高可靠航天机电伺服系统的过流保护与故障恢复(3)

机电伺服技术已广泛应用于国内外运载火箭的伺服控制中，其典型应用包括摇摆火箭发动机喷管实现推力矢量控制或控制飞行器气动舵面实现空气动力控制，进而完成对运载火箭的姿态稳定性控制。机电伺服系统因其组成与结构简单、使用与维护方便等特点逐渐获得了更多的航天应用。伺服系统是关系到航天飞行成败的重要控制设备，其对可靠性有很高的要求。因此，航天伺服系统在飞行使用中应具有对系统的保护性措施，对于常见的故障模式应具有故障检测与故障恢复控制方法，以确保在发生常见故障的情况下保证飞行安全。1 系统组成原理与保护范围1.1 航天伺服的系统组成及原理针对航天应用的技术特点，伺服系统的设计应具有结构紧凑、功率密度高等特点，据此特点设计的航天机电伺服系统的主要组成包括机电传动机构、永磁同步伺服电机、伺服控制驱动器、伺服动力电源及伺服电缆网。其中伺服动力电源为整个系统提供直流电能，是整个系统的初级能源。伺服控制驱动器集成了伺服控制功能与伺服驱动功能，伺服控制功能是以DSP为核心的控制功能电路，DSP中运行闭环控制算法，接收伺服指令信号，采集系统的各种状态反馈信号，最终为每台伺服电机生成六路PWM占空比斩波信号。伺服驱动功能是以IGBT为核心的功率驱动电路，接收PWM信号后根据PWM信号要求完成功率管的开、关动作，将伺服动力电源提供的直流电能逆变为三相交流电能，提供给永磁同步伺服电机。而永磁同步伺服电机作为整个系统的动力执行元件，输出转矩、转速（机械功率），带动机电传动机构做功，实现伺服?系统的保护范围运载火箭的姿态控制系统对机电伺服系统的动态响应速度要求很高，机电伺服系统作为控制执行机构经常处于瞬间短时高功率输出的工况条件下，即要求伺服控制驱动器向永磁同步伺服电机短时间提供峰值大电流。火箭在飞行过程中，受到飞行环境中各种气动环境等复杂环境的干扰，随时需要机电伺服系统输出较大的瞬间功率；同时，伺服系统承受飞行过程中发动机振动、分离冲击、过载加速等力学环境与高温环境的影响，都对伺服系统的工作可靠性提出了较高的要求。伺服控制驱动器作为电力电子产品，是机电伺服完成电磁功率到机械功率转换的核心环节，虽然伺服系统有很高的动态响应要求，即伺服控制驱动器随时需要输出较大的瞬间峰值电流，但其功率器件IGBT的使用电流必须受到严格限制，以避免电流过大导致IGBT功率管的不可逆性损坏，进而导致整个飞行的失败；同时，功率驱动电路受飞行恶劣环境的影响，或复杂电磁环境的影响，本身有偶发性失效保护的可能性。飞行过程中无论因工作电流过大造成器件损坏或功率驱动电路偶发性失效保护无法快速恢复到正常工作状态，都会造成整个飞行任务的失败。因此，必须针对在复杂工况与复杂环境下可能出现的过电流或驱动电路失效保护问题，实现高可靠的有效处理。工程中的实现方法是，当伺服控制驱动器出现超过允许的上限电流时，立即采取过流保护措施强制将电流下降，以避免损坏功率器件，当电流下降到预设的安全范围内时，快速恢复伺服控制驱动器的正常闭环工作；当驱动电路因受到干扰等因素出现失效保护时，能够快速的对故障进行恢复。在同时出现过流保护与驱动电路失效保护的极端情况下，也应能够在短时间内使系统恢复到正常工作状态，从而不会导致运载火箭的姿态失控，能够将影响降低到对运载火箭的飞行稳定性没有实质性的影响。2 过流保护与故障恢复控制技术2.1 机电伺服系统闭环工作流程以典型的推力矢量控制用航天伺服系统为例，其软件定时终端服务程序的基本流程图如图1所示。其定时中断采用DSP内部定时器，定时中断周期为0.1ms。过流保护与故障恢复的基本设计方法是，每个定时中断周期内首先进行系统保护管理，判断功率母线电流、母线电压和三相交流电流值，一旦出现欠压、短路、过流等情况，即上述参数超出保护阈值，DSP立即封锁PWM输出，锁止驱动电路，关断IGBT管，避免烧坏功率器件本身；当检测到上述故障消失时，迅速恢复PWM输出和驱动电路，进入系统的闭环?过流保护与恢复技术研究图1：推力矢量控制机电伺服系统定时中断流程在机电伺服系统由于需要瞬间输出较大的功率或受到某种环境干扰出现较大电流时，该电流峰值可能会超出允许的安全上限，烧毁驱动器功率管，此时将PWM信号封锁，从而电流会快速下降，避免烧坏功率器件本身，而当检测到电流下降到安全范围后，迅速恢复系统的闭环控制工作机制，确保运载火箭不因电流保护而失去控制。