CN112389639A - 一种270v双余度大功率电动舵机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种270V双余度大功率电动舵机，包括伺服驱动器、机电作动器和反馈单元。伺服驱动器采用电气双余度配置方式，两余度之间通过高速交叉通道数据链进行指令数据与状态信息共享。机电作动器采用机械双余度配置方式，由电机和作动机构构成，电机配备制动器。反馈单元包括电流反馈、旋变反馈及LVDT反馈。电动舵机的双余度管理主要包括信号表决、故障监控、模态管理及余度切换四部分。本发明实现了双余度冗余功能和完善的故障处理机制，具备一次故障能力，飞行安全性高、载荷能力强，适合用于中大型直升机等旋翼飞行器。
Description
技术领域
本发明属于电动舵机领域，特别涉及一种270V双余度大功率电动舵机。
背景技术
电动舵机是一种复杂的机电一体化系统，主要由伺服驱动器和机电作动器构成，其中伺服驱动器用于电机的驱动控制，机电作动器用于操作舵面偏转，具体组成及原理如图1所示。
与传统能源架构飞机(如液压舵机、气源舵机等)相比，电动舵机在经济性、可靠性及可维护性等方面具备较大优势，因此，代表了航空领域的发展方向。大功率电动舵机因具有负载能力强、适用领域广等特点可被用于中大型直升机、制导导弹等飞行器，但目前大功率电动舵机产品在应用中普遍存在以下问题：
(1)大功率电动舵机产品类别少，目前，市面上的电动舵机主要为28V中小功率型产品，尽管越来越多的企业及科研机构正在投入大功率电动舵机的研制设计，但相关成熟型号产品(如270V大功率电动舵机)极少；
(2)余度单一，现有的一些大功率电动舵机普遍为单余度型，不具有更高余度管理能力；
(3)双余度机制不完善，尽管一些大功率电动舵机产品标称具备双余度冗余机制，但事实上并不具备真正双余度管理能力，仍存在较大的飞行安全问题。
近些年来，随着自动驾驶、无人配送等新兴产业的快速发展，飞行器对电动舵机在安全性、故障处理机制、载荷等方面提出了更高的要求，因此，大功率电动舵机存在的上述问题成为目前急需解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的在于针对大功率电动舵机领域普遍存在的载荷能力弱、余度单一、余度管理机制不完善等问题，提供一种270V双余度大功率电动舵机，伺服驱动器采用电气双余度配置，机电作动器采用机械双余度配置，实现了完善的双余度管理机制，具备一次故障能力，飞行安全性高、载荷能力强，适合用于中大型直升机等旋翼飞行器。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种270V双余度大功率电动舵机，包括伺服驱动器、机电作动器和反馈单元；其中，伺服驱动器，作为电动舵机的驱动部件；机电作动器，作为电动舵机的执行部件；反馈单元，用于采集系统的物理数据，实现系统的闭环控制；
所述伺服驱动器采用电气双余度配置方式，即每个余度配备独立的控制单元、驱动单元及控制通道，两余度之间通过高速交叉通道数据链进行指令数据与状态信息共享；伺服驱动器与飞控计算机之间通过主/备两路总线进行实时通讯，外接直流电源包括28V控制电源和270V功率电源；
所述机电作动器采用机械双余度配置方式，即每个余度配备独立的直流永磁无刷电机；两直流永磁无刷电机分别通过电缆连接各自的驱动单元，并通过作动机构的齿轮减速，然后在滚柱丝杠处进行机械综合，最终将电机侧的旋转运动转化成输出轴的直线运动。
进一步地，该舵机的双余度管理包括信号表决、故障监控、模态管理及余度切换；其中，
