一种三余度液压伺服机构的故障模拟箱技术领域
本发明涉及伺服机构测试领域，特别是一种三余度液压伺服机构的故障模
拟箱。
背景技术
伺服机构是对运载火箭飞行控制执行机构子系统的统称。液氧煤油发动机
以液氧和煤油为燃料，具备无毒、无污染、高性价比和使用维护方便等优点，
是目前世界上的一种主流运载火箭发动机，并可能用于载人，摇摆液氧煤油发
动机的伺服机构也是必备箭上设备。该种类伺服机构及其控制器在性能测试中，
需要在一度故障和两度故障下进行产品的性能测试与考核，以保证三余度运载
火箭的伺服机构在某余度出现故障时，还能够安全可靠地实现所需功能。
在保障产品性能和功能不受影响的状态下，模拟伺服机构及控制器的典型
故障，尤其在故障注入状态进行无损故障测试，考核产品在一度及两度故障时
的性能成为关键。目前还没有设备来系统地综合实现伺服机构及控制器的各类
故障模拟、余度故障测试，现有的故障模拟方式为：将故障功能分散，一套设
备完成一个故障的模拟，比如控制器的供电故障一般采用转接箱和转接电缆，
通过短接端子的插拔，实现控制器供电余度故障测试；控制器输出饱和故障通
过转接箱和外置电流源来实现；反馈电位计断路通过转接箱短接端子的插拔来
实现；反馈电位计的短路故障在控制器外部通过针孔线及外部电源实现。
但是上述方法实现非常烦琐、准备工作量大、时间长，且安全性低，容易
对伺服机构及控制器产生损害，使得产品关键芯片或部件产生不可恢复的损坏。
另外上述方法的测试一致性差，不利于数据的比对，只能用于实验室简单的一
次性的验证实验，不适合正规地、经常性地、反复地大批量设备的故障模拟性
能测试。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种通过在故障
模拟模块中设置开关通断，并通过开关接通断实现了多个故障的模拟的三余度
液压伺服机构的故障模拟箱，本发明模拟箱模拟故障及测试时准备工作量小、
节约了测试时间，减少工作量，提高测试的一致性，有利于后期测试数据对比。
本发明的技术解决方案是：一种三余度液压伺服机构的故障模拟箱，包括
主控模块、电源故障模块、反馈电位计断路模块、反馈电位计短路模块、伺服
阀线圈开路及功放饱和故障模块，其中
电源故障模块，包括三路结构完全相同的第一电路组合；第一电路组合包
括开关K1、第一触点、第二触点、第三触点、第四触点、第五触点、第六触点，
其中，第一触点接伺服控制器的28V+端，第二触点接伺服控制器的28V地端，
第三触点、第四触点悬空，第五触点接测试仪电源28V+端，第六触点接测试
仪电源28V地端；
主控模块，当接收到模拟伺服控制器电源故障指令时，控制电源故障模块
中的K1接通第一触点及第三触点，接通第二触点及第四触点；
当接收到模拟伺服控制器电源故障结束指令时，控制电源故障模块中的
K1接通第一触点及第五触点，接通第二触点及第六触点；
当接收到模拟反馈电位计断路故障指令时，控制开关K2接通第七触点
及第九触点，接通第八触点及第十触点，控制开关K3接通第十三触点与第十
七触点，接通第十四触点及第十八触点；
当接收到模拟反馈电位计短路故障指令时，控制开关K2接通第七触点
及第九触点，接通第八触点及第十触点，控制开关K3接通第十三触点及第十
五触点，接通第十四触点及第十六触点；
当接收到模拟反馈电位计断路故障结束指令或模拟反馈电位计短路故障
指令结束时，控制开关K2接通第七触点及第十一触点，接通第八触点及第十
二触点，控制开关K3接通第十三触点及第十七触点，接通第十四触点及第十
八触点；
当接收到伺服阀线圈开路故障指令时，控制开关K4接通第十九触点及
第二十一触点，接通第二十触点及第二十二触点，控制开关K5接通第二十五
