高可靠航天機(jī)電伺服系統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)與故障恢復(fù)控制技術(shù)

文/史晨虹 徐志書(shū) 李東東

機(jī)電伺服技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外運(yùn)載火箭的伺服控制中，其典型應(yīng)用包括搖擺火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管實(shí)現(xiàn)推力矢量控制或控制飛行器氣動(dòng)舵面實(shí)現(xiàn)空氣動(dòng)力控制，進(jìn)而完成對(duì)運(yùn)載火箭的姿態(tài)穩(wěn)定性控制。機(jī)電伺服系統(tǒng)因其組成與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用與維護(hù)方便等特點(diǎn)逐漸獲得了更多的航天應(yīng)用。

伺服系統(tǒng)是關(guān)系到航天飛行成敗的重要控制設(shè)備，其對(duì)可靠性有很高的要求。因此，航天伺服系統(tǒng)在飛行使用中應(yīng)具有對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)性措施，對(duì)于常見(jiàn)的故障模式應(yīng)具有故障檢測(cè)與故障恢復(fù)控制方法，以確保在發(fā)生常見(jiàn)故障的情況下保證飛行安全。

1 系統(tǒng)組成原理與保護(hù)范圍

1.1 航天伺服的系統(tǒng)組成及原理

針對(duì)航天應(yīng)用的技術(shù)特點(diǎn)，伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高等特點(diǎn)，據(jù)此特點(diǎn)設(shè)計(jì)的航天機(jī)電伺服系統(tǒng)的主要組成包括機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、永磁同步伺服電機(jī)、伺服控制驅(qū)動(dòng)器、伺服動(dòng)力電源及伺服電纜網(wǎng)。

其中伺服動(dòng)力電源為整個(gè)系統(tǒng)提供直流電能，是整個(gè)系統(tǒng)的初級(jí)能源。伺服控制驅(qū)動(dòng)器集成了伺服控制功能與伺服驅(qū)動(dòng)功能，伺服控制功能是以DSP為核心的控制功能電路，DSP中運(yùn)行閉環(huán)控制算法，接收伺服指令信號(hào)，采集系統(tǒng)的各種狀態(tài)反饋信號(hào)，最終為每臺(tái)伺服電機(jī)生成六路PWM占空比斬波信號(hào)。伺服驅(qū)動(dòng)功能是以IGBT為核心的功率驅(qū)動(dòng)電路，接收PWM信號(hào)后根據(jù)PWM信號(hào)要求完成功率管的開(kāi)、關(guān)動(dòng)作，將伺服動(dòng)力電源提供的直流電能逆變?yōu)槿嘟涣麟娔?，提供給永磁同步伺服電機(jī)。而永磁同步伺服電機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力執(zhí)行元件，輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速（機(jī)械功率），帶動(dòng)機(jī)電傳動(dòng)機(jī)構(gòu)做功，實(shí)現(xiàn)伺服控制。

1.2 系統(tǒng)的保護(hù)范圍

運(yùn)載火箭的姿態(tài)控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)電伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度要求很高，機(jī)電伺服系統(tǒng)作為控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)經(jīng)常處于瞬間短時(shí)高功率輸出的工況條件下，即要求伺服控制驅(qū)動(dòng)器向永磁同步伺服電機(jī)短時(shí)間提供峰值大電流。火箭在飛行過(guò)程中，受到飛行環(huán)境中各種氣動(dòng)環(huán)境等復(fù)雜環(huán)境的干擾，隨時(shí)需要機(jī)電伺服系統(tǒng)輸出較大的瞬間功率；同時(shí)，伺服系統(tǒng)承受飛行過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、分離沖擊、過(guò)載加速等力學(xué)環(huán)境與高溫環(huán)境的影響，都對(duì)伺服系統(tǒng)的工作可靠性提出了較高的要求。

伺服控制驅(qū)動(dòng)器作為電力電子產(chǎn)品，是機(jī)電伺服完成電磁功率到機(jī)械功率轉(zhuǎn)換的核心環(huán)節(jié)，雖然伺服系統(tǒng)有很高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求，即伺服控制驅(qū)動(dòng)器隨時(shí)需要輸出較大的瞬間峰值電流，但其功率器件IGBT的使用電流必須受到嚴(yán)格限制，以避免電流過(guò)大導(dǎo)致IGBT功率管的不可逆性損壞，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)飛行的失??；同時(shí)，功率驅(qū)動(dòng)電路受飛行惡劣環(huán)境的影響，或復(fù)雜電磁環(huán)境的影響，本身有偶發(fā)性失效保護(hù)的可能性。飛行過(guò)程中無(wú)論因工作電流過(guò)大造成器件損壞或功率驅(qū)動(dòng)電路偶發(fā)性失效保護(hù)無(wú)法快速恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，都會(huì)造成整個(gè)飛行任務(wù)的失敗。