信号表决，用于对双余度指令数据判别并表决得出使用值；
故障监控，包括伺服监控、板级监控、通讯监控及CCDL监控；
模态管理，单余度的工作模态包括正常、降级及切除三种，双余度的工作模态包括模态1：正常+正常，模态2：降级+切除，模态3：切除+降级，及模态4：切除+切除共四种；
余度切换，对故障监控结果进行处理，并根据本余度和另一余度的故障状态信息得到不同类型的故障模态，通过余度切换逻辑进行工作模态切换。
本发明与现有技术相比，其显着优点为：
(1)本发明为一种270V大功率电动舵机，具有载荷能力强、适用范围广等特点，可应用中大型直升机等旋翼飞行器；
(2)本发明实现了双余度冗余功能，既可工作于主/主模式，也可以工作于主/备模式；
(3)本发明具有完善的故障处理机制，具备一次故障能力，飞行器可在发生一次故障情况下安全返航，飞行安全性高。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为电动舵机系统原理图。
图2为一个实施例中电动舵机系统总体组成图。
图3为一个实施例中电动舵机系统硬件组成图。
图4为一个实施例中电动舵机系统工作模态示意图，其中图(a)至图(d)分别为模态1至模态4。
图5为一个实施例中双余度软件控制流程图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
结合图2，本发明提供了一种270V双余度大功率电动舵机，包括伺服驱动器、机电作动器和反馈单元；其中，伺服驱动器，作为电动舵机的驱动部件；机电作动器，作为电动舵机的执行部件；反馈单元，用于采集系统的物理数据，实现系统的闭环控制；
所述伺服驱动器采用电气双余度配置方式，即每个余度配备独立的控制单元、驱动单元及控制通道，两余度之间通过高速交叉通道数据链(CCDL，Cross Channel DataLink)进行指令数据与状态信息共享；伺服驱动器与飞控计算机之间通过主(MCH)/备(BCH)两路总线进行实时通讯，外接直流电源包括28V控制电源和270V功率电源；
所述机电作动器采用机械双余度配置方式，即每个余度配备独立的直流永磁无刷电机(PMSM，Permanent Magnet Synchronous Motor)；两直流永磁无刷电机分别通过电缆连接各自的驱动单元，并通过作动机构的齿轮减速，然后在滚柱丝杠处进行机械综合，最终将电机侧的旋转运动转化成输出轴的直线运动。
进一步地，在其中一个实施例中，结合图3，所述伺服驱动器包括电源组件、控制组件及驱动组件，其中，
所述电源组件，用于对28V控制电源进行滤波处理、辅助电源派生等，主要包括EMI(电磁干扰)处理模块、SPD(浪涌保护器)模块及DC-DC(直流转换)模块等；
所述控制组件，用于主控软件运行、算法实现、总线通讯，主要包括DSP模块、ADC模块、DAC模块、DIO接口模块、AIO接口模块、RDC模块及RST模块；
所述驱动组件，用于将270V直流电转化为所需的三相交流电并进行功率放大，主要包括三相桥模块、栅极驱动模块、制动模块、电流检测模块及短路保护模块等。
进一步地，在其中一个实施例中，所述机电作动器具体包括电机及作动机构；其中，电机配备制动器，当余度处于正常工作状态时，控制制动器通电，对应电机正常运行；当余度处于故障状态时，控制制动器断电，对应电机锁定，故障余度被切除；
所述作动机构，用于对两电机进行机械综合并将电机侧的旋转运动转化为输出轴侧的直线运动。
