徐坚

摘要：在民航客机控制领域，机电作动系统发挥了重要的作用。但这个系统复杂程度较高，容易在各种因素的影响下出现故障，且故障模式及影响较为复杂，故提高了故障处理的难度。本文对飞控机电作动系统典型故障模式影响进行研究，首先阐述了飞控机电作动系统的结构，然后以驱动器故障、执行机故障、位置传感器故障和控制器故障作为切入点，分析机电作动系统典型故障模式，最后研究故障诊断方法，希望为相关行业提供借鉴。

关键词：机电作动系统;典型故障;驱动器

0  引言

安全和高效是现代民航客机发展的方向，为达成这一目标，各种先进的科学技术被应用于飞机制造之中，其目的在于控制飞机的重量，使其运行效率得到提升。以A380客机为例，该客机的在运用电静液作动系统后，整个飞机的重量减少了1500kg。播音787飞机也同样如此，实现了对运行维护成本的有效控制。由此可见，在民航客机中应用机电作动系统，已经成为了现代民航客机发展的趋势。但值得注意的是，飞控机电作动系统故障及影响具有复杂性的特点，如何诊断和解决故障，成为了民航领域的热点话题。

1  机电作动系统结构

飞控机电作动系统包括两大类型，分别为旋转式机电作动系统和直线式机电作动系统。直线式机电作动系统是本文研究的重点。这种系统多被用于民航客机，所起到的作用为辅助舵面作动，具有不可逆的特点。系统由以下部分构成：①驱动机;②执行机;③位置传感器;④控制器。其在工作过程中，驱动机会驱动机械传动组件，系统中的滚珠丝杠螺旋杆会在力的作用下发生转动，并向外输送线性力，螺母在受力后会做上下运动，与之相连的舵面也会做相同的动作，从而满足指令的需求[1]。

在科学技术发展的推动下，无刷直流电机应运而生，在短时间内完成了对传统驱动电机的取代。该电机除了具备传统电机的功能外，还可以调节速度，并对飞控直流作动系统的运行状态进行采集，为系统状态监测功能的实现，创造了有利的条件。

2  机电作动系统典型故障模式影响

飞控机电作动系统具有复杂性的特点，在这一特点的影响下，系统故障模式较为多样，其产生的影响也难以估量。故本文对几种典型的故障模式及影响进行分析，如下所述：

2.1 驱动器故障及影响

驱动器是飞控机电作动系统驱动模块的主要设备，在接收控制器指令信号之后，对电机进行驱动。过电流、过电压、高温、沖击振动是导致驱动器故障的主要原因，具体表现为功率管和驱动元件短路等电子元件在上述因素的影响下而损坏，致使驱动器无法正常运行。如果仅强调驱动器的故障输出，我们可以将驱动器故障模式总结为电路短路和断路。此类故障属于常见故障，系统会在故障的影响下超负荷运行，其内部器件也会因此而烧毁。

2.2 执行机故障及影响

通过查阅资料得知，无刷直流电机的零部件多为金属材质，很少发生故障。机械转动轴承和电机绕组故障成为了主要的故障模式。如下所述：

①电机绕组开路：此类故障的成因包括焊点处裂开，导线断裂、热胀冷缩应力[2]。

故障影响：开路绕组无法发挥作用，电机输出性能会降低。

②电机绕组短路：此类故障产生的原因为线路断裂。

故障影响：三相绕组与磁场变化无法协调，导致电机输出性能显著降低。

③电机轴承卡阻：此类故障的成因为轴承摩擦力矩过高。

故障影响：损毁轴承，机电作动系统的正常运行也会因此受到影响。

④齿轮传动链卡阻：此类故障产生的原因为磨损、振动和冲击。

故障影响：力矩的正常传递受到影响。

⑤齿轮脱落：此类故障产生的原因为装配不合理、冲击振动和磨损。

故障影响：力矩无法正常传递。

⑥载荷路径结构故障：装配不合理和异物干扰是导致此类故障的原因。

故障影响：输出与指定不相匹配。

⑦载荷路径自锁机构故障：装配不合理是此类故障的成因。

故障影响：舵偏输出的准确性无法得到保证[3]。

通过上述分析可知，执行机构故障模式具有多样性的特点，发生故障的具体位置为驱动电机、载荷路径和传动装置。在众多故障中，电机绕组故障较为常见，其影响也十分严重。主要表现电机在运动过程中会产生大量的热量，由于电机内部较为狭小，故热量难以散发，导致绝缘受损，为短路故障的出现埋下了伏笔。因此，加强对此类故障的研究十分重要。

润滑油干涸和轴承磨损是导致轴承故障出现的原因，在故障的影响下，电机会发生振动，电机母线电流也会因此受到阻碍。

2.3 位置传感器故障及影响

传感器的作用为转化信号和传递信号，转化的对象为位移信号和转速信号，在将其转化为电信号，会向控制器传递信号。控制器在接收信号后，即可发出指令，对整个机电作动系统进行控制，由此可见，传感器发出信号的准确与否，关系到系统的运行效果。传感器故障模式及影响如下所述：

