基于自适应滤波和转速估计的电静压执行器故障检测方法设计与应用
Summary
该文引入一种基于归一化最小均方（NLMS）算法的自适应滤波和转速估计方法检测电动静压执行器（EHA）的电气和液压故障。通过仿真和实验验证了上述方法的有效性和可行性。
Abstract
电动静液压执行器（EHA）由于其高功率密度和低维护，是一种很有前途的驱动装置，用于更多电动飞机（MEA）的飞行控制系统。由于系统的可靠性随着复杂性的增加而降低，因此故障检测变得越来越重要。本文设计了一种基于归一化最小均方（NLMS）算法的自适应滤波器，可以在线识别电机绕组的电阻，以检测EHA中的电气故障。此外，基于转速与位移的解析关系，设计了一种转速估计方法。通过将实际转速与估计转速进行比较，可以检测到液压故障。为了验证上述方法的有效性，应用软件进行建模和仿真，包括故障注入和检测。在此基础上，搭建了一个实验平台，然后进行了一系列的验证实验。结果表明，该故障检测方法具有检测EHA电气和液压故障的潜力。
Introduction
电动静液压执行器（EHA）是更多电动飞机（MEA）飞行控制的关键部件。EHA的典型结构如图 1所示。与传统的液压伺服执行器 （HSA）1 相比，其紧凑的结构保证了高功率密度、低维护以及更高的容错性和安全性。然而，目前EHA的可靠性还不能满足更多电动飞机的实际要求2。因此，冗余技术已被引入到EHA的设计中。为了最大限度地提高冗余技术的有效性，应通过故障检测方法3监控系统的运行状态。根据故障发生的位置，EHA的故障模式可分为伺服控制器故障和功率控制单元（PCU）故障。PCU故障又可分为传感器故障、机电单元故障和液压单元故障。伺服控制器的故障机构与EHA本体关系不大，传感器的故障概率远低于设备部件4。因此，本文重点介绍机电单元和液压单元的故障。
机电单元故障包括电机驱动模块故障和无刷直流电机 （BLDCM） 故障。通常，功率驱动电子设备（PDE）故障（例如，短路故障，开路故障）的概率相对较高。当发生短路故障时，PDE电流会在短时间内急剧上升，造成电机停机或电气元件损坏等严重后果。虽然电机在发生开路故障后可以保持其工作状态，但其他电气元件的过流和过电压仍然是不可避免的，因此可能会发生二次故障5。至于 BLDCM，电机绕组最容易发生短路或开路故障6.机电单元中的偏微分方程与相应的电机绕组串联。为电机绕组设计的故障检测方法在处理偏微分方程中的故障时也很有效。因此，应在线检测机电单元故障，包括电机和偏微分方程中的故障。
液压单元故障包括定排量柱塞泵、集成阀块和驱动油缸7 中的故障发生。EHA的柱塞泵由活塞，斜盘和阀板组成;密封损坏和阀板磨损是故障的主要形式8.这两种故障模式增加了泵的泄漏。输出流量和压力的异常变化随之而来，最终导致驱动油缸的速度降低和系统伺服性能的降低。集成阀块的故障模式包括加压储液罐故障、止回阀故障、溢流阀故障和模式选择阀故障。加压油箱通常采用自增压设计，可靠性高。然而，当发生故障时，充气压力不足会导致泵气蚀，导致输出流量异常。弹簧疲劳、部件磨损和变形是止回阀和安全阀中常见的故障模式。止回阀故障表现为反向泄漏，直接导致流量异常。安全阀故障导致保护功能失效，导致压力异常。选模阀的常见故障是复位弹簧故障和线圈断裂。前者引起工作状态的电流切换，导致驱动缸的异常运动。驱动油缸故障会导致位置控制精度和动态性能下降。综上所述，液压单元的故障导致流量和压力异常9.由于EHA系统中的流量和电机转速大致成正比，因此可以在线监控转速，以检测由于突然故障引起的异常流量和压力。
针对前面提到的机电单元故障和液压单元故障，需要设计相应的故障检测方法。机电系统中的故障检测方法主要包括状态估计和参数识别10.状态观察器建立在系统的数学模型之上，该模型通过分析观察器生成的残差序列进行状态估计并确定故障。Alcorta等人提出了一种简单新颖的非线性观测器，具有两个校正项，用于商用飞机振动故障检测，非常有效11。但是，这种类型的方法必须解决观察者的鲁棒性问题。换句话说，它必须抑制由模型误差或外部干扰等非故障信息引起的残差序列的变化。而且，这种方法通常需要非常准确的模型信息，这在实际工程应用中通常很难收集到。
参数识别方法采用一定的算法来识别系统中的重要参数。当故障发生时，相应的参数值也会发生变化。因此，可以通过检测参数的变化来检测故障。参数识别方法不需要计算残差序列，因此可以避免干扰对检测精度的影响。自适应滤波器易于实现，性能稳定，在参数辨识中得到了广泛的应用，是机电故障检测的有利可行方法12。Zhu等人提出了一种新的基于核自适应滤波器的多模型自适应估计故障检测方法，该方法实现了真实飞行状态值的估计和执行器故障在线检测，性能良好13。
参考前人的研究，设计了相应的故障检测方法。当发生电气故障时，绕组的电阻会突然变化，例如开路故障或短路故障。因此，设计了一种基于NLMS算法的自适应滤波器来识别绕组的电阻，从而确定是否发生了电气故障。将自适应滤波器与NLMS算法相结合，以最小化参数向量的变化，从而产生更好更快的收敛效果14。针对液压单元故障，基于泵转速与驱动缸位置的明确解析关系，提出了一种转速估计算法。通过实时将估计转速与实际转速进行比较，在线检测EHA液压故障。
本文采用仿真与实验相结合的测试方法。首先，建立了EHA的数学模型，并对所提出的故障检测方法进行了仿真。仿真包括验证在非故障和故障注入条件下的检测方法。然后，在实际伺服控制器中实现了故障检测方法。最后，对仿真和实验结果进行了分析和对比，评价了故障检测方法的有效性。
Protocol
Representative Results
Discussion
在进行这些实验步骤时，确保算法的实时性以获得准确的计算结果非常重要。采用信号采集过程中的白噪声对实际传感器的特性进行仿真，使仿真更接近现实。在仿真和实验中，应用移动平均滤波器来减小识别电阻和估计转速的波动，使故障特性更稳定，更易于判断。在实验过程中，需要注意的是，在突然通信中断的情况下，必须立即切断驱动电源，只有在重新建立通信后才能进行实验。
<p cl…Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了中国民用飞机项目（编号MJ-2017-S49）和中国的支持
博士后科学基金（编号：2021M700331）。
Materials
| LabVIEW | NI | NI LabVIEW 2018 | |
| Matlab/SIMULINK | MathWorks.Inc | R2020a | |
| Personal Computer | Lenovo | Y7000 2020H | |
| 24V Switching Power Supply | ECNKO | S-250-24 | |
| Programmable Current Source | Greens Pai | GDP-50-30 |
References