进一步地，在其中一个实施例中，所述作动机构包括双通道直齿传动减速器、行星差速器、滚柱丝杠副及双余度线性可变差动变压器(Linear Variable DifferentialTransformer，简称LVDT)；两电机通过双通道直齿传动减速器分别啮合到行星差速器的外齿圈和太阳轮，再经一级直齿传动啮合到滚柱丝杠副齿轮，驱动滚柱丝杠旋转，带动丝母通道筒实现直线运动。
进一步地，在其中一个实施例中，所述反馈单元包括电流反馈、旋变反馈及LVDT反馈，其中，电流反馈的数据为电机绕组电流，用于完成系统电流环控制；旋变反馈的数据为电机轴角度位置，用于完成系统速度环控制；LVDT反馈的数据为机电作动器输出轴的直线位置，用于完成系统位置环控制。
进一步地，在其中一个实施例中，该舵机的双余度管理包括信号表决、故障监控、模态管理及余度切换；其中，
信号表决，用于对双余度指令数据判别并表决得出使用值。
伺服驱动器通过两路总线(主通讯线路MCH和副通讯线路BCH)接收飞控计算机的指令数据，并根据两路总线通讯状况选择其中一路作为指令使用值。两路通讯均正常时，优先选择使用主通讯线路(MCH)数据作为指令使用值。
故障监控，包括伺服监控、板级监控、通讯监控及CCDL监控；伺服监控主要监控电动舵机、传感器(旋变、LVDT)的工作状态；板级监控主要监控伺服驱动器印制板电路模块工作状态；通讯监控主要监控伺服驱动器与飞控计算机之间的总线通讯状态；CCDL监控主要监控两余度之间的同步及CCDL通讯状态。
模态管理，单余度的工作模态包括正常、降级及切除三种，结合图4，双余度的工作模态包括模态1：正常+正常，模态2：降级+切除，模态3：切除+降级，及模态4：切除+切除共四种；其中，
正常工作模态：控制律使用默认的机械综合模态控制参数，控制律指令值及反馈值使用两余度综合后的值；
降级工作模态：本余度单独控制舵机，控制律使用本通道的控制参数，控制律的指令值和反馈值均使用本地值；
切除工作模态：本余度从控制通道中切除，切断本余度控制通道的输出
余度切换，对故障监控结果进行处理，并根据本余度和另一余度的故障状态信息得到不同类型的故障模态，通过余度切换逻辑进行工作模态切换。具体包括
进一步地，在其中一个实施例中，所述余度切换包括：
两余度均无故障时，控制律使用默认的机械综合模态控制参数，控制律指令值和反馈值均使用两余度综合后的值；
余度发生不可恢复故障时，故障余度进入切除工作模态；此时，另一余度在未发生不可恢复故障情况下应转入降级工作模态，控制律使用单通道的控制参数，控制律的指令值和反馈值均使用本地值；所述不可恢复故障包括板级监控、伺服监控及CCDL监控；
两余度均发生不可恢复故障时，则均进入切除工作模态，此时，舵机失去自动控制能力，处于浮动状态；
单向或双向的CCDL线路故障信息均能被两个余度获知，CCDL故障将导致两通道间数据交换失败，因此，可预先设定两余度的优先级，在发生CCDL故障后，高优先级余度进入降级工作模态，低优先级余度进入切除工作模态；
通讯故障主要指失去与飞控计算机的通讯能力，导致本余度无法获得位置指令信息。此时，本余度可通过CCDL总线获取另一余度的位置指令并作为本余度的位置指令进行控制解算，因此，本余度仍采取正常工作模态。通讯故障属于可恢复故障，当通讯状态恢复正常后，应恢复位置指令的余度综合。当两余度均发生通讯故障时，会导致两余度均进入切除工作模态，舵机失去自动控制能力，处于浮动状态。
在一个实施例中，双余度软件控制流程如图5所示，具体为：
(1)开始，判断是否发生故障，如果是，则进入步骤(7)，如果否，则进入步骤(2)；
(2)模态1，即两余度均为正常工作模态，进入步骤(3)；
(3)两余度进行位置数据综合，得到位置指令值和反馈值，进入步骤(4)；
(4)两余度控制律均使用默认的机械综合模态控制参数，进入步骤(5)；
