CN109681347A - 一种液体火箭发动机推力调节伺服***故障保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液体火箭发动机推力调节伺服***故障保护方法，该方法制定了液体火箭发动机工作过程流量调节伺服***的保护原则；结合发动机在起动、转级、工况调节及关机不同工作阶段，确定保护策略与发动机工况时序关系；故障诊断和各项保护功能的具体实现方法，利用硬件检测和软件判读相结合的方式，诊断伺服***的故障，分为6项故障保护功能，软件通过预置保护策略和保护阈值自动判断得出处置措施并驱动硬件实现。本发明在发动机工作过程对流量调节伺服机构进行故障诊断、安全处置，是保证液体火箭发动机***安全的重要手段，提高了发动机在线检测和故障诊断能力。

Description

一种液体火箭发动机推力调节伺服***故障保护方法

技术领域

本发明属于液体火箭发动机推力调节控制技术领域，涉及一种液体火箭发动机推力调节伺服***故障保护方法。

背景技术

某重型液氧煤油火箭发动机动力***采用机电伺服控制***实现发动机快速起动、转级、大范围推力调节，通过伺服电机驱动流量调节器实现推力调节，伺服控制器作为重型发动机伺服机构控制、流量调节的核心测控单元，完成发动机的起动、转级及关机过程控制。伺服控制器接收到启动信号指令后，实时接收指令或按预置控制时序控制电机在规定时间内达到额定位置，在线检测电机运行指标及状态，进行故障诊断及***保护，并根据发动机不同工作阶段按不同原则实施。控制过程的可靠性都直接影响发动机工作过程的可靠性、安全性。以往的液氧煤油火箭发动机主要采用步进电机开环控制，***较简单，采集的参数无需参与闭环控制，而伺服控制***区别于以往步进电机的开环控制，电机控制采用正弦波矢量控制，通过伺服控制器对永磁交流伺服电机进行电流、速度及位置闭环控制，实现电机快速、稳定调节，所以电机驱动、反馈测量环节，以及伺服机构(流量调节器、伺服机组)的运行状态均决定了发动机工作性能和工作过程的可靠性、安全性。

虽然伺服控制***及其控制技术在国内外发展迅速并有大量成熟应用，但伺服控制***用于液体火箭发动机流量调节***在国内尚属首次，在发动机工作过程对流量调节伺服机构进行故障诊断、安全处置是保证控制***和动力***安全的重要手段，必须在发动机研制初期并行进行。

发明内容

为了对液体火箭发动机推力调节伺服***进行故障保护，保证发动机工作性能和工作过程的可靠性、安全性，本发明提供一种液体火箭发动机推力调节伺服***故障保护方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种液体火箭发动机推力调节伺服***故障保护方法，其特殊之处在于，包括下列步骤：

1)在火箭发动机起动前，推力调节伺服***上电，进行传感器断线检测，如果检测到断线，禁止伺服控制器操作、禁止电机动作、发送报警信号；如果没有检测到断线，进行步骤2)；

所述推力调节伺服***包括伺服控制器及由电机、减速器、失电制动器及传感器组成的伺服机组；所述传感器包括电机位置传感器、机组位置传感器及机组限位传感器，所述电机位置传感器用于检测电机的转动角度位置与速度，所述机组位置传感器用于检测减速器输出轴的位置；所述机组限位传感器用于检测伺服机组减速器位置是否超出运转范围：所述失电制动器用于对电机位置进行锁定；

2)进行时统信号检测

发动机点火启动前的准备阶段，发动机控制***向伺服控制器发送时统信号，发动机控制***检测伺服控制器是否接收到时统信号的状态反馈，如果是，进行步骤3)；如果否，发动机控制***执行紧急停车程序、中止本次点火启动；