触点及第二十九触点，接通第二十六触点及第三十触点，控制开关K6接通三
十一触点及第三十五触点，接通第三十二触点及第三十六触点；
当接收到伺服阀线圈功放饱和故障指令时，控制开关K4接通第十九触
点及第二十一触点，接通第二十触点及第二十二触点，控制控制开关K5接通
第二十五触点及第二十七触点，接通第二十六触点及第二十八触点，控制开关
K6接通三十一触点及第三十五触点，接通第三十二触点及第三十六触点，控制
调节滑动变阻器的阻值直至第三保护电阻的监测电压为1V；
当接收到伺服阀线圈开路故障结束指令或伺服阀线圈功放饱和故障结束
指令时，控制开关K4接通第十九触点及第二十三触点，接通第二十触点及第
二十四触点，控制开关K5接通第二十五触点及第二十九触点，接通第二十六
触点及第三十触点，控制开关K6接通三十一触点及第三十五触点，接通第三
十二触点及第三十六触点；
反馈电位计断路模块，包括三路结构完全相同的第二电路组合；第二电路
组合包括开关K2、第七触点、第八触点、第九触点、第十触点、第十一触点、
第十二触点，其中，第七触点接一路伺服机构电位计反馈输出信号高端，第八
触点接伺服控制器电位计反馈输出信号高端，第九触点悬空，、第十触点接一路
反馈电位计短路模块，第十一触点接第十二触点；
反馈电位计短路模块，包括三路结构完全相同的第三电路组合；第三电路
组合包括开关K3、第十三触点、第十四触点、第十五触点、第十六触点、第十
七触点、第十八触点，其中，第十三触点接一路反馈电位计断路模块中第十触
点，第十四触点接伺服控制器反馈电位计反馈输出信号低端，第十五触点经第
二保护电阻后接第二保护电压高端，第十六触点接第二保护电压地端，第十七
触点悬空，第十八触点接伺服机构反馈电位计反馈输出信号低端；
伺服阀线圈开路及功放饱和故障模块，包括三路结构完全相同的第四电路
组合；第四电路组合包括开关K4、第十九触点、第二十触点、第二十一触点、
第二十二触点、第二十三触点、第二十四触点、K5、第二十五触点、第二十六
触点、第二十七触点、第二十八触点、第二十九触点、第三十触点，K6、第三
十一触点、第三十二触点、第三十三触点、第三十四触点、第三十五触点、第
三十六触点，其中，第十九触点接一个伺服机构力矩马达线圈的高压端，第二
十触点接一个伺服控制器力矩马达线圈的高压端，第二十一触点接开关K5，第
二十二触点经第一保护电阻后接伺服控制器力矩马达线圈的低压端，第二十三
触点接第二十四触点，第二十五触点接第二十一触点、第三十三触点，第二十
六触点接另一组伺服机构力矩马达线圈的低压端，第二十七触点经滑动变阻器、
第三保护电阻后接24V电源高端，第二十八触点接24V电源地端，第二十九触
点悬空，第三十触点接一组伺服机构力矩马达线圈的低压端，第三十一触点接
另一个伺服机构力矩马达线圈的高压端，第三十二触点接另一个伺服控制器力
矩马达线圈的高压端，第三十三触点接第二十五触点，第三十四触点经第一保
护电阻后接伺服控制器力矩马达线圈的低压端，第三十五触点接第三十六触点。
所述的第一保护电阻为450Ω。
所述的第二保护电压为9V。
所述的第二保护电阻为2000Ω。
所述的第三保护电阻为100Ω、滑动变阻器为3.3kΩ。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明与现有技术相比，通过一体化设计手段模拟实现了反馈电位计
断路故障、反馈电位计短路故障、伺服阀线圈开路故障、伺服阀线圈功放饱和
故障模拟，解决了伺服等效故障模拟设备的功能分散的问题，具有功能齐全、
设备集成度高、使用方便的优点；
