关 键 词：电动舵机；传感器；故障诊断；多余度比较；解析模型
随着大功率、高功重比电机技术的发展，电动伺服舵机（或称为机电作动器）逐步成为新型作动技术的发展前沿，它摈弃了传统液压伺服舵机对集中能源的使用方式，而采用高压电源的能源方式，具备典型的分布式特征，在可靠性、维修性及复杂性等方面具有明显优势［１⁃３］，目前已成为中低功率和输出力作动技术的代表。
而随着电动伺服舵机在汽车控制、飞机飞行控制和发动机控制等安全关键系统中的应用越来越广泛［４⁃６］，不仅在伺服闭环控制精度方面的要求越来越高，即要求其采用高速电机、高精密传动机构减小机械传动间隙，并配置合理的位置反馈传感器和速度反馈传感器实现闭环控制；而且对整个伺服控制回路的容错能力要求也越来越严苛。 受限于电机、机械齿轮等在体积、质量方面的限制，以及在基本可靠性提升方面的约束，往往在电气方面采用多余度配置方式提升整体伺服控制的容错能力［７⁃９］，使电动伺服舵机具备较高的安全性和任务可靠性，如采用主／ 备两余度的线圈实现对电机控制的感应、采用多余度的位置传感器实现对反馈信号的采集。 这就要求电动伺服舵机具备完整的故障检测、定位和隔离机制，以确保服控制回路的容错能力［１０⁃１６］。
面向安全关键系统传感器最为常见的故障诊断方法是以多余度比较为主的故障检测和定位策略。这种策略通过多个余度间传感器信息的比较来识别故障余度的传感器［１７⁃２２］，并且具有跨余度间比较、跨表决值比较等多种有效方法。 随着研究应用的不断深入，研究人员发现基于多余度比较的故障诊断方法能够有效处理传感器机械卡死、存在恒定偏差、电气通道短路等故障模式，能够在超过设计阈值时进行精准识别。 但是，在面临 ２ ∶ ２，１ ∶ １ ∶ １，１ ∶ １等奇异故障模式时，基于多余度比较的方法将完全失效，无法识别故障余度，进而给闭环控制带来较大影响，甚至引发电动伺服舵机的控制失效，进一步导致安全关键系统的运行紊乱。
本文在多余度比较的故障诊断方法基础上，提出基于解析模型的滑动数据窗假设检验方法，针对传感器的奇异故障模式进行故障诊断策略研究和算法设计，并以航空机载系统的电动伺服舵机应用为背景，证明其对控制回路的高精度闭环和高容错控制效果。
１ 多余度电动伺服控制
电动伺服舵机通常采用多余度伺服指令级和功率放大级的控制结构。 伺服指令级由电机实现电信号驱动指令到电机转速的转换，以进行功率传输和驱动传递，且一般采用主／ 备线圈驱动的多余度电气工作模式。 考虑到功率放大以及输出机构传动比的要求，在电机和输出机构之间存在多级的机械传动机构。 为了实现高精度的闭环控制，在输出机构上配置有多余度位置传感器，由此可以实现典型的ＰＩＤ 闭环控制，如图 １ 所示。
作为控制回路的信息反馈级，当位置传感器的某个余度发生故障时，可以采用以上所述的基于多余度比较的故障诊断方法，即通过多个余度的位置传感器信息互相比较来识别故障，并隔离故障余度的位置传感器，将剩余正常余度的传感器表决后反馈进入控制回路。
如前所述，对于位置传感器发生某个余度的机械卡死、恒定偏差等故障模式，当超过设计阈值时，可以通过多余度比较方法进行故障检测和识别，但奇异故障模式的故障检测和识别一直是多余度比较方法难以处理的问题之一。 如果不加以解决，伺服控制失效将可能导致整个系统控制回路的整体失效，带来灾难性损失。
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结 论
采用基于滑动数据窗的假设检验方法，提出一种基于霍尔传感器模型（解析余度）的故障诊断方法，与基于多余度比较的故障诊断方法进行综合，由此形成的混合故障诊断方法能够有效解决当前难以处理的 ２ ∶ ２ 等奇异故障模式。
基于霍尔传感器完整的自监控设计、舵机位置传感器的解析模型设计，创新性地构建出非相似余度信号，能够有效辅助多余度物理传感器信号的故障诊断；基于滑动数据窗的多样本检验方法，通过调整滑动数据窗口的宽度，可以同时满足故障检测对虚警率和漏报率的指标要求。
针对某电动伺服舵机的四余度位置传感器实际产品，在物理验证环境下开展 ２ ∶ ２ 奇异故障模式的算法综合验证，结果表明基于霍尔传感器模型的故障诊断算法，能够及时、准确地识别故障余度的位置传感器信号，保留正常余度的传感器信号，有效解决了 ２ ∶ ２ 等奇异故障带来的诊断难题，大幅提升传感器信号的可用性，保证电动伺服舵机的变控制精度和系统容错能力。
参考文献（略）