(5)位置闭环控制算法，进入步骤(6)；
(6)结束，主程序运行完毕；
(7)判断故障类型是否为不可恢复故障，如果是，则进入步骤(10)，如果否，则进入步骤(8)；
(8)通讯故障，即故障余度失去与飞控计算机的通讯能力，进入步骤(9)；
(9)故障余度通过CCDL通讯获取另一余度的位置指令值，本余度仍可采取正常工作模态，进入步骤(4)；
(10)判断不可恢复故障类型是否为CCDL故障，如果是，则进入步骤(14)，如果否，则进入步骤(11)；
(11)按照预先设定的优先级顺序，高优先级余度降级，低优先级余度切除，进入步骤(12)；
(12)模态2或模态3，故障余度切除、另一余度降级模态，进入步骤(13)；
(13)控制律使用本通道的控制参数，控制律的指令值和反馈值均使用本地值，进入步骤(5)；
(14)不可恢复故障类型非CCDL故障，故障余度切除，进入步骤(15)；
(15)判断另一余度是否故障，如果是，则进入步骤(19)，如果否，则进入步骤(16)；
(16)另一余度降级，进入步骤(17)；
(17)模态2或模态3，故障余度切除、另一余度降级模态，进入步骤(18)；
(18)控制律使用本通道的控制参数，控制律的指令值和反馈值均使用本地值，进入步骤(5)；
(19)另一余度切除，进入步骤(20)；
(20)模态4，两余度均处于切除状态，进入步骤(21)；
(21)舵机失去自动控制能力，处于浮动状态，进入步骤(6)。
综上，本发明提出的270V双余度大功率电动舵机，实现了双余度冗余功能和完善的故障处理机制，具备一次故障能力，飞行安全性高、载荷能力强，适合用于中大型直升机等旋翼飞行器。
Claims (10)
1.一种270V双余度大功率电动舵机，其特征在于，包括伺服驱动器、机电作动器和反馈单元；其中，伺服驱动器，作为电动舵机的驱动部件；机电作动器，作为电动舵机的执行部件；反馈单元，用于采集系统的物理数据，实现系统的闭环控制；
所述伺服驱动器采用电气双余度配置方式，即每个余度配备独立的控制单元、驱动单元及控制通道，两余度之间通过高速交叉通道数据链进行指令数据与状态信息共享；伺服驱动器与飞控计算机之间通过主/备两路总线进行实时通讯，外接直流电源包括28V控制电源和270V功率电源；
所述机电作动器采用机械双余度配置方式，即每个余度配备独立的直流永磁无刷电机；两直流永磁无刷电机分别通过电缆连接各自的驱动单元，并通过作动机构的齿轮减速，然后在滚柱丝杠处进行机械综合，最终将电机侧的旋转运动转化成输出轴的直线运动。
2.根据权利要求1所述的270V双余度大功率电动舵机，其特征在于，所述伺服驱动器包括电源组件、控制组件及驱动组件，其中，
所述电源组件，用于对28V控制电源进行滤波处理、辅助电源派生，包括EMI处理模块、SPD模块及DC-DC模块；
所述控制组件，用于主控软件运行、算法实现、总线通讯，包括DSP模块、ADC模块、DAC模块、DIO接口模块、AIO接口模块、RDC模块及RST模块；
所述驱动组件，用于将270V直流电转化为所需的三相交流电并进行功率放大，包括三相桥模块、栅极驱动模块、制动模块、电流检测模块及短路保护模块。
3.根据权利要求2所述的270V双余度大功率电动舵机，其特征在于，所述机电作动器具体包括电机及作动机构；其中，电机配备制动器，当余度处于正常工作状态时，控制制动器通电，对应电机正常运行；当余度处于故障状态时，控制制动器断电，对应电机锁定，故障余度被切除；
所述作动机构，用于对两电机进行机械综合并将电机侧的旋转运动转化为输出轴侧的直线运动。