(2)本发明与现有技术相比，通过故障模拟箱中电路的串并联设计，解决
了伺服机构三余度中一度及两度余度故障状态模拟问题，具有能实现三余度伺
服机构中任意两余度故障状态组合的优点；
(3)本发明与现有技术相比，通过在故障模拟箱中设计保护电阻及保护电
压，解决了现有的伺服机构工作状态测试技术损害伺服机构的缺点，在对伺服
机构工作状态模拟及测试的同时，保护了被测对伺服机构，延长了伺服机构寿
命；
(4)本发明通过在反馈电位计断路模块、反馈电位计短路模块、伺服阀线
圈开路及功放饱和故障模块中设置开关通断，并通过开关接通或关断实现了多
个故障的模拟，准备工作量小、节约了测试时间，减少工作量，提高测试的一
致性，有利于后期测试数据对比；
(5)本发明通过在伺服阀线圈功放饱和故障模块中设置滑动变阻器及动态
测量保护电阻两端电压，与现有技术相比，能够精确达到功放饱和要求，避免
测试不到位或电流过大损害马达线圈；
(6)本发明通过故障模拟模块中的保护电阻及保护电压，与现有技术相比
避免了在故障模拟及测试过程中对伺服控制器的关键芯片或部件产生损坏的缺
陷，保护了试验设备。
附图说明
图1为本发明一种三余度液压伺服机构的故障等效模拟装置原理图；
图2为本发明故障模拟箱上面板原理示意图；
图3为本发明故障模拟箱中控制器电源故障组合原理示意图；
图4为本发明故障模拟箱中反馈电位计断路及短路故障组合原理示意图；
图5为本发明故障模拟箱中伺服阀线圈开路及功放饱和故障组合原理图示
意。
具体实施方式
本发明涉及一种液氧煤油发动机推力矢量控制用的采用液动机驱动的多
余度泵控伺服机构的故障模拟装置，实现该类伺服机构的故障状态测试与考核，
该模拟装置通过组合逻辑电路、保护电路来实现各种故障状态并且进行该状态
下的余度故障测试，同时保护伺服机构及控制器等被测设备，进行无损故障测
试，有效节约了测试过程中的试验成本，具有消耗小、可重复、快速定位等优
点。所述的故障等效模拟装置分为两部分：伺服机构故障等效模拟装置电缆，
负责控制器以及伺服机构模拟信号的传输；伺服机构故障等效模拟箱，负责控
制器以及伺服机构各类故障的模拟等效。下面结合附图对该故障等效模拟装置
进行详细说明，如图1所示，该故障等效模拟装置包括故障模拟箱、转接电缆、
工控机、伺服控制器、伺服机构、角位移传感器、电源及信号转接箱、主控模
块。
在进行伺服机构余度故障测试时，电源及信号转接箱接外部220V电压，
产生28V电压送至故障模拟箱，并为角位移传感器供电，电源及信号转接箱中
的电源通过供电电缆为伺服控制器提供三组+28V直流电源，三组电源正常供
电，则控制器正常工作，当进行电源断路故障模拟时将故障模拟箱串联在电源
及信号转接箱以及控制器之间，故障模拟箱转接电源后给伺服控制器，当进行
反馈电位计断路故障时，断开伺服机构及伺服控制器之间连接，故障模拟箱将
伺服机构电位计传感器传输到控制器的一组位置电压信号断开，当进行反馈电
位计短路故障时，断开伺服机构及伺服控制器之间连接，故障模拟箱将一路电
位计短路，并输出一个9V电压通过一个2K保护电阻，连接到伺服控制器的反
馈电位计电压测量端，完成故障模拟，当进行伺服阀线圈开路故障时，故障模
拟箱将力矩马达线圈开路，并提供给伺服控制器450Ω的保护电阻，完成伺服
阀线圈开路故障模拟，当进行伺服阀线圈功放饱和故障时，故障模拟箱将一路
力矩马达线圈开路并令另一路力矩马达线圈功放饱和，实现故障模拟，在故障
模拟过程中，伺服控制器产生控制信号送至伺服机构，角位移传感器测量伺服
机构角位移反馈信号送至电源及信号转接箱，伺服控制器将总线反馈信号送至
电源及信号转接箱，电源及信号转接箱接收伺服机构发送的模拟量反馈信号，
