彻底解决力矩纷争的问题。最后，从控制角度出发，试图对通道误差进行识别和补偿，在系统中设置检测装置，由控制检测设备对系统中不同通道存在的差异进行具体的实时检测比较，再将结果用反馈信号的形式传递给控制系统，系统不断进行修正补偿降低差异，使综合系统尽快达到理想的状态。这种方式将力矩不均衡控制在可接受的范围内，是解决力矩纷争的有效办法。

还考虑另外两种机械余度控制结构，即采用机械运动合成的差动周转齿轮或者谐波齿轮机构，但由于其设计难度太大，制造复杂且成本高昂，而且对系统零部件的加工精细度要求也很高，还有转动惯量大的特点，差动周转齿轮或者谐波齿轮机构有降低系统稳定品质的可能性。因此综合以上，从控制角度出发，本文利用均衡控制技术，展开了对复合式机电作动系统力矩纷争解决方法的研究。

3 控制系统设计

在民机完成飞行任务时，襟翼力矩纷争问题的严重程度由两个电机通道输出转矩之间的误差值大小来判断。差值越大，问题越大。课题所设计控制系统设计的重点目标之一便是控制两通道间的输出转矩误差，使差值稳定在合适的区间内。但是由于客观原因输出转矩无法直接测量，又因为输出转矩可用电流关系式来表达，所以电机输出转矩差异也体现在了两通道的反馈电流上。所以确定了本小节将利用对两台电机负责通道的电路电流反馈补偿控制策略，利用电流反馈补偿对通道电流进行均衡控制，以间接达到对通道输出转矩均衡控制的设计目标。

根据通道电流反馈补偿策略，画出补偿控制系统的结构原理示意图，如图1所示。

图1 反馈补偿控制系统原理示意图

在设计的机电作动器之上，在系统两通道间额外增加电流反馈补偿控制器装置，也是一个内环装置。这个设备在系统运行时将自动进行两台电机之间的电流检测和对比，对两台电机的电流I、I进行检测并对比其大小，令ΔI=I-I，控制原理主要是通过对两个通道的电流误差差值的计算，在两个通道各设置了一个PID反馈补偿器进行系统控制。过程简单描述为：当A电机输出转矩大于B电机转矩，即I＞I，那么电流误差ΔI=I-I＞0，通过通道上设置的PID控制器对A通道提供了一个负向电压反馈，A通道电压降低，I随之减小，即减小A电机通道的输出转矩；反之，当A电机通道输出转矩比B通道输出转矩大，通过B通道的反馈控制器向B电机提供一个正向电压反馈，B通道电压增大，增大I，从而增大B电机通道输出转矩，使系统力矩均衡。这个控制过程为实时动态的，实现了对两电机通道实时输出力矩的动态均衡控制。同样，当A电机输出转矩小于B电机转矩，即电流误差ΔI＜0，同样可以有效实现两台电机输出转矩的均衡控制。

将转矩误差用公式表示出来，设A电机通道输出转矩为T，B电机通道输出转矩为T，则两电机的转矩误差为：

设转矩不均衡度为τ，其表达式为：

4 结语

从控制的角度进行研究，利用电流误差调节反馈，展开设计了一种反馈补偿控制系统，以间接实现系统力矩均衡的控制。双电机复合式作动系统的结构增加了控制系统的容错余度，使系统在容错状态下保证正常的输出。而增加的反馈补偿控制系统利用对电流间的调节间接解决了系统的力矩纷争问题。