因此，必須針對(duì)在復(fù)雜工況與復(fù)雜環(huán)境下可能出現(xiàn)的過(guò)電流或驅(qū)動(dòng)電路失效保護(hù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高可靠的有效處理。工程中的實(shí)現(xiàn)方法是，當(dāng)伺服控制驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)超過(guò)允許的上限電流時(shí)，立即采取過(guò)流保護(hù)措施強(qiáng)制將電流下降，以避免損壞功率器件，當(dāng)電流下降到預(yù)設(shè)的安全范圍內(nèi)時(shí)，快速恢復(fù)伺服控制驅(qū)動(dòng)器的正常閉環(huán)工作；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路因受到干擾等因素出現(xiàn)失效保護(hù)時(shí)，能夠快速的對(duì)故障進(jìn)行恢復(fù)。在同時(shí)出現(xiàn)過(guò)流保護(hù)與驅(qū)動(dòng)電路失效保護(hù)的極端情況下，也應(yīng)能夠在短時(shí)間內(nèi)使系統(tǒng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，從而不會(huì)導(dǎo)致運(yùn)載火箭的姿態(tài)失控，能夠?qū)⒂绊懡档偷綄?duì)運(yùn)載火箭的飛行穩(wěn)定性沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的影響。

2 過(guò)流保護(hù)與故障恢復(fù)控制技術(shù)

2.1 機(jī)電伺服系統(tǒng)閉環(huán)工作流程

以典型的推力矢量控制用航天伺服系統(tǒng)為例，其軟件定時(shí)終端服務(wù)程序的基本流程圖如圖1所示。其定時(shí)中斷采用DSP內(nèi)部定時(shí)器，定時(shí)中斷周期為0.1ms。

過(guò)流保護(hù)與故障恢復(fù)的基本設(shè)計(jì)方法是，每個(gè)定時(shí)中斷周期內(nèi)首先進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù)管理，判斷功率母線(xiàn)電流、母線(xiàn)電壓和三相交流電流值，一旦出現(xiàn)欠壓、短路、過(guò)流等情況，即上述參數(shù)超出保護(hù)閾值，DSP立即封鎖PWM輸出，鎖止驅(qū)動(dòng)電路，關(guān)斷IGBT管，避免燒壞功率器件本身；當(dāng)檢測(cè)到上述故障消失時(shí)，迅速恢復(fù)PWM輸出和驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)入系統(tǒng)的閉環(huán)控制工作狀態(tài)。

2.2 過(guò)流保護(hù)與恢復(fù)技術(shù)研究

圖1：推力矢量控制機(jī)電伺服系統(tǒng)定時(shí)中斷流程

在機(jī)電伺服系統(tǒng)由于需要瞬間輸出較大的功率或受到某種環(huán)境干擾出現(xiàn)較大電流時(shí)，該電流峰值可能會(huì)超出允許的安全上限，燒毀驅(qū)動(dòng)器功率管，此時(shí)將PWM信號(hào)封鎖，從而電流會(huì)快速下降，避免燒壞功率器件本身，而當(dāng)檢測(cè)到電流下降到安全范圍后，迅速恢復(fù)系統(tǒng)的閉環(huán)控制工作機(jī)制，確保運(yùn)載火箭不因電流保護(hù)而失去控制。即一方面在電流過(guò)大的情況下保護(hù)了系統(tǒng)硬件，不會(huì)造成系統(tǒng)損壞，同時(shí)又能在極短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)工作狀態(tài)，不因?qū)﹄娏鞯谋Ｗo(hù)而影響整個(gè)運(yùn)載火箭的推力矢量控制，這與一般的工業(yè)控制有明顯的區(qū)別。如圖2所示。

工程中的具體實(shí)現(xiàn)方法為，通過(guò)控制軟件算法，當(dāng)檢測(cè)到伺服電機(jī)的U、V、W三相交流相電流大于過(guò)流閾值時(shí)，進(jìn)入過(guò)流故障保護(hù)狀態(tài)，關(guān)閉PWM輸出，進(jìn)而使相電流快速恢復(fù)到較低值。同時(shí)進(jìn)入過(guò)流故障保護(hù)狀態(tài)后，軟件中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相電流值，一旦相電流減小到過(guò)流恢復(fù)電流閾值以下，延遲3ms后退出過(guò)流故障保護(hù)狀態(tài)，并打開(kāi)PWM輸出，重新進(jìn)入系統(tǒng)的閉環(huán)控制工作狀態(tài)。

