Bir elektro-hidrostatik aktüatör için uyarlanabilir filtrelere ve dönme hızı tahminine dayalı bir arıza algılama yönteminin tasarımı ve uygulanması

Elektro-hidrostatik aktüatör (EHA), daha fazla elektrikli uçakta (MEA) uçuş kontrolü için önemli bir bileşendir. Bir EHA’nın tipik yapısı Şekil 1’de gösterilmiştir. Kompakt yapısı, geleneksel hidrolik servo aktüatör (HSA)¹ ile karşılaştırıldığında yüksek güç yoğunluğu, düşük bakım ve daha yüksek hata toleransı ve güvenliği garanti eder. Bununla birlikte, EHA’nın mevcut güvenilirliği daha fazla elektrikli uçağın pratik gereksinimlerini karşılayamaz². Sonuç olarak, EHA’nın tasarımına artıklık teknolojisi dahil edilmiştir. Artıklık teknolojisinin etkinliğini en üst düzeye çıkarmak için, sistemin çalışma durumu bir arıza tespit yöntemi³ ile izlenmelidir. Arızanın oluştuğu yere göre, EHA’nın arıza modları servo kontrolör hataları ve güç kontrol ünitesi (PCU) arızaları olarak ikiye ayrılabilir. PCU hataları ayrıca sensör hataları, elektromekanik ünite hataları ve hidrolik ünite hataları olarak ayrılabilir. Servo kontrolörün arıza mekanizmasının EHA gövdesi ile çok az ilişkisi vardır ve sensörün arıza olasılığı, ekipman bileşeni 4’ünkinden çok daha düşüktür. Bu nedenle, bu yazıda elektromekanik ünite ve hidrolik ünitenin hatalarına odaklanıyoruz.

Elektromekanik ünite arızaları, motor sürücü modülü hatalarını ve fırçasız DC motor (BLDCM) hatalarını içerir. Genel olarak, bir güç sürücü elektroniği (PDE) arızası olasılığı (örneğin, kısa devre hatası, açık devre hatası) nispeten yüksektir. Kısa devre hatası meydana geldiğinde, PDE akımı kısa sürede keskin bir şekilde yükselir ve motorun kapanması veya elektrikli bileşenlerin hasar görmesi gibi ciddi sonuçlara neden olur. Açık devre arızası meydana geldikten sonra motor çalışma durumunu koruyabilse de, diğer elektrikli bileşenler için aşırı akım ve aşırı gerilim hala kaçınılmazdır ve sonuç olarak ikincil arızalar meydana gelebilir⁵. BLDCM’lere gelince, motor sargıları en çok kısa devre veya açık devre^6’dan kaynaklanan arızalara eğilimlidir. Elektromekanik ünitedeki PDE, ilgili motor sargıları ile seri olarak bağlanır. Motor sargıları için tasarlanan arıza algılama yöntemi, PDE’deki arızalarla uğraşırken de etkilidir. Bu nedenle, hem motorda hem de PDE’de dahil olmak üzere elektromekanik ünite arızaları çevrimiçi olarak tespit edilmelidir.

Hidrolik ünite arızaları, sabit deplasmanlı pistonlu pompa, entegre valf bloğu ve çalıştırma silindiri^7’deki arıza oluşumlarını içerir. EHA’nın pistonlu pompası pistonlardan, yıkama plakalarından ve valf plakalarından oluşur; Contanın hasar görmesi ve valf plakasının aşınması, arıza^8’in ana formlarıdır. Bu iki arıza modu pompanın sızıntısını arttırır. Çıkış akışındaki ve basınçtaki anormal değişiklikler bunu takip eder ve nihayetinde çalıştırma silindirinin hızında bir azalmaya ve sistemin servo performansında bir azalmaya neden olur. Entegre valf bloğunun arıza modları arasında basınçlı rezervuar arızası, çekvalf hatası, tahliye valfi hatası ve mod seçim valfi hatası bulunur. Basınçlı rezervuar genellikle yüksek güvenilirliğe sahip kendi kendini güçlendiren bir tasarım benimser. Bununla birlikte, bir arıza meydana geldiğinde, yetersiz şarj basıncı pompanın kavitasyonuna neden olur ve anormal çıkış akışına neden olur. Yay yorgunluğu, komponent aşınması ve deformasyon, çek valflerde ve tahliye vanalarında yaygın arıza modlarıdır. Bir çekvalf arızası, doğrudan anormal akışa yol açan ters bir sızıntı olarak ortaya çıkar. Bir tahliye valfi arızası, geçersiz bir koruma fonksiyonuna yol açarak anormal basınca neden olur. Mod seçim valfinin yaygın hataları, geri dönüş yayının arızalanması ve kırık tel bobinleridir. Birincisi, çalışma durumunun akım içinde değişmesine neden olur ve bu da çalıştırma silindirinin anormal hareketine yol açar. Harekete geçiren bir silindir arızası, konum kontrolünde, hassasiyette ve dinamik performansta azalmaya neden olur. Özetle, hidrolik ünitelerin arızaları anormal akış ve basınca neden olur⁹. Bir EHA sisteminde akış ve motor dönme hızı yaklaşık olarak orantılı olduğundan, ani arızalardan kaynaklanan anormal akış ve basıncı tespit etmek için dönme hızı çevrimiçi olarak izlenebilir.

