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浅谈无人机电传刹车体系的毛病诊断与改善办法

来历:机床与液压 作者:张晓娟 王山 任杰 史
发布于:2021-06-01 共4846字

  无人机技能龙8第五篇:浅谈无人机电传刹车体系的毛病诊断与改善办法

  摘要:电传刹车体系在中小型无人机上使用广泛。对无人机电传刹车体系组成和原理进行简述,介绍了电静液体系在机上使用进程中呈现无指令压力失控的毛病现象。对毛病进行深入研讨,提出一套毛病剖析办法。经过目视查看、印制板X光查看、工业CT查看、仿真核算剖析、实验验证等手法对毛病进行定位,并进行了机制剖析。展开了毛病模仿实验、毛病现象复现,验证了毛病原因。针对毛病原因提出了处理办法,防止毛病产生。

  关键词:电静液体系; 压力失控; 单片机电源反常; 虚焊;

  Research on Fault Diagnosis of UAV Brake-by-wire System Out of Control

  ZHANG Xiaojuan WANG Shan REN Jie SHI Jinhui TU Ling

  Technology Center, AVIC Chengdu Aircraft Industrial (Group) Co., Ltd. Guizhou Xin'an Aviation Machinery Co.,Ltd.

  Abstract:The brake-by-wire system is widely applied into small and medium unmanned aerial vehicle(UAV). The composition and principle of the brake-by-wire system were introduced. The failure phenomenon that the electro-hydrostatic system was out of control without instruction when it was used on board was introduced. A new failure analysis method was presented through the deep study of the fault. The fault was located by methods of visual inspection, PCB X-ray examination, industrial CT inspection, simulation calculation and analysis, test verification, and the mechanism was analyzed. The fault simulation test and the recurrence of the fault phenomenon were carried out, and the fault causes were verified. According to the cause of the failure, the solution measures were put forward to prevent the failure.

  0 前语

  中小型无人机开展迅速,现在主要向高空、高速方向开展,自主起降的飞机起飞、着陆速度快,对刹车体系提出了更高的要求。中小型无人机安装的发动机无附件机匣,不能驱动液压泵,选用电动泵供压的液压动力体系所能供给的油液流量有限,不能满意刹车所需的大流量需求,且跟着飞机多电/全电技能的开展,飞机上部分机载作动体系已开端逐步选用电静液作动及机电作动技能。依据电静液作动技能的电静液体系已成功使用于中小型无人机,它自带液压源,无需机上供给液压源,体系独立。

  本文作者对某无人机电传刹车体系无指令时刹车压力失控毛病进行剖析,经过通电查看、分化查看、印制板X光查看、印制板CT查看、仿真核算、高低温实验、振荡实验、毛病注入实验等办法,对或许的毛病原因逐个排查,确认毛病原因,经过毛病复现实验,进一步验证毛病原因。

  1 电传刹车体系简介

  电传刹车体系由电控刹车阀和软管组成。电控刹车阀接纳飞控核算机的指令输出刹车压力,经软管输出至机轮刹车设备,对主机轮进行刹车,一个电控刹车阀操控一侧主机轮刹车。电控刹车阀选用电静液技能,由贮油杯、阀体、电动机组件、操控器等组成。电控刹车阀原理见图1:压力传感器检测输出压力,霍尔传感器检测电机行程方位,防止电动机组件产生过载损坏;微处理器对输入信号进行处了解算,输出PWM等信号给驱动芯片,操控电动机组件正转、回转、停转,正转时电动机组件上的滚珠螺母向前移动,刹车压力添加,回转时刹车压力减小。

 

  图1 电控刹车阀原理   

  2 毛病现象

  某型无人机在当日进行第2次滑行实验时,在起飞线对各体系进行查看,刹车体系自检正常;自检完成后进行停机刹车,刹车体系作业正常;给刹车体系清零指令,刹车压力下降至0,此刻体系作业均正常。2 s后左刹车压力忽然上升至9 MPa且坚持在9 MPa, 查看左机轮处于刹车状况,阐明实践有压力输出,左刹车体系毛病。呈现该毛病后,给左刹车体系输入不同指令,电控刹车阀不动作,刹车压力仍然为9 MPa; 对全机下电再上电,左刹车体系仍然不履行指令,压力坚持9 MPa。人为将刹车导管接头处拧松,体系走漏使刹车松掉,将飞机牵引脱离跑道。依据体系原理,判定为电传刹车体系中电控刹车阀毛病。

  此毛病现象在该型无人机电传刹车体系中初次呈现。

  3 毛病剖析

  3.1 返厂测验和分化查看

  用稳压电源给电控刹车阀通电,刹车指令为0,未听到电动机组件作业声响,调查稳压电源电流为5.6 A,因产品正常作业电流不超越1 A,而且软件设置堵转电流为3 A,故开始剖析为电动机组件产生了堵转,操控器进行了过流维护,产品无法正常作业。

  分化产品,将阀体剥脱离,经查看知:电动机组件已超出支座组件端面,正常状况下,不该超出支座组件端面;电动机组件上减速器存在较大的轴向窜动,减速器已损坏。查看阀体知:阀体内装在活塞上的绷簧产生歪斜,活塞上固定绷簧挡圈已脱出挡圈槽(见图2),活塞挡圈槽损坏。

 

  图2 活塞组件(挡圈槽损坏)   

  因阀体内活塞组件已损坏,故断开阀体,给产品施加刹车压力指令,产品能正常作业。通电及分化查看标明:电动机组件反常作业,超出限位行程产生堵转,导致阀体内活塞组件受损。电动机组件是履行机构,若无电机操控信号输入,其自身不会主动作业,剖析是操控器毛病,且经过300余次的作业循环,毛病未复现,判别是操控器印制板偶发毛病导致。

