可靠性报告要点.docx

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可靠性报告要点

基于可靠性和控制性能对电机类型的选择

无刷直流电动机是随着电动机控制技术、电力电子技术和微电子技术发展而出现的一种新型电动机，它的最大特点就是以电子换向线路替代了由换向器和电刷组成的机械式换向结构，同时保持了调速方便的特点，有着功率密度高、特性好、无换向火花及无线电干扰等优点。

近年来，DSP在其控制电路中的应用使得无刷直流控制系统的综合性能大为提高，其强大的数据处理能力使得复杂算法数字化得以实现，其单周期乘、加运算能力，可以优化与缩短反馈回路，控制策略得到优化，且它的面向电动机控制的片内外设，使控制系统硬件结构得到简化，有助于实现闭环控制，整个系统的抗负载扰动能力强、频响高、动态性能、稳态精度得到显著提高。

正是考虑到无刷直流电机既具有直流电机效率高、调速性能好等优点，又具有交流电机的结构简单、运行可靠、寿命长、维护方便等优点，其转子惯量小，响应快，同时无刷电动机绕组在定子上，容易散热，也容易做成隔槽嵌放式双余度绕组，并且其以电子换相代替直流电机的机械换相，易做到大容量、高转速，高可靠性的快响应伺服控制系统，因此，舵机系统采用无刷直流电动机作为驱动电机。

采用多余度技术是当前高性能高可靠性要求系统为了提高安全可靠性和任务可靠性的一种重要的工程设计方法。

于余度技术是提高系统安全性与可靠性的一种手段，因而在需要高可靠性或超高可靠性的系统，如航空航天飞行控制、通信系统的计算机管理等工程应用领域得到广泛应用。

舵机作为飞控系统的执行部件,它的故障将直接影响飞行器系统的正常工作,因此多余度舵机是改进飞行控制系统性能,提高飞行器可靠性、安全性的关键技术。

对于舵机系统，电机绕组、功率逆变器、转子位置传感器在当今技术条件下仍为系统的薄弱环节，在航空航天等高可靠性领域，采用单通道设计往往不能满足要求。

因此，在电机定子中隔槽嵌放两套独立绕组，采用两套独立的功率逆变器和两套独立的转子位置传感器构成双余度无刷直流电动机控制系统可以提高整机可靠性。

双余度系统通常工作在热备份方式，当一个电气通道发生故障，另一个通道仍能继续工作，系统可靠性大为提高。

双绕组无刷直流电机及其控制系统

双绕组无刷直流电机其定子绕组是由两套空间相差30°电角度的三相集中绕组构成，采用双Y形接法，共用一个永磁转子。

两套绕组在电路上是独立的，但彼此之间存在互感。

双电枢绕组大大地减少电机电磁转矩的脉振，提高了电机的效率。

双绕组无刷直流电机在控制时采用脉宽调制（PWM）120°方波驱动的电压源型逆变器供电，每60°触发一次换相，两套定子绕组分别由两套逆变器供电，由于两套绕组空间相差300°电角度，则两套控制器的换相角度错开300°。

这时，电机两套绕组产生的输出转矩同时作用在电机转子上，则输出转矩为两套绕组输出转矩之和。

两套逆变器的控制电路相互独立，以实现电气双余度控制。

驱动器由两套独立的驱动逆变电路构成，逆变器由六个MOSFET管和六个反向并联二极管组成，由IR2130来驱动。

当某一驱动器发生故障后，系统由双余度工作模式转为单通道工作模式，但仍能完成上位机发出的命令。

图3.双余度无刷直流电机驱动系统

从表面上看，两套逆变器增加了功率器件的使用数量，但是当两套绕组同时工作时，通过功率器件的电流是一套绕组单独工作时的一半，从而大大减小了单个功率器件的导通应力，提高了系统的可靠性。

而且当一路出现故障时，可以马上切断，剩余的一路还可以正常工作，并且完成工作任务，实现“故障——工作”的控制模式。

双余度驱动电机本体结构的可靠性设计

1.电机双余度技术

余度在可靠性工程中定义为：

使用一套以上的设备来完成给定的任务，即构成余度。

余度技术是指通过为系统增加多重资源，包括硬件与软件的重复配置，实现对多重资源的合理管理，从而提高产品和系统可靠性的设计方法。

实现余度控制一般有两种形式：

冷备份和热备份。

冷备份是指在正常情况下，只有一个余度正常工作，另一余度不工作。

当系统出现故障时，立刻切除发生故障的余度，同时另一余度开始工作；热备份是指在正常情况下，两余度同时工作，当某一余度出现故障时，系统切除发生故障的余度，启用单余度方式。

