תכנון ויישום שיטת זיהוי תקלות המבוססת על מסננים אדפטיביים והערכת מהירות סיבוב עבור מפעיל אלקטרו-הידרוסטטי

המפעיל האלקטרו-הידרוסטטי (EHA) הוא מרכיב מפתח לבקרת טיסה במטוסים חשמליים יותר (MEA). המבנה הטיפוסי של EHA מוצג באיור 1. המבנה הקומפקטי שלו מבטיח צפיפות הספק גבוהה, תחזוקה נמוכה ועמידות גבוהה יותר בפני תקלות ובטיחות בהשוואה למפעיל סרוו הידראולי מסורתי (HSA)¹. עם זאת, האמינות הנוכחית של EHA אינה יכולה לעמוד בדרישות המעשיות של מטוסים חשמליים נוספים². כתוצאה מכך, טכנולוגיית יתירות הוכנסה לתוך העיצוב של EHA. כדי למקסם את האפקטיביות של טכנולוגיית היתירות, יש לנטר את מצב ההפעלה של המערכת באמצעות שיטת זיהוי תקלות³. בהתאם למיקום שבו מתרחשת התקלה, ניתן לחלק את מצבי התקלה של ה- EHA לתקלות בקר סרוו ותקלות ביחידת בקרת הספק (PCU). ניתן לחלק את תקלות ה-PCU לתקלות חיישנים, תקלות ביחידות אלקטרו-מכניות ותקלות ביחידה הידראולית. למנגנון התקלה של בקר הסרוו יש קשר מועט לגוף ה- EHA, והסתברות התקלה של החיישן נמוכה בהרבה מזו של רכיב^{הציוד 4}. לכן, אנו מתמקדים בפגמים של היחידה האלקטרומכנית והיחידה ההידראולית במאמר זה.

תקלות יחידה אלקטרומכנית כוללות תקלות במודול כונן המנוע ותקלות מנוע DC ללא מברשות (BLDCM). באופן כללי, ההסתברות לתקלה אלקטרונית בכונן כוח (PDE) (למשל, תקלת קצר חשמלי, תקלה במעגל פתוח) גבוהה יחסית. כאשר מתרחשת תקלת קצר חשמלי, זרם ה- PDE עולה בחדות תוך פרק זמן קצר, וגורם לתוצאות חמורות כגון כיבוי מנוע או נזק לרכיבים החשמליים. למרות שהמנוע יכול לשמור על מצב פעולתו לאחר התרחשות תקלה במעגל פתוח, זרם יתר ומתח יתר עבור הרכיבים החשמליים האחרים הם עדיין בלתי נמנעים, ותקלות משניות עשויות להתרחש^{כתוצאה מכך 5}. באשר ל- BLDCMs, פיתולי המנוע מועדים ביותר לתקלות מקצר חשמלי או מעגל פתוח⁶. ה- PDE ביחידה האלקטרומכנית מחובר בסדרה עם פיתולי המנוע המתאימים. שיטת איתור התקלות המיועדת לפיתולי המנוע יעילה גם כאשר מתמודדים עם תקלות ב- PDE. לכן, תקלות ביחידה אלקטרומכנית, כולל הן במנוע והן ב- PDE, צריכות להיות מזוהות באופן מקוון.

תקלות ביחידה הידראולית כוללות התרחשויות תקלות במשאבת הבוכנה בעלת התזוזה הקבועה, בלוק השסתום המשולב והצילינדר המפעיל⁷. משאבת הבוכנה של EHA מורכבת מבוכנות, לוחות עיטור וצלחות שסתומים; נזק לאיטום ובלאי של לוחית השסתום הן הצורות העיקריות של תקלה⁸. שני מצבי תקלה אלה מגבירים את הדליפה של המשאבה. שינויים חריגים בזרימת היציאה ובלחץ באים בעקבותיהם, ובסופו של דבר, מובילים לירידה במהירות הגליל המפעיל ולירידה בביצועי הסרוו של המערכת. מצבי התקלה של בלוק השסתום המשולב כוללים תקלת מאגר בלחץ, תקלת שסתום בדיקה, תקלת שסתום הקלה ותקלה בשסתום בחירת מצבים. המאגר בלחץ בדרך כלל מאמץ עיצוב בעל חיזוק עצמי עם אמינות גבוהה. עם זאת, כאשר מתרחשת תקלה, לחץ מטען לא מספיק גורם לקוויטציה של המשאבה, וכתוצאה מכך זרימת פלט לא תקינה. עייפות קפיץ, שחיקת רכיבים ועיוות הם מצבי תקלה נפוצים בשסתומי הבדיקה ובשסתומי ההקלה. תקלה בשסתום הבדיקה מוצגת כדליפה הפוכה, המובילה ישירות לזרימה לא תקינה. תקלה בשסתום הקלה מובילה לפונקציית הגנה לא חוקית, וכתוצאה מכך לחץ חריג. הפגמים הנפוצים של שסתום בחירת המצב הם כשל בקפיץ החוזר וסלילי תיל שבורים. הראשון גורם להחלפת מצב העבודה בזרם, מה שמוביל לתנועה לא תקינה של הצילינדר המפעיל. תקלה בצילינדר מפעיל גורמת לירידה בדיוק בקרת המיקום ובביצועים הדינמיים. לסיכום, תקלות של היחידות ההידראוליות גורמות לזרימה ולחץ חריגים⁹. מכיוון שהזרימה ומהירות סיבוב המנוע הן בערך פרופורציונליות במערכת EHA, ניתן לנטר את מהירות הסיבוב באופן מקוון כדי לזהות זרימה ולחץ חריגים עקב תקלות פתאומיות.

