某型無人機空中供電異常的故障分析

郝世勇，戰(zhàn)祥新

（海軍航空大學青島校區(qū)，山東青島，266041）

1 故障問題概述

2021 年8 月，某單位一架無人機飛行過程中出現(xiàn)電壓跌落又重新恢復故障。通過飛參數據判讀具體故障過程：無人機飛行近5 小時后，在27min 內主電源發(fā)電機電壓由29.4V 緩慢降低到27.5V，此過程發(fā)動機轉速約4700r/min，負載電流約51A；之后主電源電壓突然下降到8V 左右，按照既定工作邏輯發(fā)電機控制器翻轉為副勵磁狀態(tài)，蓄電池應急并網供電（蓄電池并網瞬間使發(fā)電機電壓曲線短暫顯示恢復正常值，蓄電池并網后使關鍵匯流條電壓曲線顯示恢復正常值），約7min 后發(fā)電機供電恢復到29V 左右正常值，此后至無人機著陸，直流電源系統(tǒng)供電一直正常。

飛機著陸后，進行地面聯(lián)試約20min，發(fā)電機與發(fā)電機控制器均工作正常，未出現(xiàn)飛行過程中的掉電故障現(xiàn)象。根據要求，隨后在飛機上進行模擬發(fā)電機電刷卡滯故障復現(xiàn)試驗。將發(fā)電機F+接線柱與對應接線片斷開，中間用約5米導線及開關連接，并將發(fā)電機勵磁控制開關引至飛機外部以便于操作。試驗用發(fā)電機為飛機出現(xiàn)故障時發(fā)電機。發(fā)動機轉速約3500r/min，負載電流約35A，發(fā)電機并網輸出電壓正常工作幾分鐘后，手動斷開外部的發(fā)電機勵磁開關同時手動發(fā)電機撤網（由于是手動操作，發(fā)電機撤網會滯后于發(fā)電機勵磁開關斷開的操作），蓄電池（或地面電源）并網。模擬故障復現(xiàn)試驗時發(fā)現(xiàn)，帶載時斷開發(fā)電機勵磁開關，發(fā)電機控制器會由于外部發(fā)電機欠壓而翻轉為副勵磁工作狀態(tài)，且?guī)лd測試時發(fā)電機輸出電壓會跌落到0V，飛參與該機空中掉電故障時飛參對比可以吻合。

2 供電系統(tǒng)工作原理分析

該無人機供電系統(tǒng)由交流發(fā)電機和配套的發(fā)電機控制器組成。供電系統(tǒng)電氣原理圖如圖1 所示。交流發(fā)電機為爪極式同步發(fā)電機，轉子為磁極，轉子內有勵磁繞組，勵磁繞組正負引出線分別焊接于轉子軸上的兩個滑環(huán)上，通過電刷與滑環(huán)的滑動接觸實現(xiàn)勵磁回路導通，控制器通過控制勵磁電流調節(jié)發(fā)電機輸出電壓。定子為兩套相同的三相繞組，這兩套定子繞組發(fā)出的交流電經整流器整流后并聯(lián)，變成直流電輸出。由控制器向發(fā)電機轉子勵磁繞組提供直流電，并根據輸出電壓的變化調節(jié)勵磁電流的大小，保證發(fā)電機輸出的直流電穩(wěn)定在28.5V±1.5V 向電網供電[1,2]。

圖1 供電系統(tǒng)電氣原理圖

發(fā)電機控制器是整個供電系統(tǒng)的核心控制設備?？罩械綦婏w參曲線顯示發(fā)電機電壓掉至8V 左右，通過故障時飛參波形曲線分析如下：空中掉電時，發(fā)電機控制器由于外部發(fā)電機輸出電壓發(fā)生欠壓異常而翻轉為副勵磁（振蕩調壓工作狀態(tài)），這表明發(fā)電機控制器的轉換功能正常。發(fā)電機控制器振蕩調壓電路如圖2 所示，其中外加勵磁控制開關是用于模擬發(fā)電機電刷卡滯故障。發(fā)電機輸出電壓經電阻和電位器分壓后與穩(wěn)壓管D7相連，如果發(fā)電機輸出電壓偏低，電阻R18和電位器的合計分壓值小于基準電壓值，三極管V4截止，達林頓三極管V7飽和導通，這樣流過發(fā)電機激磁繞組的激磁電流增大，發(fā)電機輸出電壓增大；反之如果發(fā)電機輸出電壓偏高，三極管V4飽和導通，達林頓三極管V7截止，這樣流過發(fā)電機激磁繞組的激磁電流減小，發(fā)電機輸出電壓減小，也能夠使發(fā)電機輸出穩(wěn)定的28.5V 左右電壓，從而達到調壓功能。