为了提高系统的利用率，在电机的余度控制系统中一般采用双余度的热备份控制方式。

2.双余度电机本体结构设计

双余度电机主要有串联式结构和并联式结构，并联式双余度电机本体结构如图1所示，串联式双余度电机本体结构如图2所示。

图1.并联式双余度电机本体结构

图2.串联式双余度电机本体结构

对于串联式双余度结构，由两个独立的永磁电机同轴同壳安装，有两套独立的绕组，两个分开的转子及两套位置传感器，但具有共同的电机轴。

在这种结构中，几乎不存在两套绕组间的磁耦合现象，控制简单；但其实际上是由两台电机串联组成的，因此体积较大。

同时一个电机发生故障时，该电机会成为另一台电机的负载，从而使得电机的机电时间常数变大，动态特性降低。

而且，由于两台电机是共轴结构，会造成力矩扭转现象，使得轴承的寿命减短，因此,一般不采用串联式的双余度结构。

另外采用双绕组同轴驱动结构既可避免由于并行驱动所引起的结构和舵面的疲劳破坏，又可提高系统的可靠性，同时可降低系统的机电时间常数，提高系统的动态性能。

对于并联式双余度结构，由两套绕组是相差30°（电角度）的独立绕组，定子槽内嵌放两套独立的电枢绕组，互为备份，两套绕组隔槽嵌放。

两套位置传感器共用电动机轴及转子，形成并联式双余度结构。

由于转子位置传感器与电机绕组存在严格的对应关系，由于电机的两套绕组相差30°的电角度，故两套传感器也相差30°电角度关系。

定子绕组为三相星形联接，采用方波驱动方式，三相六状态运行。

由两套独立的电路驱动，从而实现电气双余度控制。

控制策略采用热备份方式。

采用同轴驱动既可避免由于并行驱动所引起的结构和舵面的疲劳破坏，又可提高系统的可靠性，同时可降低系统的机电时间常数，提高系统的动态性能。

与串联式双余度结构相比，并联式结构减小了系统的体积，但电机绕组嵌放比较困难，两套绕组间会存在磁耦合，控制相对比较复杂。

考虑到系统对体积、重量、可靠性的要求，考虑到加工工艺的可行性、结构的紧凑性、控制技术的成熟性等设计制造因素，余度舵系统的驱动电机采用并联式双绕组无刷直流电机这种双余度结构。

双余度电机控制系统结构的可靠性设计

双余度控制系统实现容错的本质是通过备份方式来完成的，即控制系统冗余是利用两套独立转子位置传感器、电枢绕组和驱动器，采用双余度系统的“故障——工作”的容错控制方式来实现系统容错控制，从而提高系统的可靠性。