电源及信号转接箱将总线反馈信号、模拟量反馈信号、角位移反馈信号送至工
控机，其中，工控机接外部220V电压，信号转接使用的转接电缆为1553B电
缆。
如图2所示，故障模拟箱包括多个组合开关及测试点，本发明故障模拟箱
包括控制电源插座、电源故障模块，反馈电位计断路模块、反馈电位计短路模
块、伺服阀线圈开路及功放饱和故障模块，因此故障模拟箱面板主要分为三个
区域，每个区域的旁边印制有简单的示意图便于指导实际操作，其中，控制器
电源故障在面板右下角一排，三个拨动开关控制三路控制器28V电源的通断，
来模拟伺服控制器电源故障。在模拟控制器电源故障状态时，先将电源及信号
转接箱提供的三路控制器28V电源，通过故障模拟箱及转接电缆，传输到伺服
控制器中，将第一个拨动开关拨动到断1位置，则第一路给控制器提供的28V+
电源被断开，模拟一路供电断路故障状态实现，此时进行控制器供电电压值的
监测及记录，并进行伺服机构的性能测试，来检验一路控制器供电断路情况下，
给伺服机构传感器提供的二次电源受影响的状态下，伺服机构的性能状态。
如图3所示为本发明模拟箱中具体连接关系，伺服控制器通过“控制电源
电缆”连接到故障模拟箱的“控制电源插座”，插座中的13点、14点(即图中
的KZQDY(13,14)，为第一路“28V+”信号)与“控制电源故障模块”K1开
关的1点相连，20点、21点(即图中的KZQDY(20,21)，第一路“28V地”信
号)与K1开关的2点相连；另一端测试仪通过“测试仪电源电缆”连接到故障
模拟箱的“测试仪电源插座”，插座中的13点、14点(第一路“28V+”信号)
与“控制电源故障模块”K1的5点相连，20点、21点(第一路“28V地”信
号)与K1的6点相连。当K1开关拨到“正常1”键位时，K1的1点与5点接
通，2点与6点接通，整个电路连通，实现28V正常供电；当K1开关拨到“断
1”键位时，K1的1点与3点接通，2点与4点接通，3点、4点为悬空点，
不连接任何电路，整个电路断开，实现28V供电断路。28V第二路、第三路信
号的通断原理同上。其中，本发明中的测试仪为伺服系统的测试仪器，另外本
发明模拟箱为了提高可靠性，对电源或高低端进行了冗余设计，比如，
KZQDY(13,14)分别表示伺服控制器的两个28V+端、CSYDY(20,21)分别表示
测试仪电源的两个地端。
因此，在实现伺服控制器电源故障时，通过三个开关实现三路控制器28V
供电断路故障状态，28V+1,28V+2,28V+3分别代表提供给控制器的三组28V
电源，每组两个接点代表电路的高低端，中间三个有六个接点的器件代表拨动
开关及其接点，右侧三组代表由电源及信号转接箱传输过来的三组28V电源，
结合图1、图2、图3可以得到电源故障模拟的详细工作流程包括：在控制器
正常工作状态下，图1中的电源及信号转接箱中的电源通过供电电缆为控制器
提供三组+28V直流电源，三组电源正常供电，则控制器正常工作。当进行电
源断路故障模拟时将故障模拟箱串联在电源及信号转接箱以及控制器之间，当
进行一路断路故障模拟时，断开电源及信号转接箱中输出到控制器的第一组
28V+1电源，工控机通过1553B总线采集并存贮电源的电压监测数据以及伺服
机构性能测试数据，确认故障状态的实现。同理，当进行第二组28V+2电源断
路故障模拟时，将图2中右下侧的第二个拨动开关向断2标识拨动，进行故障
状态测试。当进行第三组28V+3电源断路故障模拟时，将图2中右下侧的第三
个拨动开关向断3标识拨动，进行故障状态测试。
反馈电位计断路及短路故障组合是分别通过故障模拟箱的反馈电位计短
路模块、反馈电位计断路模块来实现，该组由三排六个拨动开关组成，面板下