יש לתכנן שיטות מתאימות לאיתור תקלות המכוונות לתקלות היחידה האלקטרומכנית שהוזכרו לעיל ולתקלות יחידה הידראולית. השיטות לאיתור תקלות במערכת אלקטרומכנית כוללות בעיקר הערכת מצב וזיהוי פרמטרים¹⁰. צופה מצבים בנוי על בסיס מודל מתמטי של המערכת שמבצע הערכת מצב וקובע תקלות על ידי ניתוח הרצף השיורי שנוצר על ידי הצופה. Alcorta et al. הציעו צופה לא ליניארי פשוט וחדשני עם שני תנאי תיקון לגילוי תקלות רעידות במטוסים מסחריים, שהוא יעיל ביותר¹¹. עם זאת, סוג זה של שיטה חייב לפתור את בעיית החוסן של הצופה. במילים אחרות, עליו לדכא את השינויים ברצף השיורי הנגרמים על ידי מידע שאינו תקלה כגון שגיאת מודל או הפרעות חיצוניות. יתר על כן, שיטה זו דורשת לעתים קרובות מידע מדויק מאוד על המודל, אשר בדרך כלל קשה לאסוף ביישומים הנדסיים מעשיים.

שיטת זיהוי הפרמטרים משתמשת באלגוריתמים מסוימים לזיהוי הפרמטרים החשובים במערכת. כאשר מתרחשת תקלה, גם ערך הפרמטר המתאים משתנה. לכן, תקלות ניתן לזהות על ידי זיהוי שינוי בפרמטרים. שיטת זיהוי הפרמטרים אינה דורשת חישוב של הרצף השיורי, כך שהיא יכולה למנוע את ההשפעה של הפרעות על דיוק הזיהוי. המסנן האדפטיבי נמצא בשימוש נרחב בזיהוי פרמטרים בשל היישום הקל שלו והביצועים היציבים שלו, כלומר זוהי שיטה חיובית וישימה לזיהוי תקלות אלקטרומכניות¹². Zhu et al. הציעו שיטה חדשה לזיהוי תקלות הערכה אדפטיבית מרובת מודלים המבוססת על מסננים אדפטיביים ליבה, המממשת את הערכת ערך מצב הטיסה האמיתי ואת זיהוי התקלות המפעיל באינטרנט עם ביצועים טובים¹³.

בהתייחס למחקר הקודם, תוכננו שיטות מתאימות לאיתור תקלות. התנגדות הפיתולים משתנה בפתאומיות כאשר מתרחשות תקלות חשמל, כגון תקלות במעגל פתוח או תקלות קצר. לכן, מסנן אדפטיבי תוכנן על בסיס אלגוריתם NLMS כדי לזהות את התנגדות הפיתולים, אשר יכול לקבוע אם התרחשה תקלה חשמלית. שילוב מסנן אדפטיבי עם אלגוריתם NLMS כדי למזער את השינוי של וקטור הפרמטר מוביל לאפקט התכנסות טוב ומהיר יותר¹⁴. עבור תקלות יחידה הידראולית, הוצע אלגוריתם הערכת מהירות סיבוב המבוסס על הקשר האנליטי הברור בין מהירות הסיבוב של המשאבה לבין מיקום הגליל המפעיל. תקלות הידראוליות של EHA התגלו באינטרנט על ידי השוואת מהירות הסיבוב המשוערת עם המהירות בפועל בזמן אמת.

במאמר זה אומצה שיטת בדיקה המשלבת סימולציות וניסויים. ראשית, נבנה מודל מתמטי של EHA, ובוצעה סימולציה לשיטת איתור התקלות המוצעת. הסימולציה כללה אימות של שיטות האיתור בתנאי הזרקה ללא תקלה והזרקת תקלות. לאחר מכן, שיטת זיהוי התקלות מומשה בבקר הסרוו האמיתי. לבסוף, תוצאות הסימולציות והניסויים נותחו והושוו כדי להעריך את יעילות שיטת איתור התקלות.