这种双余度电机控制系统原理简单，结构清晰，具有高可靠。

为保证控制系统可靠工作，针对控制电路中强弱电结合、数字模拟信号的共存、PWM高频斩波等容易电磁干扰的原因，采取了多种防范措施。

①PWM系统的噪声抑制：

重点是抑制高频谐波产生的传导和辐射干扰；②模拟电路：

从运算放大器等效输入噪声电流和噪声电压两个指标来选择适当型号的运算放大器，在信号源内阻较大时，噪声电流起决定作用；③数字电路：

数字信号的负逻辑传输方式具有较强的耐噪声能力，开关输入的控制指令有效状态采用低电平比采用高电平的效果好。

图4.双余度稀土永磁无刷直流电机伺服系统框图

双余度电机及其控制系统可靠性设计遵循的准则

电机的余度设计任务主要包括余度类型确定、余度配置选择、余度管理。

其中余度类型有多种分类方法，技术最成熟、用得最广泛的是力综合/备用两种。

力综合系统是指余度各通道同时带负载工作，该模式又称为主动并列式工作模式。

备用系统有热备份和冷备份工作模式。

余度配置主要包括余度数的确定、信号传递与耦合方式。

余度数的多少取决于可靠性要求及余度管理水平的高低，同时也受到重量、体积、费用等条件的限制。

对于具有双故障工作能力的电力作动系统，通常要求采用四余度或带自监控的三余度系

统。

一般余度系统最少采用双余度配置。

在伺服作动系统中，信号传递一般采用直接传递方式，也有采用交叉传递方式。

余度管理是余度设计的核心，主要包括故障监控和故障隔离。

故障监控的形式多种多样，但监控类型只有比较监控和自监控两种。

选择故障切换时间是故障隔离的重要工作。

对于无刷直流电动机，由于功率主电路和电机绕组是电机在可靠性方面相对薄弱的环节，因而它们是余度设计的重要方面。

其中采用双余度结构和控制方式的无刷直流电动机已得到成功应用，技术成熟度高。

电机及其驱动控制系统的固有可靠性主要决定于研制设计阶段。

电机的几何尺寸及参数的确定、各组成零部件及材料的选择、工艺方案的制定，电子元器件的筛选、驱动控制系统的结构及控制策略等等都将影响到电机控制系统的可靠性。

电机及其驱动控制系统的可靠性设计也是工程设计，有其继承性和实践性。

尽量采用了成熟的典型结构及成熟的设计方法，充分利用过去成熟的经验，使设计标准化、简单化。

对于电机本体，依据工作方式采用高可靠性的轴承，采用高等级绕组绝缘材料及工艺，以满足耐热性、耐湿性、高电强度及机械坚固性。

对于双余度无刷直流电机驱动系统，要进行其余度控制管理和电流均衡控制。

双通道除了存在电磁耦合，还会因参数的分散性，导致双通道电流的不均衡；如一个通道故障，系统还要迅速切换到另一通道实现余度降级；另外，各通道给定和反馈参数如果出现纷争，也要考虑信号的表决等综合处理问题，这些都需要由系统的余度控制和余度管理来实现，因此需要电流均衡和）余度平滑切换控制。

类似于多个电动机控制舵面存在力均衡的问题，即多个电动机造成出力不均、力纷争，可能扭曲舵面的情况，针对本系统而言，定子的双余度也有均衡问题。

这个均衡问题主要是绕组电流的均衡性。

绕组电流不均衡，会造成电动机在运行当中，转矩负担不同，出现转矩脉动；两套绕组发热不同，使得某套绕组发热温升过高，差异会逐渐过大，导致系统整体寿命缩短，可靠性降低。

这种非均衡性主要由以下几方面原因造成：

（1）器件本身的差异造成了余度间的不一致性。

例如逆变器功率器件导通压降不同，此情况下可造成对两余度绕组平均电压有差异，使得注入两个余度绕组电流的平均值不同。

（2）生产工艺的影响，例如位置传感器安装的细微错位，可使电动机在换向过程当中某个余度超前换向，另一余度滞后换向，造成在转子旋转过程当中，某个转向产生增磁效应，而反向产生去磁效应（类似于弱磁），电动机磁通发生变化，此时，加剧了两套绕组间电流不均衡的情况。

（3）绕组间电阻及电感的差异。

因此，消除电流不均衡，对两个余度工作时功率和转矩趋于相同是至关重要的。

而采用DSP为核心的控制方式，使得采用软件实现电流平衡成为可能。

在控制策略上采用平均电流注入法，简单易行地解决了双余度电流不均衡的问题，同时，方便了整个系统的余度管理。

双余度舵机系统电流均衡的实现方法是在电流环中实现的。

工程上实用的方法是，双余度工作时，DSP可同时获知双余度电机的电流值，将速度环给出电流参考值IRef一分为二，两通道分别按给定电流参考值IRef/2进行电流闭环，决定各自驱动器的PWM斩波信号的占空比。

具体实现为：

舵机传动机构将位置反馈信号反馈至位置输入端，位置反馈信号与位置给定信号值进行比较，将此二者之差经位置PID调节器调节，输出作为速度环的给定值，速度给定值与余度Ⅰ速度反馈值进行比较，其结果作为速度PID调节器的输入，经PID调节，输出作为电流环给定值。

有两路速度反馈信号，分别为余度Ⅰ反馈信号和余度Ⅱ反馈信号,采用将速度给定信号与余度Ⅰ速度反馈信号进行比较，而余度Ⅱ速度反馈信号作为备份。

如果余度Ⅰ的速度反馈部分发生故障，即余度Ⅰ速度信号反馈失败，例如霍尔传感器失效，则余度管理流程将启用余度Ⅱ速度反馈作为速度反馈信号。

电流给定值由速度PID调节器给出，余度管理流程可根据故障诊断的结果判断电动机处于何种工作模态下。

若在双余度同时工作情况下，PID速度调节器输出采用平均电流注入法，即使每一余度分别承担1/2的电流，然后每一余度分别进行PID电流调节。

当某一余度故障，隔