3)伺服控制器开始执行推力调节时序，在推力调节中，进行推力调节伺服***故障检测和保护：

3.1)在发动机工作过程中，按一定周期对推力调节伺服***进行故障检测，检测手段如下：

3.1.1a)通过机组位置传感器检测减速器输出轴的位置，即伺服机组当前位置，通过软件判断机组是否运动至软件限位，如果是，则发生了软件限位故障；

3.1.1b)通过机组限位传感器检测伺服机组是否动到电机限位处，如果是，则发生了硬件限位故障；

3.1.2)通过一路A/D数据采集通道来采集电机驱动电压，通过软件判断电机是否发生欠压故障，如果是，则发生了欠压故障；

3.1.3)通过另一路A/D数据采集通道来采集电机驱动电路的温度，通过软件判断电机驱动电路是否超过第一阈值，并且在一定时间内温升超过一定范围，如果是，则发生第一种超温故障；如果电机驱动电路超过第一阈值，但在一定时间内温升并没有超过设定范围，则发生第二种超温故障；若电机驱动电路超过第二阈值，则发生第三种超温故障；所述第二阈值大于第一阈值；

3.1.4)通过电流检测电路检测电机驱动电流，通过比较电路判断电机驱动电流是否发生过流，如果是，则发生了第一种过流故障；

同时，通过一路A/D数据采集通道来采集电机驱动电流，通过软件判断电机驱动电流是否发生过流，如果是，则发生了第二种过流故障；

所述比较电路的阈值大于软件设定的阈值；

3.1.5)在推力调节伺服***的伺服控制器运行的PID控制算法中，将电流环的反馈输入进行阈值检测，判断是否超出阈值范围，如果是，则发生了过载故障；

3.2)故障处理

判断发动机是否处于初级以下工况，如果是，执行步骤A)-D)；如果否，则发动机处于初级及初级以上工况，执行E-G)；

A)禁止对第一种过流故障进行保护的功能；

B)判断所检测到的故障是否属于软件限位故障或过载故障，如果是限位故障，执行步骤C1)，如果是过载故障，执行步骤C2；如果即不是限位故障，也不是过载故障，则执行步骤D)；

C1)进行软件限位保护，发送报警信号，不执行制动停机；

C2)进行过载保护，发送报警信号，不执行制动停机；

D)发送报警信号，不执行制动停机；

E)开启对第一种过流故障进行保护的功能；

F)判断所检测到的故障类型，如果是软件限位故障，执行步骤G1)；如果是过载故障，执行步骤G2；如果是硬件限位故障，执行G3)；如果是欠压故障，执行G4)；如果是第一种超温故障，执行G4)；如果是第二种超温故障，执行G5)；如果是第三种超温故障，执行G4；如果是第一种过流故障和第二种过流故障，执行G4)；