圖2 發(fā)電機控制器調壓原理圖

通過飛參數據看出，2021 年8 月該無人機空中掉電蓄電池并網前瞬間，負載電流約僅約為10A。這說明蓄電池并網前瞬間機上負載的等效電阻較大，發(fā)電機電刷卡滯相當于勵磁控制開關斷開，理論上發(fā)電機電壓會迅速降至0V。但由于機上14V 輔助激磁電源的作用，其路徑為：14V 輔助激磁電源→51Ω 電阻→二極管D26→達林頓三極管V7的EB 間PN 結→二極管D9→發(fā)電機電壓→機上負載→地。發(fā)電機電壓會由于14V 輔助激磁電源的作用仍存在少量分壓，負載電流越大(等效電阻越小)則分壓越低，負載電流越小(等效電阻越大)則分壓越高。電壓跌落瞬間若外部并網控制信號能迅速使發(fā)電機撤網(相當于接觸器開關斷開，由帶載變?yōu)榭蛰d)，由于發(fā)電機控制器內部發(fā)電機電壓信號與地之間阻抗很大(近1kΩ)，則發(fā)電機電壓分壓達到8V 左右。

發(fā)電機控制器的發(fā)電機電壓信號轉換電路見圖3 所示。飛參中采集的28V 發(fā)電機電壓曲線是圖3 中的運放1 腳輸出的發(fā)電機電壓信號，再經過配電管理機轉換而得到的28V 發(fā)電機電壓曲線。由于運放8 腳工作電源的分散性，當空中掉電使發(fā)電機電壓過低時，運放會由于工作電源不足而無輸出，這樣飛參中采集的28V 發(fā)電機電壓曲線會顯示為0V，這屬于發(fā)電機電壓信號轉換電路的正常特性。

圖3 發(fā)電機電壓信號轉換電路

另外如果發(fā)電機空中掉電時發(fā)電機電壓降為很低，雖然發(fā)電機控制器轉為振蕩調壓工作狀態(tài)(副勵磁)，但由于此時發(fā)電機電壓很低，發(fā)電機控制器的勵磁狀態(tài)信號無法輸出8V以上高電平(只有勵磁狀態(tài)信號輸出8V 以上高電平飛參才會顯示為副勵磁)，所以此時飛參默認顯示電源系統(tǒng)為主勵磁工作狀態(tài)（實際發(fā)電機控制器為副勵磁工作狀態(tài)），只有當發(fā)電機電壓又恢復正常時（27V 以上），飛參才能顯示電源系統(tǒng)為主勵磁工作狀態(tài)。這屬于發(fā)電機控制器的正常特性。

3 故障排查分析

結合系統(tǒng)工作原理，以供電系統(tǒng)電壓輸出異常作為頂事件，建立故障樹如圖4 所示。對照故障樹，逐點進行故障樹排查[3,4]。

圖4 供電異常故障樹

①控制器故障

與發(fā)電機配套的控制器在外場進行聯(lián)試，未發(fā)生異常。發(fā)電機配套控制器在外場聯(lián)試也未發(fā)生異常，廠內連續(xù)5小時發(fā)電試驗未發(fā)生異常，入廠復試數據合格。對控制器進行開蓋檢查經檢查發(fā)現(xiàn)無燒蝕、異味，印制板、元器件及內部線路均無異常。底事件1 可以排除。