即一方面在电流过大的情况下保护了系统硬件，不会造成系统损坏，同时又能在极短的时间内恢复工作状态，不因对电流的保护而影响整个运载火箭的推力矢量控制，这与一般的工业控制有明显的区别。如图2所示。工程中的具体实现方法为，通过控制软件算法，当检测到伺服电机的U、V、W三相交流相电流大于过流阈值时，进入过流故障保护状态，关闭PWM输出，进而使相电流快速恢复到较低值。同时进入过流故障保护状态后，软件中实时监测相电流值，一旦相电流减小到过流恢复电流阈值以下，延迟3ms后退出过流故障保护状态，并打开PWM输出，重新进入系统的闭环?偶发性失效保护与恢复技术研究机电伺服系统的伺服控制驱动器在较为恶劣的环境条件或电磁干扰条件下，存在偶发性失效的故障模式。此时功率驱动主芯片输出故障信号，并锁存PWM信号，系统功率部分处于休眠状态。对于工业控制中的一般地面设备，可以通过人为干预的方式重启伺服控制驱动器的正常工作；而对于航天伺服系统，必须快速恢复驱动电路的工作状态，对驱动芯片进行复位，从而使伺服控制驱动器迅速恢复到正常状态，不会因驱动电路出现临时性故障保护而影响整个运载火箭的飞行安全。如图3所示。图2：系统的过流保护与恢复技术流程图图3：系统功率电路故障保护与恢复技术流程图工程中的具体实现方法为，当检测到母线电流大于短路电流阈值，或母线电压低于欠压电压阈值，或其他干扰触发驱动主芯片进入保护模式时，进入驱动故障保护状态，锁止驱动电路输出并关闭PWM输出，保护功率器件不因短路故障、欠压故障或其他干扰因素而损坏。进入驱动故障保护状态后，软件中实时监测母线电流、母线电压值以及驱动主芯片的状态反馈，一旦其值减小到恢复阈值以下，延迟3ms后退出驱动故障保护状态，复位驱动电路并打开PWM输出，重新进入系统的闭环控制工作状态。在极端情况下，即便电流过大与功率驱动电路出现故障保护同时发生，利用该控制策略也可以同时对电流过流进行保护与恢复，并对功率驱动电路出现的故障保护进行快速恢复，两种保护模式相互独立，并不冲突。3 总结本文研究分析的航天机电伺服系统的过流保护与故障恢复技术，可以在不额外增加特殊硬件设备的条件下，通过软件控制机制完成保护与恢复操作，实现对伺服控制驱动器硬件电路的可靠保护。该控制方法可以可靠的确保对电流过流的保护，保证电流不会超过驱动器允许的门限，不会因过流损坏驱动器。同时在驱动器功率驱动电路出现故障保护时，会及时停止驱动器的工作，不会因为在故障情况下继续工作而损坏驱动器。同时，对故障的恢复迅速，可以保证运载火箭的飞行使用要求。无论是电流过流情况下的恢复时间还是功率驱动电路的恢复时间都为毫秒级，对推力矢量控制的性能无实质性影响。即便是在电流出现连续过流或驱动电路出现连续保护的情况下，甚至是在电流过流与功率驱动电路同时连续出现保护的情况下仍能保证系统快速的正常恢复工作状态，保证运载火箭的飞行安全。参考文献[1]胡淑华,郑宝才,唐任远.稀土永磁电机的发展趋势—大功率化、高功能化、微型化[J].电工技术杂志,1995(4):5-27.[2] and ,“Solid Rocket Thrust Vector Control”NASA SP-8114,1974.[3]曹翠微,陈伟民,蔡体敏,李敏.固体火箭发动机柔性接头的结构分析[J].推进技术,2006,27(5):450-454.[4]张最良,谢可兴,林金,张谦.弹道导弹的制导与控制[D].中国人民解放军国防科学技术大学,1981.[5]Arthur ,“Analysis and Design of Space Vehicle Fight Control Systems”,Spartan Books ,1970.[6]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：国防工业出版社,2002.[7]Bimal electronics and motor drive—advances and trends[M].Elsevier Science,2006.

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