G1)进行软件限位保护，发送报警信号，但不执行制动停机，回到步骤3.1)；

G2)进行过载保护，发送报警信号，不执行制动停机，回到步骤3.1)；

G3)限位传感器触发限位检测电路输出电平信号，判断电平信号的有效性，如果有效，执行制动关机；如果无效执行步骤3.1)；

G4)执行制动关机；

G5)在伺服控制器运行的PID控制算法中，限制IQ电流环设定值在电机驱动器最大输出电流的50％。

进一步地，步骤3.2)中的制动关机包括以下步骤：

H1)判断所检测到的故障是否第一次发生，如果是，执行步骤H2)，如果否，执行步骤H3)；

H2)关断驱动器驱动信号，停止驱动器输出；使失电制动器掉电制动；在延迟一段时间后，再次启动驱动器驱动信号，执行推力调节控制，故障标志置位；

H3)关断驱动器驱动信号，停止驱动器输出；使失电制动器掉电制动；发送报警信号。

进一步地，步骤C1)和步骤G1)中的软件限位保护，具体如下：

当检测到推力调节伺服***的当前电机角度位置达到软件限位时，则软件限制电机维持在当前位置调节，无法超限工作。

进一步地，步骤3.1.2)中软件判断电机是否发生欠压故障的欠压保护阈值设定为电机驱动电压的60％～65％。

进一步地，步骤3.1.3)中的第一阈值为120℃，温升范围为1s内温升3℃；第二阈值为130℃。

进一步地，步骤3.1.4)中软件阈值为电机驱动器最大输出电流的80％。

进一步地，步骤3.1.5)中的阈值为电机额定工作电流的2倍。

进一步地，步骤1)传感器断线检测具体为：

传感器断线检测是在伺服控制器上电自检过程进行，自动对电机和机组位置传感器线路状态检查，若检测电机或机组位置信息连续变化、位置不固定，则表明位置传感器断线或未连接，此时禁止伺服机组动作，具体实现为：

伺服控制器上电后，在一定时间内读取并检测电机及机组位置变压器的位置信息，若在电机不启动的情况下，两次检测到位置有变化，且波动范围大于允许波动范围，则认为该线路存在故障，禁止伺服机组动作并发出旋变故障报警信号。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

1)本发明所提供的液体火箭发动机推力调节伺服控制***故障保护方法，可在发动机工作过程对流量调节伺服机构进行故障诊断、安全处置，提升发动机推力调节可靠性，从而保证液体火箭发动机***安全、可靠。

2)本发明所提供的液体火箭发动机推力调节伺服控制***故障保护方法，针对发动机工作特性提出，通过调整伺服控制器软件和配置参数，可拓展应用于不同液体火箭发动机推力、混合比调节及其它调节***，提高了火箭发动机在线检测和故障诊断能力。

附图说明

图1液体火箭发动机发动机工况调节变化示意图。

图2液体火箭发动机工作阶段保护功能执行流程框图。

具体实施方式

本发明针对发动机工作特性，提出一种液体火箭发动机推力调节伺服控制***故障保护方法，通过在发动机起动、转级、工况调节及关机不同工作阶段，制定相应的保护原则和实现方法，保证了发动机工作安全，满足火箭控制***对发动机工作要求。

本发明的技术解决方案是：液体火箭发动机推力调节伺服控制***故障保护策略及实现方法，包括以下几部分内容。

一、流量调节伺服控制***故障保护原则的制定。

①保护功能设置以保证发动机正常工作为前提；②最大限度发挥伺服机组工作能力(如过载工作)保证发动机正常工作；③在发动机工作过程，若软、硬件检测到超出设置阈值，且无法恢复故障，为保护产品，视情况采取制动，保护顺序为先启动软件保护、再进行硬件保护；④伺服控制***在发动机初级工况以下不采取制动保护措施；在发动机工作过程检测到流量调节伺服控制***存在无法修复故障，必须采取制动保护的同时，向发动机试车台故障诊断***发送报警信号，执行紧急故障关机。

二、保护策略与发动机工况时序的关系。

保护策略与发动机工况时序的关系主要根据发动机不同工作阶段制定不同的保护策略。包括：

1、伺服***在发动机起动后，进入初级前即初级工况以下(图1中t0-t1时间段,机组运转角度<δ1)，仅进行软件限位保护及过载保护，发送报警信号，但不执行制动停机；尽可能发挥***最大工作能力，保障成功率。

2、发动机进入初级后的工作过程(图1中t1-t时间段)，伺服控制***检测到需要制动停机故障时按顺序执行以下策略：

a.首先关断驱动器驱动信号、关闭功率变换电路、停止电机工作，同步输出失电制动控制信号，使电机制动抱闸；b.制动持续时间Tb(50ms)后，尝试再次启动电机，若仍检测到故障信号，则控制电机再次制动；此时发动机保护结果为：发动机紧急故障关机，或推力短时小幅波动后正常工作、或保持低工况工作、或处于额定工况工作但推力无法调节、或无法降工况关机。