  3.2 操控器印制板剖析

  操控器主要由压力传感器、霍尔传感器、驱动芯片、电源模块、运算放大器、单片机组成。压力传感器检测输出压力,并用于操控器进行操控律解算,毛病现象阐明传感器作业正常,故可扫除压力传感器毛病。霍尔传感器用于对电动机组件进行限位维护,仅霍尔传感器毛病不会导致电机不受控动作。因而,对操控器其他部分进行剖析及验证。

  3.2.1 驱动芯片损坏或虚焊

  驱动芯片直接操控电机的正转、回转、停转,其电路图见图3。依据芯片作业原理剖析:刹车指令为0且反应压力为0时,正常作业应是4脚输入高电平,3脚输入50%占空比;若3、4脚虚焊,则其处于高阻状况,输入信号为中心不确认态。经过将3、4脚悬空模仿3、4脚虚焊进行空载实验,通电后给0刹车指令,电动机组件继续正转,刹车压力上升,且电流超越2 A(正常应是电动机回转或不动作,电流不超越1 A),实验标明3、4脚虚焊会导致电机不受控且压力上升的毛病。

  

  图3 驱动芯片电路图 

  对驱动芯片引脚进行目视查看,不存在虚焊;对3、4脚与单片机之间的衔接铜箔线进行查看,没有呈现开裂现象;为查看芯片内部引脚是否呈现裂纹,进行了X光检测,查看成果标明芯片自身没有显着缺点,见图4。

  

  图4 驱动芯片X光检测  

  3.2.2 单片机损坏或虚焊

  单片机输出PWM信号和brake信号直接给驱动芯片,单片机损坏或引脚虚焊将输出反常信号给驱动芯片,导致电机反常作业。所选单片机是最小封装的单片机,封装在面积为3 mm×3 mm的芯片上,其封装办法为MLP-11,没有显露管脚,焊接时简单呈现虚焊。对单片机进行X光检测,单片机自身没有显着缺点(见图5),对单片机进行工业CT检测,无虚焊状况。

 

  图5 单片机X光检测   

  3.2.3 单片机电源反常

  单片机电源反常会导致单片机输出管脚处于高阻态,输出信号不可控,或许输出反常信号给驱动芯片,导致电机反常作业。单片机电源为3.3 V,由三端可调稳压器供给,经过电阻R3、R4对输出电压进行调理,见图6。电阻R3、R4中任一个呈现毛病或虚焊,都会导致输出电压改动。对单片机电源模块进行了工业CT检测,检测成果显现电阻R4正常,R3与地相连的一端存在虚焊。

 

  图6 3.3 V电源图   

  为验证虚焊对输出电压的影响,用Multisim软件进行仿真,成果标明:虚焊导致阻值增大,R3阻值越大,输出电压越急剧增大;R3彻底断开,输出电压挨近输入电压15 V,单片机极限作业电压为4.2 V,R3虚焊导致电源电压高于单片机正常作业电压,单片机不能正常作业,输出反常信号,或许导致电机反常作业。

  模仿R3虚焊进行实验,因虚焊不能彻底模仿,故选用电阻R3与地断开/接通的办法模仿虚焊。将电阻R3焊下,用导线衔接电阻R3与印制板上R3的焊盘,在产品正常供电的状况下给0刹车指令,电动机组件不动作;快速断开电阻R3与地之间的导线,电动机组件继续正转,压力上升,电机不受单片机逻辑操控,与机上毛病现象彻底一致,毛病得以复现。

  3.3 原因定位

  经过通电查看、分化查看、机制剖析、X光检测、工业CT检测、毛病模仿实验等手法,确认毛病原由于三端可调稳压器的调理电阻R3虚焊,导致稳压器输出电压反常,最大电压达14 V,超越了单片机极限作业电压4.2 V,单片机不能正常作业,输出反常信号给驱动芯片,导致电机反常作业,不履行软件操控逻辑。

  复查产品研发进程,发现电阻R3、R4参数挑选不合理,然后进行更改,工人在替换电阻R3时没有彻底整理洁净焊接处导致虚焊,印制板部分元器件替换后,未进行环境挑选查看,易形成虚焊产品出厂。

  4 改善办法

  产品毛病原因属质量问题,对同批次的产品悉数召回返厂,对操控器印制板进行工业CT检测,查看是否有虚焊现象。对虚焊部位进行从头焊接,完善技能文件,要求替换元器件后有必要进行环境挑选查看,防止虚焊产品出厂。对工人焊接操作及要求进行专项训练,强化质量认识,防止呈现质量问题。

  5 定论

  本文作者对电传刹车体系无刹车指令(即0指令)时呈现刹车压力上升至9 MPa且不再履行任何指令的毛病进行了深入研讨,提出了一套毛病排查办法,对或许的毛病要素逐条进行剖析、验证、排查。经过通电查看、分化查看、X光检测、工业CT检测、仿真剖析、毛病模仿、实验验证等办法,定位毛病原由于操控器印制板上一电阻虚焊,导致输出电压反常,超越了单片机极限作业电压,单片机不能正常作业,输出反常信号给驱动芯片,进而使电机继续正转,压力上升,直至电机产生堵转。电阻虚焊属质量问题,本文作者对此提出了改善办法。

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作者单位:成都飞机工业(集团)有限责任公司技能中心 贵州新安航空机械有限责任公司
原文出处:张晓娟,王山,任杰,史金辉,涂凌.无人机电传刹车体系失控毛病诊断研讨[J].机床与液压,2021,49(09):192-195.
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