②電氣連接故障

飛機返航后對機上連接電纜及插頭進行了檢查未發(fā)生異常，且地面聯(lián)試未發(fā)生異常。因此底事件2 可以排除。

③傳動失效

蓄電池并網，發(fā)電機撤網，控制器轉為副勵磁供電，持續(xù)1min 后，發(fā)電機恢復并網，供電正常；地面聯(lián)試也未發(fā)生異常；返廠后復試數據合格；目視檢查發(fā)電機花鍵，無異常磨損。因此底事件3 可以排除。

④整流橋組件故障

發(fā)電機返廠后復試數據合格，對發(fā)電機進行分解，并對兩組整流橋（12 個二極管）進行檢查，連接無異常，未發(fā)現(xiàn)短路或斷路現(xiàn)象。用萬用表測量所有二極管的管壓降，均在0.7V 以下，見表1 所示，未發(fā)現(xiàn)任何異常。因此底事件4 可以排除。

表1 二極管管壓降測量值

⑤定子繞組故障

發(fā)電機返廠后，對其進行分解后，目視檢查定子組件外觀，定子線圈無過熱痕跡，更換電刷架組件后，試驗數據合格。因此底事件5 可以排除。

⑥勵磁繞組斷路

發(fā)電機返廠后，對其進行分解，檢查轉子組件，目視外觀正常，勵磁繞組無過熱痕跡，更換電刷架組件后試驗數據合格。因此底事件6 可以排除。

⑦滑環(huán)斷路開裂

發(fā)電機返廠對電機進行分解，對滑環(huán)進行目視檢查，兩個滑環(huán)均表面光滑，無斷裂；對發(fā)電機滑環(huán)處跳動量及滑環(huán)間隙測量：測量值0.012mm，要求值小于0.015 mm；滑環(huán)間隙測量值為2.02mm，要求值為2 ～2.1mm，符合設計要求。因此底事件7 可以排除。

⑧電刷刷辮焊點脫開

拆下電刷架組件，檢查電刷刷辮焊接處，焊點完好，未脫開。因此底事件8 可以排除。

以電刷卡滯為頂事件建立故障樹如圖5 所示。

圖5 電刷卡滯故障樹

⑨電刷架尺寸超差

發(fā)電機返廠后將電刷架組件拆出，用手按動內側電刷存在卡滯現(xiàn)象，外側電刷活動靈活，電刷卡滯如圖6 所示。

圖6 發(fā)電機內側電刷卡滯圖

由于電刷架內側已在外場切開，其尺寸會發(fā)生形變，因此測量其尺寸已無意義。電刷架外側電刷靈活不卡滯，但使用塞規(guī)測量電刷架外側尺寸時，發(fā)現(xiàn)過端無法通到刷握底部，電刷架尺寸超差。對生產電刷架的模具進行復查，測量尺寸如下表2 所示。

表2 電刷架模具測量尺寸

從表2 可見，電刷卡滯的內外側電刷架模具孔底比要求尺寸小，電刷架成型工藝為鑄塑工藝，出模后零件實際尺寸會比模具尺寸小，因此電刷架模具的尺寸超差，導致電刷架尺寸超差。因此底事件9電刷架尺寸超差不能排除。

⑩電刷尺寸超差

分解電刷架組件后，電刷尺寸測量值見表3，均符合設計要求。

表3 電刷測量尺寸

因此底事件10 可以排除。

分解電刷架組件后套管完好，無磨損。電刷刷辮未斷開，無松散。因此底事件11 可以排除。

分解電刷架組件，發(fā)電機的彈簧自然狀態(tài)下未變形，彈簧彈力測量值見表4，彈簧壓力值符合設計要求。

表4 電刷彈簧彈力值測量

因此底事件12 可以排除。

分解電刷架組件目視檢查刷握內表面光滑，不存在異物。因此底事件13 可以排除。

4 故障機理分析

通過上述故障排查情況分析，該無人機空中供電輸出異常故障定位如下：

發(fā)電機電刷卡滯，造成電刷與滑環(huán)的接觸異常，（此時電刷與滑環(huán)處于接觸狀態(tài)），電刷與滑環(huán)間接觸電阻變大，造成勵磁回路的電阻變大，使勵磁電流減小，發(fā)電機輸出電壓減小，其電壓大致在27.5V，控制器檢測到輸出電壓較低，所以控制激磁占空比調節(jié)輸出電壓，使輸出電壓升高，表現(xiàn)為升至29V(正常情況下電壓在29V 左右)，由于電刷與滑環(huán)依舊存在接觸異常，輸出電壓仍然會降低，由29.4V 緩慢降低到27.5V。且隨著電刷與滑環(huán)的斷開，電機勵磁電流回路斷開，發(fā)電機勵磁電流接近0A，最終造成發(fā)電機電壓輸出異常；約7min 后碳刷不再卡滯，發(fā)電機輸出電壓又恢復到正常值范圍。