三、故障诊断和保护功能的具体实现方法。

故障诊断和保护功能具体实现是利用硬件检测和软件判读相结合的方式来诊断伺服控制***的故障，软件通过预置的保护策略和保护阈值自动判断得出对应的处置措施并驱动硬件实现，伺服控制***保护包括限位保护、过载保护、欠压保护、过流保护、超温保护和传感器断线检测共6项保护功能。

伺服控制***限位保护的步骤和具体方法为，首先确定控制范围关系为：流量调节器调节器机械限位>伺服电机硬件限位>软件限位。伺服控制器设计了两重保护，即软件限位保护和硬件限位保护电路，当检测到当前电机角度位置到达软件限位时，则软件限制电机维持在当前位置调节，无法超限动作；当软件限位未发生作用时，电机将超出软件范围运动到电机限位处，此时触发限位检测电路工作并输出电平信号，软件检测到该限位信号有效后控制电机停止运行并发出报警信号；当因硬件检测电路失效或伺服电机霍尔传感器失效时，软件无法正常检测到限位信号时，电机会超出电限位范围运动到流量调节器机械限位处，将会因电机堵转出现过流、超温等现象，伺服控制器将根据检测情况启动母线过流、超温保护功能，其中软件上、下限位保护阈值覆盖发动机最高工况下流量调节器运转角度和最低工况下流量调节器运转角度，分别设置值为：(最大运转角度+5)°、(最小运转角度－5)°。

伺服控制***过载保护的步骤和具体方法为，在伺服控制器运行伺服电机PID控制算法中，将转速环PID的输出作为IQ电流环的设定输入，对此输入在参与控制前进行预处理，若反馈至伺服控制器的实测相电流转化后的IQ反馈电流超出阈值范围，则以最大阈值作为IQ电流环的设定输入，IQ电流环的设定阈值为电机额定工作电流的2倍，相电流的采集是DSP以一定周期(10kHz)同时启动多路A/D数据采集通道，并进行平均的方式，来平滑采集到的电机相电流，提高采集精度。

伺服控制***欠压保护的步骤和具体方法是，采用电机驱动电压硬件检测和软件判读结合方式，DSP以一定周期(10kHz)启动一路A/D数据采集通道来采集电机驱动电压值，当监测到电机驱动电压小于设定阈值时，则起动制动停机保护措施，使电机停止运行并发出欠压警告信号，欠压保护阈值设定为电机驱动电压的60％～65％。

伺服控制***超温保护的步骤和具体方法是，采用驱动模块温度硬件检测和软件判读结合方式，DSP以一定周期(10kHz)启动一路A/D数据采集通道来采集驱动芯片温度，当软件检测温度超过第一阈值(设为120℃)时，在一定时间内温升超过一定范围(1s内温升超过3℃)，则控制电机停止运行，发出超温报警信号；否则限制IQ电流环设定值在安全阈值内(设为相电流满量程50％)；若温度持续上升并超过第二阈值(设为130℃)，则起动制动停机保护措施，控制电机停止运行，并发出超温报警信号。温度检测范围：-23℃～127℃(对应A/D输入0～3V)。

伺服控制***传感器断线检测超温保护的步骤和具体方法是，采用位置变压器信号硬件检测和软件判读结合方式，在伺服控制器上电自检过程进行，方法为伺服控制器上电后自动对电机和机组旋变输出信号进行解码和采集，以检测线路状态，若检测电机或机组位置信息连续变化、位置不固定，则表明位置变压器断线或未连接，此时禁止伺服机组动作，具体实现为：伺服控制器上电后，在一定时间内(400ms)读取并检测电机及机组位置变压器的位置信息，检测周期为20ms，若在电机不启动的情况下，两次检测到位置有变化，且变化范围大于允许波动范围，则认为该线路存在故障，禁止伺服机组动作并发出旋变故障报警信号。

伺服控制***过流保护分为硬件保护和软件保护，按顺序执行，共同实现母线过流保护功能，保护原则为先执行软件保护、后执行硬件保护，并在发动机起动、转级阶段关闭硬件保护功能。