- Fu, Y., et al. Review on design method of electro-hydrostatic actuator. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics. 43 (10), 1939-1952 (2017).
- Qi, H., et al. Modelling and simulation of a novel dual-redundancy electro-hydrostatic actuator. 2015 International Conference on Fluid Power and Mechatronics (FPM) IEEE. , 270-275 (2015).
- Chao, Q., et al. Integrated slipper retainer mechanism to eliminate slipper wear in high-speed axial piston pumps. Frontiers of Mechanical Engineering. 17, (2022).
- Yoo, M., et al. A resilience measure formulation that considers sensor faults. Reliability Engineering& System Safety. 199, 106393 (2019).
- Fang, J., et al. Online inverter fault diagnosis of buck-converter BLDC motor combinations. IEEE Transactions on Power Electronics. 30 (5), 2674-2688 (2015).
- Lisnianski, A., et al. Power system structure optimization subject to reliability constraints. Electric Power Systems Research. 39 (2), 145-152 (1996).
- Fu, T., Wang, L., Qi, H., Liu, H. Fault diagnosis and management of electric hydrostatic actuator. Machine Tool & Hydraulics. 38 (9), 120-124 (2010).
- Maddahi, A., Kinsner, W., Sepehri, N. Internal leakage detection in electrohydrostatic actuators using multiscale analysis of experimental data. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 65 (12), 2734-2747 (2016).
- Guo, S., et al. Hydraulic piston pump in civil aircraft: Current status, future directions and critical technologies. Chinese Journal of Aeronautics. 33 (01), 16-30 (2020).
- Jackson, E. Real-time model-based fault detection and diagnosis for automated systems. IEEE Industry Applications Society Dynamic Modeling Control Applications for Industry Workshop. , 26-28 (1997).
- Alcorta, G. E., Zolghadri, A., Goupil, P. A novel non-linear observer-based approach to oscillatory failure detection. 2009 European Control Conference (ECC). , 1901-1906 (2009).
- Castaldi, P., et al. Design of residual generators and adaptive filters for the FDI of aircraft model sensors. Control Engineering Practice. 18 (5), 449-459 (2010).
- Zhu, P., Dong, W., Mao, Y., Shi, H., Ma, X. Kernel adaptive filtering multiple-model actuator fault diagnostic for multi-effectors aircraft. 2019 12th Asian Control Conference (ASCC). , 1489-1494 (2019).
- Hidayat, R., Ramady, G. D., Lestari, N. S., Mahardika, A. G., Fadriani, H. Optimization of normalized least mean square algorithm of smart antenna beamforming for interference mitigation. Journal of Physics: Conference Series. 1783, 012085 (2021).
- Fu, J., et al. Modelling and simulation of flight control electromechanical actuators with special focus on model architecting, multidisciplinary effects and power flows. Chinese Journal of Aeronautics. 30 (1), 47-65 (2017).
- Li, Z., et al. New normalized LMS adaptive filter with a variable regularization factor. Journal of Systems Engineering and Electronics. 30 (2), 259-269 (2019).