2.3 偶發(fā)性失效保護(hù)與恢復(fù)技術(shù)研究

機(jī)電伺服系統(tǒng)的伺服控制驅(qū)動(dòng)器在較為惡劣的環(huán)境條件或電磁干擾條件下，存在偶發(fā)性失效的故障模式。此時(shí)功率驅(qū)動(dòng)主芯片輸出故障信號(hào)，并鎖存PWM信號(hào)，系統(tǒng)功率部分處于休眠狀態(tài)。對(duì)于工業(yè)控制中的一般地面設(shè)備，可以通過(guò)人為干預(yù)的方式重啟伺服控制驅(qū)動(dòng)器的正常工作；而對(duì)于航天伺服系統(tǒng)，必須快速恢復(fù)驅(qū)動(dòng)電路的工作狀態(tài)，對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行復(fù)位，從而使伺服控制驅(qū)動(dòng)器迅速恢復(fù)到正常狀態(tài)，不會(huì)因驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)臨時(shí)性故障保護(hù)而影響整個(gè)運(yùn)載火箭的飛行安全。如圖3所示。

圖2：系統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)與恢復(fù)技術(shù)流程圖

圖3：系統(tǒng)功率電路故障保護(hù)與恢復(fù)技術(shù)流程圖

工程中的具體實(shí)現(xiàn)方法為，當(dāng)檢測(cè)到母線(xiàn)電流大于短路電流閾值，或母線(xiàn)電壓低于欠壓電壓閾值，或其他干擾觸發(fā)驅(qū)動(dòng)主芯片進(jìn)入保護(hù)模式時(shí)，進(jìn)入驅(qū)動(dòng)故障保護(hù)狀態(tài)，鎖止驅(qū)動(dòng)電路輸出并關(guān)閉PWM輸出，保護(hù)功率器件不因短路故障、欠壓故障或其他干擾因素而損壞。進(jìn)入驅(qū)動(dòng)故障保護(hù)狀態(tài)后，軟件中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)母線(xiàn)電流、母線(xiàn)電壓值以及驅(qū)動(dòng)主芯片的狀態(tài)反饋，一旦其值減小到恢復(fù)閾值以下，延遲3ms后退出驅(qū)動(dòng)故障保護(hù)狀態(tài)，復(fù)位驅(qū)動(dòng)電路并打開(kāi)PWM輸出，重新進(jìn)入系統(tǒng)的閉環(huán)控制工作狀態(tài)。

在極端情況下，即便電流過(guò)大與功率驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)故障保護(hù)同時(shí)發(fā)生，利用該控制策略也可以同時(shí)對(duì)電流過(guò)流進(jìn)行保護(hù)與恢復(fù)，并對(duì)功率驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)的故障保護(hù)進(jìn)行快速恢復(fù)，兩種保護(hù)模式相互獨(dú)立，并不沖突。

3 總結(jié)

本文研究分析的航天機(jī)電伺服系統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)與故障恢復(fù)技術(shù)，可以在不額外增加特殊硬件設(shè)備的條件下，通過(guò)軟件控制機(jī)制完成保護(hù)與恢復(fù)操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服控制驅(qū)動(dòng)器硬件電路的可靠保護(hù)。該控制方法可以可靠的確保對(duì)電流過(guò)流的保護(hù)，保證電流不會(huì)超過(guò)驅(qū)動(dòng)器允許的門(mén)限，不會(huì)因過(guò)流損壞驅(qū)動(dòng)器。同時(shí)在驅(qū)動(dòng)器功率驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)故障保護(hù)時(shí)，會(huì)及時(shí)停止驅(qū)動(dòng)器的工作，不會(huì)因?yàn)樵诠收锨闆r下繼續(xù)工作而損壞驅(qū)動(dòng)器。

同時(shí)，對(duì)故障的恢復(fù)迅速，可以保證運(yùn)載火箭的飛行使用要求。無(wú)論是電流過(guò)流情況下的恢復(fù)時(shí)間還是功率驅(qū)動(dòng)電路的恢復(fù)時(shí)間都為毫秒級(jí)，對(duì)推力矢量控制的性能無(wú)實(shí)質(zhì)性影響。即便是在電流出現(xiàn)連續(xù)過(guò)流或驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)連續(xù)保護(hù)的情況下，甚至是在電流過(guò)流與功率驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)連續(xù)出現(xiàn)保護(hù)的情況下仍能保證系統(tǒng)快速的正?；謴?fù)工作狀態(tài)，保證運(yùn)載火箭的飛行安全。