伺服控制***母线过流软件保护方法为，DSP以一定周期(10kHz)启动一路A/D数据采集通道来采集电机驱动电流调理电路输出信号，用于电机驱动电流监测及阈值判断，当判断电机驱动电流超过阈值(设为40A，为电机堵转电流设计值的80％)并持续了一定时间后(40ms)，将启动故障关机程序，停止电机运行并发出电机驱动电流报警信号。电机驱动电流检测范围为0～+50A。

伺服控制***母线过流的硬件保护方法为，设计电机驱动电流检测电路、比较电路及使能控制电路，通过电机驱动电流检测电路与比较电路产生过流故障报警信号，一部分输入至DSP D/I接口，进行报警指示，另一部分通过与非门产生PWM使能控制信号，直接控制驱动器驱动信号的输出状态，实现硬件保护，其中硬件D/I保护阈值设计为42A(大于软件阈值40A)，与软件保护并行实现；硬件保护的使能控制通过DSP输出的D/O信号控制模拟开关的通断来保证硬件故障保护逻辑是否生效。

Claims (8)

1.一种液体火箭发动机推力调节伺服***故障保护方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)在火箭发动机起动前，推力调节伺服***上电，进行传感器断线检测，如果检测到断线，禁止伺服控制器操作、禁止电机动作、发送报警信号；如果没有检测到断线，进行步骤2)；

所述推力调节伺服***包括伺服控制器及由电机、减速器、失电制动器及传感器组成的伺服机组；所述传感器包括电机位置传感器、机组位置传感器及机组限位传感器，所述电机位置传感器用于检测电机的转动角度位置与速度，所述机组位置传感器用于检测减速器输出轴的位置；所述机组限位传感器用于检测伺服机组减速器位置是否超出运转范围：所述失电制动器用于对电机位置进行锁定；

2)进行时统信号检测

发动机点火启动前的准备阶段，发动机控制***向伺服控制器发送时统信号，发动机控制***检测伺服控制器是否接收到时统信号的状态反馈，如果是，进行步骤3)；如果否，发动机控制***执行紧急停车程序、中止本次点火启动；

3)伺服控制器开始执行推力调节时序，在推力调节中，进行推力调节伺服***故障检测和保护：

3.1)在发动机工作过程中，按一定周期对推力调节伺服***进行故障检测，检测手段如下：

3.1.1a)通过机组位置传感器检测减速器输出轴的位置，即伺服机组当前位置，通过软件判断机组是否运动至软件限位，如果是，则发生了软件限位故障；

3.1.1b)通过机组限位传感器检测伺服机组是否动到电机限位处，如果是，则发生了硬件限位故障；

3.1.2)通过一路A/D数据采集通道来采集电机驱动电压，通过软件判断电机是否发生欠压故障，如果是，则发生了欠压故障；

3.1.3)通过另一路A/D数据采集通道来采集电机驱动电路的温度，通过软件判断电机驱动电路是否超过第一阈值，并且在一定时间内温升超过一定范围，如果是，则发生第一种超温故障；如果电机驱动电路超过第一阈值，但在一定时间内温升并没有超过设定范围，则发生第二种超温故障；若电机驱动电路超过第二阈值，则发生第三种超温故障；所述第二阈值大于第一阈值；

3.1.4)通过电流检测电路检测电机驱动电流，通过比较电路判断电机驱动电流是否发生过流，如果是，则发生了第一种过流故障；

同时，通过一路A/D数据采集通道来采集电机驱动电流，通过软件判断电机驱动电流是否发生过流，如果是，则发生了第二种过流故障；

所述比较电路的阈值大于软件设定的阈值；

3.1.5)在推力调节伺服***的伺服控制器运行的PID控制算法中，将电流环的反馈输入进行阈值检测，判断是否超出阈值范围，如果是，则发生了过载故障；

3.2)故障处理

判断发动机是否处于初级以下工况，如果是，执行步骤A)-D)；如果否，则发动机处于初级及初级以上工况，执行E-G)；

A)禁止对第一种过流故障进行保护的功能；

B)判断所检测到的故障是否属于软件限位故障或过载故障，如果是限位故障，执行步骤C1)，如果是过载故障，执行步骤C2；如果即不是限位故障，也不是过载故障，则执行步骤D)；