Daha önce bahsedilen elektromekanik ünite arızalarına ve hidrolik ünite arızalarına yönelik ilgili arıza tespit yöntemlerinin tasarlanması gerekmektedir. Elektromekanik bir sistemde arıza tespiti için yöntemler esas olarak durum tahmini ve parametre tanımlama^10’u içerir. Bir durum gözlemcisi, bir durum tahmini yapan ve gözlemci tarafından üretilen artık sırayı analiz ederek hataları belirleyen sistemin matematiksel bir modeli temelinde inşa edilir. Alcorta ve ark., ticari uçaklarda titreşim arızası tespiti için iki düzeltme terimi içeren basit ve yeni bir doğrusal olmayan gözlemci önermişlerdir ve bu oldukça etkilidir¹¹. Bununla birlikte, bu tür bir yöntem gözlemcinin sağlamlık problemini çözmelidir. Başka bir deyişle, model hatası veya dış rahatsızlıklar gibi hata dışı bilgilerin neden olduğu artık dizideki değişiklikleri bastırmalıdır. Dahası, bu yöntem genellikle pratik mühendislik uygulamalarında toplanması zor olan çok doğru model bilgileri gerektirir.

Parametre tanımlama yöntemi, sistemdeki önemli parametreleri tanımlamak için belirli algoritmalar kullanır. Bir hata oluştuğunda, karşılık gelen parametre değeri de değişir. Bu nedenle, parametrelerdeki bir değişiklik tespit edilerek hatalar tespit edilebilir. Parametre tanımlama yöntemi, artık dizinin hesaplanmasını gerektirmez, bu nedenle bozulmaların algılama doğruluğu üzerindeki etkisini önleyebilir. Uyarlanabilir filtre, kolay uygulanması ve istikrarlı performansı nedeniyle parametre tanımlamada yaygın olarak kullanılmaktadır, yani elektromekanik arıza tespiti için uygun ve uygulanabilir bir yöntemdir¹². Zhu ve ark., gerçek uçuş durumu değerinin tahminini ve aktüatör arıza tespitini çevrimiçi olarak iyi performansla gerçekleştiren çekirdek uyarlamalı filtrelere dayanan yeni bir çok modelli uyarlanabilir tahmin hata algılama yöntemi önerdi¹³.

Önceki araştırmalara atıfta bulunarak, ilgili arıza tespit yöntemleri tasarlanmıştır. Sargıların direnci, açık devre hataları veya kısa devre hataları gibi elektrik arızaları meydana geldiğinde aniden değişir. Bu nedenle, bir elektrik arızasının meydana gelip gelmediğini belirleyebilen sargıların direncini tanımlamak için bir NLMS algoritmasına dayanan uyarlanabilir bir filtre tasarlanmıştır. Parametre vektörünün değişimini en aza indirmek için uyarlanabilir bir filtreyi NLMS algoritmasıyla birleştirmek, daha iyi ve daha hızlı bir yakınsama etkisine yol açar¹⁴. Hidrolik ünite arızaları için, pompanın dönme hızı ile çalıştırma silindirinin konumu arasındaki açık analitik ilişkiye dayanan bir dönme hızı tahmin algoritması önerilmiştir. EHA hidrolik arızaları, tahmini dönme hızı ile gerçek zamanlı olarak gerçek hız karşılaştırılarak çevrimiçi olarak tespit edildi.

Bu yazıda, simülasyonları ve deneyleri birleştiren bir test yöntemi benimsenmiştir. İlk olarak, EHA’nın matematiksel bir modeli oluşturuldu ve önerilen hata tespit yöntemi için bir simülasyon gerçekleştirildi. Simülasyon, hatasız ve arıza enjeksiyon koşullarında tespit yöntemlerinin doğrulanmasını içeriyordu. Daha sonra gerçek servo kontrolörde arıza tespit yöntemi gerçekleştirilmiştir. Son olarak, simülasyonların ve deneylerin sonuçları analiz edildi ve hata tespit yönteminin etkinliğini değerlendirmek için karşılaştırıldı.