高可靠航天机电伺服系统的过流保护与故障恢复

本文对基于机电伺服技术作为控制执行机构的航天伺服系统的过流保护与故障恢复技术进行了研究，研究分析了机电伺服在飞行使用过程中的常见故障模式及保护方法，并研究了通过故障恢复控制技术对故障进行快速恢复，确保飞行安全。

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，实现伺服控制。

1.2 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，进入系统的闭环控制工作状态。

文章来源：《电力系统保护与控制》 网址: http://www.dlxtbhykzzz.cn/qikandaodu/2020/0804/423.html