C1)进行软件限位保护，发送报警信号，不执行制动停机；

C2)进行过载保护，发送报警信号，不执行制动停机；

D)发送报警信号，不执行制动停机；

E)开启对第一种过流故障进行保护的功能；

F)判断所检测到的故障类型，如果是软件限位故障，执行步骤G1)；如果是过载故障，执行步骤G2；如果是硬件限位故障，执行G3)；如果是欠压故障，执行G4)；如果是第一种超温故障，执行G4)；如果是第二种超温故障，执行G5)；如果是第三种超温故障，执行G4；如果是第一种过流故障和第二种过流故障，执行G4)；

G1)进行软件限位保护，发送报警信号，但不执行制动停机，回到步骤3.1)；

G2)进行过载保护，发送报警信号，不执行制动停机，回到步骤3.1)；

G3)限位传感器触发限位检测电路输出电平信号，判断电平信号的有效性，如果有效，执行制动关机；如果无效执行步骤3.1)；

G4)执行制动关机；

G5)在伺服控制器运行的PID控制算法中，限制IQ电流环设定值在电机驱动器最大输出电流的50％。

2.根据权利要求1所述的液体火箭发动机推力调节伺服***故障保护方法，其特征在于：

步骤3.2)中的制动关机包括以下步骤：

H1)判断所检测到的故障是否第一次发生，如果是，执行步骤H2)，如果否，执行步骤H3)；

H2)关断驱动器驱动信号，停止驱动器输出；使失电制动器掉电制动；在延迟一段时间后，再次启动驱动器驱动信号，执行推力调节控制，故障标志置位；

H3)关断驱动器驱动信号，停止驱动器输出；使失电制动器掉电制动；发送报警信号。

3.根据权利要求1所述的液体火箭发动机推力调节伺服***故障保护方法，其特征在于：

步骤C1)和步骤G1)中的软件限位保护，具体如下：

当检测到推力调节伺服***的当前电机角度位置达到软件限位时，则软件限制电机维持在当前位置调节，无法超限工作。

4.根据权利要求1所述的液体火箭发动机推力调节伺服***故障保护方法，其特征在于：

步骤3.1.2)中软件判断电机是否发生欠压故障的欠压保护阈值设定为电机驱动电压的60％～65％。

5.根据权利要求1所述的液体火箭发动机推力调节伺服***故障保护方法，其特征在于：

步骤3.1.3)中的第一阈值为120℃，温升范围为1s内温升3℃；第二阈值为130℃。

6.根据权利要求1所述的液体火箭发动机推力调节伺服***故障保护方法，其特征在于：

步骤3.1.4)中软件阈值为电机驱动器最大输出电流的80％。

7.根据权利要求1所述的液体火箭发动机推力调节伺服***故障保护方法，其特征在于：

步骤3.1.5)中的阈值为电机额定工作电流的2倍。

8.根据权利要求1所述的液体火箭发动机推力调节伺服***故障保护方法，其特征在于：

步骤1)传感器断线检测具体为：

传感器断线检测是在伺服控制器上电自检过程进行，自动对电机和机组位置传感器线路状态检查，若检测电机或机组位置信息连续变化、位置不固定，则表明位置传感器断线或未连接，此时禁止伺服机组动作，具体实现为：

伺服控制器上电后，在一定时间内读取并检测电机及机组位置变压器的位置信息，若在电机不启动的情况下，两次检测到位置有变化，且波动范围大于允许波动范围，则认为该线路存在故障，禁止伺服机组动作并发出旋变故障报警信号。