①传感器发出错误的信号：电磁干扰和工作环境变化是此类故障的成因。

故障影响：控制器在接收信号后，会发出错误的指令，导致系统无法正常运行。

②传感器无输出：电子元件和敏感元件失去应有的作用是故障成因。

故障影响：控制器无法接收信号，系统无法保持正常作动[4]。

通过上述分析可知，传感器故障模式可以总结为两点，分别为输出信号错误和输出信号无输出，这两种故障均会影响系统的正常作用。

2.4 控制器故障及影响

计算反馈偏移量和控制量，是控制器的主要作用，其由硬件和软件两部分构成，硬件主要是指运算放大器，其常见故障模式及影响如下所述：

①信号解算器故障：导致此类故障模式的原因为过电流和电压，对电子元器件造成了冲击，致使功率管损坏，无法继续发挥作用。

故障影响：无法保证解算信号和输出信号的准确性，飞控机电作动系统无法正常运行。

②控制器逻辑故障：此类故障产生的原因与信号解算故障相同，故不再做过多赘述。

故障影响：监控出错、解算和输出指令信号的准确性无法得到保证，飞控机电作动系统无法正常运行。

③行程限制功能失效：原因与上述故障相同。

故障影响：控制器行程限制功能失效，如果故障长时间存在，会导致机电作动系统结构受到损伤。

④接收指令信号错误：线路板在冲击和振动力的影响下，出现接触不良和松动等现象。

故障影响：控制器对指令进行无效放大，同时输出不正确的信号，最终导致机电作动无法正常工作。

通过上述分析可知，控制器故障模式较多，影响也十分严重。如果仅强调故障输出，我们可以将控制器故障总结为无输出、输出超限和信号错误等模式。

3  故障诊断方法

3.1 故障现象分类

飞控机电作动系统故障现象可以分为四个类型，如下所述：

①电机绕组短路。电机在转动过程中会产生大量的热量，如果这些热量无法及时排出，就会导致电机内部温度不断升高，从而损坏绝缘保护，致使设备出现绕组短路故障。这种故障属于常见故障，且影响严重，需要工作人员予以强调。

②轴承卡顿。物理因素是此类故障的成因，比如：机械摩擦、润滑油不足均会导致轴承卡顿。减速器也会因为故障而固定，无法对指令进行响应。长期以往，机械结构会损坏。

③传动机间隙过大。此类故障会影响位置控制的准确性，设备的指令响应能力也会随之减弱。导致此类故障的原因为安装不合理、零部件精度不足以及磨损。

④载荷路径结构故障。减速装置在飞控机电作动系统中发挥了重要的作用，能够降低高转速扭矩的速度，使其性质发生改变。为保证其作用的充分发挥，装置的减速模式被优化，变为了逐渐减速，但这种减速模式却导致装置在加工和安装阶段出现物理偏差，且难以规避。

3.2 故障诊断方法

飞控机电作动系统故障模式诊断方法为仿真分析方法，分析的重点对象为上述几种典型的故障模式。主要表现在以下方面：

①绕组电路。假设铁磁材料具有不饱和的磁性，同时不对磁滞影响进行考虑，那么无刷直流电机的三相电流满足公式：iA+iB+iC=0，同时，三相绕组也满足公式：LA+LB+LC=L，简言之，就是不同相之间具有相同的互感。在此类故障发生之后，短路闭环会随之产生。

故障产生后有如下表现：电机三相无法保持对称的状态，其中一路绕组电路不正常，同时存在短路和不短路绕组的现象。电机电感和电阻均会在故障影响下发生改变。工作人员可以在此基础上，对故障影响和成因加以界定和分析。

②軸承卡顿。通过上述分析可知，轴承卡顿故障出现的原因为机械结构在异物的干扰下受损，故无法起到应有的作用。在故障的影响下，电机转速会逐渐下降，直至为零。而解决故障的方法为加大输出功率。我们可以基于故障模式特点，通过建立故障模型的方式诊断故障。模型如图1所示。

③传动机间隙过大。我们可以通过死区模型的建立，诊断此类故障。数学模型如下：

在上述公式中，输出端与负载端的相对转角由？兹d表示，而死区函数由DB表示，单边间隙由Ba表示。

④载荷路径结构故障。突变型是此类故障最显著的特征，简言之，就是信号在短时间内发生改变，我们可以用下述模型对其进行诊断。

在上述公式中，时间变量由f（t）表示，而随机变量由tch表示。

在将故障录入到上述模型后，可以得到如图2所示的结果。

4  结论

综上所述，在科学技术发展的推动下，飞控机电作动系统被应用于民航客机的控制系统之中，其应用保障了民航客机的安全性。但值得注意的是，由于这种系统较为复杂，其故障也呈现出多元化的特点。其中典型的故障形式包括绕组电路、轴承卡顿、传动机间隙过大和载荷路径结构故障。这些故障分别发生于系统驱动机、执行机位置器和传感器之中，对设备和整个系统的运行造成了不利的影响。故通过构建仿真模型，对其故障成因及影响进行分析，具有十分重要的意义。

参考文献：

[1]孙晓哲，杨珍书，陈棒，等.飞控机电作动系统典型故障模式影响分析[J].微特电机，2019，47（10）：25-30，35.

[2]王天乙.航天器的“肌肉”：机电作动器[J].军事文摘，2019（16）：10-11.

[3]胡小飞，王毅，朱炎，等.电磁制动器的发展现状及应用前景[J].微特电机，2019，47（04）：71-75.

[4]张肖，董敏，胡红利.基于LabVIEW的机电作动器测试系统[J].自动化与仪器仪表，2019（04）：71-75.