4.根据权利要求3所述的270V双余度大功率电动舵机，其特征在于，所述作动机构包括双通道直齿传动减速器、行星差速器、滚柱丝杠副及双余度线性可变差动变压器；两电机通过双通道直齿传动减速器分别啮合到行星差速器的外齿圈和太阳轮，再经一级直齿传动啮合到滚柱丝杠副齿轮，驱动滚柱丝杠旋转，带动丝母通道筒实现直线运动。
5.根据权利要求4所述的270V双余度大功率电动舵机，其特征在于，所述反馈单元包括电流反馈、旋变反馈及LVDT反馈，其中，电流反馈的数据为电机绕组电流，用于完成系统电流环控制；旋变反馈的数据为电机轴角度位置，用于完成系统速度环控制；LVDT反馈的数据为机电作动器输出轴的直线位置，用于完成系统位置环控制。
6.根据权利要求5所述的270V双余度大功率电动舵机，其特征在于，该舵机的双余度管理包括信号表决、故障监控、模态管理及余度切换；其中，
信号表决，用于对双余度指令数据判别并表决得出使用值；
故障监控，包括伺服监控、板级监控、通讯监控及CCDL监控；
模态管理，单余度的工作模态包括正常、降级及切除三种，双余度的工作模态包括模态1：正常+正常，模态2：降级+切除，模态3：切除+降级，及模态4：切除+切除共四种；
余度切换，对故障监控结果进行处理，并根据本余度和另一余度的故障状态信息得到不同类型的故障模态，通过余度切换逻辑进行工作模态切换。
7.根据权利要求6所述的270V双余度大功率电动舵机，其特征在于，所述信号表决用于对双余度指令数据判别并表决得出使用值，具体包括：
伺服驱动器通过两路总线接收飞控计算机的指令数据，并根据两路总线通讯状况选择其中一路作为指令使用值；两路通讯均正常时，优先选择使用主通讯线路MCH数据作为指令使用值，所述两路总线包括主通讯线路MCH和副通讯线路BCH。
8.根据权利要求7所述的270V双余度大功率电动舵机，其特征在于，所述伺服监控包括监控电动舵机、传感器的工作状态；板级监控包括监控伺服驱动器印制板电路模块的工作状态；通讯监控包括监控伺服驱动器与飞控计算机之间的总线通讯状态；CCDL监控包括监控两余度之间的同步及CCDL通讯状态。
9.根据权利要求8所述的270V双余度大功率电动舵机，其特征在于，所述正常工作模态：控制律使用默认的机械综合模态控制参数，控制律指令值及反馈值使用两余度综合后的值；
所述降级工作模态：本余度单独控制舵机，控制律使用本通道的控制参数，控制律的指令值和反馈值均使用本地值；
所述切除工作模态：本余度从控制通道中切除，切断本余度控制通道的输出。
10.根据权利要求9所述的270V双余度大功率电动舵机，其特征在于，所述余度切换包括：
两余度均无故障时，控制律使用默认的机械综合模态控制参数，控制律指令值和反馈值均使用两余度综合后的值；
余度发生不可恢复故障时，故障余度进入切除工作模态；此时，另一余度在未发生不可恢复故障情况下应转入降级工作模态，控制律使用单通道的控制参数，控制律的指令值和反馈值均使用本地值；所述不可恢复故障包括板级监控、伺服监控及CCDL监控；
两余度均发生不可恢复故障时，则均进入切除工作模态，此时，舵机失去自动控制能力，处于浮动状态；
余度发生CCDL故障后，高优先级余度进入降级工作模态，低优先级余度进入切除工作模态；其中，两余度的优先级预先设定；
余度发生可恢复故障时，该故障余度通过CCDL总线获取另一余度的位置指令并作为本余度的位置指令进行控制解算，本余度仍采取正常工作模态，当通讯状态恢复正常后，恢复位置指令的余度综合；当两余度均发生可恢复故障时，两余度均进入切除工作模态，舵机失去自动控制能力，处于浮动状态；所述可恢复故障为通讯故障。
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