航空用伺服放大器是自动飞行控制系统中自动驾驶仪子系统伺服回路的控制、放大部件。它接收飞控计算机、驾驶仪操纵台及电动舵机信号，负责对控制指令和舵机位置反馈信号的综合、放大后向电动舵机输出控制信号，控制飞机舵面偏转。伺服放大器作为飞机自动飞行控制系统的重要部件，其可靠性直接影响到飞行器的自动驾驶功能的可用性，其安全性直接影响飞行器的飞行安全。因此，伺服放大器应具备完善的功能，良好的性能和很高的可靠性和安全性。
提高伺服放大器的可靠性和安全性，最好的办法就是采用宇度技术，但考虑飞机体积成本要求和飞行控制系统的复杂度，提出一种基于自监控的航空用伺服放大器设计方案。
1.伺服放大器体系结构
伺服放大器由双通道构成，一个是指令通道，一个是监控通道，组成比较监控系统。伺服放大器由机上独立的两路直流28V电源供电，由电源处理、指令与位置信号综合、速度控制、功率驱动、离合器控制及故障监控等功能组成，其功能框图如图1所示。
2.电源设计
伺服放大器电源系统采用双余度构架，两路直流+28V电源输入，经过双路浪涌抑制滤波器，送至电源保持板和驱动板，在驱动板综合后为驱动模块供电，在电源保持板综合后送至电源模块前需先进行预处理，为满足掉电贮能延时50ms的功能，需配置超大容量的钽电容，但由于电容是储能元件，其特性在通电瞬间会迅速充电，电路呈短路态，电流消耗与电容容量成正比，若采用增加限流电阻的方法，则电阻功率较大，且会产生不必要的功耗，因此在设计时考虑电容充电时对电源电路带来的冲击影响，专门增加了电压保持模块，通过该保持模块与大容值电容搭配使用，达到即满足瞬时断电试验要求，又不会使电源供电瞬间给电容过快的充电。完成瞬时断电电源保持功能后送至电源监控板产生伺服放大器A、B通道所需的二次电源，并进行二次电源监控，为了简化监控线路的设计，同时又利用内部使用的二次电源与对外输出的二次电源同在一块插件板的有利条件，电源监控采用两组电源交叉监控的方案，如图2所示。
在电源保持板完成瞬时断电电源保持功能后，经过交流电压变换模块变换产生的 36V/400Hz交流送至电源监控板进行电源监控，最后输出至飞控计算机进行电源监控，并给三路舵机测速机供电。
3.产品闭环设计
反馈技术是控制理论和调节原理的核心，伺服放大器反馈通道采用位置、转速、电流闭环控制策略，如图3所示，该闭环依次为位置闭环、速度闭环和电流闭环，他们的作用分别是位置环用来实现系统的位置控制，速度环用来实现系统的速度控制，电流环用来确保电机的输出力矩。伺服放大器接收电动舵机位置反馈电位计位置信号、测速机速度信号、电机的母线电流信号以及电机Hall传感器信号，实现电机闭环控制。电流环集成在功率模块内部，无需单独设计。
4.无刷电机驱动
电动舵机采用三相直流无刷电机，伺服放大器采用成熟的120°三相六状态控制方式，使用PWM控制策略，可实现电机在额定转速（基速）以下的恒转矩连续线性速度调节。
5.离合器控制设计
伺服放大器离合器控制策略采用高低端同时控制技术，高端28V/开信号控制，低端地/开信号控制，以增加离合器接通断开的安全性。
俯仰通道离合器接通条件：飞控计算机输出的驾驶仪接通A、驾驶仪接通B信号有效（28V）；
驾驶仪操纵台输出的电源开关信号有效（28V）；
升降舵机输出的左右极限信号有效（未超左右极限+15V）；
伺服放大器自身监控A、自身监控B有效（无故障）。
俯仰通道离合器断开条件：不满足接通条件。
三通道离合器控制接通断开条件一致，当满足接通条件时，同时接通控制高低端，高低端接通断开控制逻辑相同。俯仰通道离合器控制高端接通/断开逻辑如下图5所示。
6.故障监控设计
伺服放大器设计有多种故障监控功能，包括电源监控、输入互比监控、过流监控、模型监控、功率电源监控、离合器电子开关监控等，故障监控采用硬件快速检测技术实现对故障的快速甄别、判定，并将故障信息上报至飞控计算机。
6.1 模型监控设计
通过仿真，构建数学模型，当接收到控制指令时，舵机与数学模型同步跟随控制指令，通过对舵机实际输出与数学模型的输出进行比较，设置合理的阈值，监控系统的伺服回路。
6.2 输入互比监控设计
伺服放大器设计控制指令输入互比监控和驾驶仪接通信号输入互比监控，监控结果在故障监控功能模块综合后上报至飞控计算机。
6.3 离合器电子开关监控
离合器是当自动飞行控制系统出现故障时，保证脱开自动驾驶仪转为人工驾驶的最后一个环节，离合器接通断开采取了余度控制策略，通过FMEA分析可知，当控制离合器接通的电子开关出现短路故障模式时，如果不能及时发现故障，余度控制则会降级，导致系统安全性指标不能满足要求，因此伺服放大器对控制离合器接通的每个电子开关进行监控，通过设计三个监控点，分别监控接通控制高端电子开关、低端电子开关、接通电流，保证离合器控制出现故障时，能够及时告警，从而保证飞机飞行安全。
7.可靠性预计
建立伺服放大器可靠性模型，采用元器件应力分析法进行基本可靠性预计。并基于以下假设：假设各组成部分寿命服从指数分布；假设组成部分的失效相互独立；假设各组成部分只有正常和故障两种状态；假设产品的所有输入在规范极限之内；假设人员完全可靠，而且人员与产品之间没有相互作用问题。
国内元器件的基本数据取自GJB/Z 299C，国外元器件的基本数据取自MIL-HDBK-217F。通过计算可以得出，伺服放大器总工作失效率为：161.4006×10-6h；伺服放大器MTBF=1/161.4006×10-6h≈6195h。
8.FMEA分析
FMEA是设备可靠性分析的一个重要工作項目，也是开展其他相关分析的基础。机载设备的FMEA分析工作主要是为了获得机载设备及其组成的所有可能产生的故障模式以及引起每个故障模式的原因和影响，并针对这些薄弱环节，对机载设备提出设计改进和使用补偿措施，以提高产品的可靠性和安全性。同时机载设备FMEA分析得到的各种信息将为系统相关的设计、分析提供基础的工程信息和数据。
伺服放大器采用硬件FMEA分析方法，最低约定层次为元器件级，通过分析伺服放大器共有41种故障模式，其中单点故障引起人员死亡或飞机毁坏、重大环境损坏的故障模式有0种，单点故障导致任务失败或产品严重损坏的故障模式有21种，其中电源故障失效率最高为30.72×10-6，满足某型伺服放大器配套机型的需求。
9.结束语
基于自监控的伺服放大器采用了模型监控、双通道互比监控、组合逻辑监控等多种自监控策略，系统结构合理，复杂度低，功能全面，性能优，故障监控测试覆盖率高，其可靠性指标与安全性指标均能满足配套机型的需求。采用本设计方案，制造了原理样机，经过系统地面联试，其工作性能良好、运行稳定，达到了预期的设计目标。
（作者单位：陆军航空兵军事代表局驻兰州地区军事代表；兰州飞行控制有限责公司）