機上電源系統(tǒng)輸出電壓顯示僅為控制器回路輔助勵磁電源所產生電壓，約為8V 左右。對應機上現(xiàn)象輸出電壓突降為8V?？刂破鞯墓δ苁请S著輸出電壓下降，當輸出電壓低于24V 時，控制器由主勵磁翻轉為副勵磁狀態(tài)。

5 模擬故障復現(xiàn)試驗

電刷卡滯造成電刷與滑環(huán)間接觸電阻增大的變化很難復現(xiàn)，可以通過在勵磁回路中串聯(lián)電阻模擬接觸電阻的增大，以及通過串聯(lián)開關模擬電刷與滑環(huán)的斷開。因此做兩項模擬試驗，進行故障復現(xiàn)。

試驗一：勵磁回路串聯(lián)電阻進行模擬飛行試驗，驗證勵磁回路接觸電阻大是否與故障現(xiàn)象有關。試驗過程：模擬故障時飛行試驗工況，在發(fā)電機建壓后，調節(jié)發(fā)電機轉速為5000r/min，同時加50A 電流的負載，調節(jié)滑動變阻器阻值Rp，記錄系統(tǒng)輸出電壓U0變化情況。試驗結果：當Rp=0時，U0=29.2V，隨著阻值加大，輸出電壓一直在降低，當Rp=20.9Ω 時，U0=27.3V；Rp阻值進一步增加后，輸出電壓急劇降低，控制器立即由主勵磁建壓轉為備用勵磁建壓，最后電壓穩(wěn)定在7.3V。

試驗二：斷開發(fā)電機勵磁回路，驗證故障現(xiàn)象8V 電壓是否是由于12V 輔助勵磁供電所得(此電源一直處于連通狀態(tài))。試驗過程：在發(fā)電機建壓后，空載，調節(jié)發(fā)電機轉速為5000r/min，斷開勵磁回路，記錄系統(tǒng)輸出電壓值；兩分鐘后閉合勵磁回路，記錄系統(tǒng)輸出電壓值；再次斷開勵磁回路，記錄系統(tǒng)輸出電壓值，將12V 輔助勵磁電壓調節(jié)為0，記錄系統(tǒng)輸出電壓值。試驗結果：在斷開勵磁回路、12V 輔助勵磁供電的條件下，系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定在7.3V，兩分鐘后，恢復發(fā)電機勵磁，系統(tǒng)輸出電壓恢復至28.6V。再次斷開勵磁回路，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在7.3V，將12V 輔助勵磁電壓降為0 后，系統(tǒng)輸出電壓為2.2V。可以確認發(fā)電機剩磁產生電壓為2.2V，7.3V 為控制器回路12V 輔助勵磁電源所產生電壓。

飛機上12V 輔助勵磁實際供電電壓為14.3V，再次試驗，將試驗12V 輔助勵磁電壓調節(jié)為14.3V，斷開勵磁回路，此時系統(tǒng)輸出電壓為8V左右，與故障現(xiàn)象一致，實現(xiàn)故障復現(xiàn)。

6 解決措施

由于電刷架模具尺寸超差，導致電刷架尺寸超差。且在使用塞規(guī)檢測電刷孔尺寸時，只檢查孔口處至1/3 處，不會通到孔底，導致不合格電刷架被放行。因此一方面要依據設計的電刷架尺寸，重新定制模具；二是細化電刷架尺寸檢驗工序，明確方孔塞規(guī)的使用方法，用塞規(guī)檢驗電刷架刷握尺寸時，一定要將塞規(guī)塞進刷握的底部，保證電刷尺寸符合設計要求。