部和电路板相关电路连接。当进行第一组电位计断路故障测试时，将第一排左
边一个拨动开关拨向断1，第一排右边的一个拨动开关拨向正常1，此时由伺
服机构电位计传感器传输到控制器的一组位置电压信号被断开，该故障状态实
现后，进行伺服机构性能测试，测量伺服机构中反馈电位计的电压信号，当监
测到反馈电位计的电压信号为0V时，测量被测伺服机构中的力矩马达线圈高
低端电压、反馈电位计的电压，作为反馈电位计断路故障下测试数据并存储；
反馈电位计短路故障需要一排两个开关组合使用，来达到短路故障状态。当进
行第一组电位计短路故障测试时，将第一排左边一个拨动开关拨向断1，第一
排右边的一个拨动开关拨向短1，此时通过开关及内部电路板电路的连接，实
现一路电位计短路故障状态，该状态下电路板通过电源输出一个9V电压，该
电压通过一个2K保护电阻，连接到控制器的反馈电位计电压测量端，该数据
被检测并存储，在该状态下进行伺服机构的特性测试并存储数据。
反馈电位计断路及短路故障是通过开关及电路的组合来实现，如图4所示
当实现反馈电位计断路故障时，分别控制反馈电位计的通断。当要实现短反馈
(反馈电位计短路故障)时，需要先进行断反馈的操作，再将右侧拨动开关拨
到短反馈端，此时，通过故障模拟箱内部电路，实现9V供电及2K欧保护电阻
串入伺服控制器对应端，实现短反馈状态，测试可通过测试仪进行该余度故障
状态测试。下面结合附图进行详细说明。
如图4所示为本发明反馈电位计短路模块、反馈电位计断路模块的具体连
接关系，控制器通过“控制电缆”连接到故障模拟箱的“控制器插座”，插座的
24点、25点(即图中的KZQ(24,25)，为第一路伺服控制器电位计反馈输出信
号高端)与“反馈电位计断路及短路故障模块”的第一组“断反馈”K2开关的
8点相连，18点(即图中的KZQ(18)，为第一路伺服控制器电位计反馈输出信
号低端)与第一组“短反馈”K3开关的14点相连；另一端伺服机构通过“伺服
机构电缆”连接到故障模拟箱的“伺服插座”，插座的24点、25点(即图中的
SFKZ(24,25)，为第一路电位计反馈输出信号高端)与“反馈电位计断路及短
路故障模块”的第一组“断反馈”K2开关的7点相连，18点(即图中的SFKZ(18)，
为第一路电位计反馈输出信号低端)与第一组“短反馈”K3开关的18点相连。
当实现断路状态时，断反馈开关K2拨到“断1”，短反馈K3开关拨到“正
常1”，如图4所示，断反馈K2开关7点与9点相连，8点与10点相连，短
反馈K3开关13点与17点相连，14点与18点相连，其中断反馈K2开关9
点、短反馈K3开关17点悬空，即伺服反馈电位计输出与控制器反馈电位计输
出断路，实现断路状态。
当实现短路状态时，断反馈K2开关拨到“断1”，短反馈开关拨到“短1”，
如图4所示，断反馈K2开关7点与9点相连，8点与10点相连，短反馈K3
开关13点与15点相连，14点与16点相连，即给伺服控制器反馈电位计高端
接入9V，伺服控制器反馈电位计低端接入9V地，从而实现短路状态。
当模拟完断路或短路状态后，开关K2接通点7及点11，接通点8及点
12，开关K3接通点13及点17，接通点14及点18，从而恢复正常状态，另
外本发明模拟箱为了提高可靠性，对电位计反馈输出信号高低端进行了冗余设
计，比如，SFKZ(24,25)分别表示两个伺服机构电位计反馈输出信号高端、
KZQ(18)分别表示伺服控制器反馈电位计反馈输出信号低端。
伺服阀线圈开路及功放饱和故障组合是分别通过服阀线圈开路故障模块、
伺服阀线圈功放饱和故障模块来实现功能，包括三组九个拨动开关、三个滑动
变阻器，三个测量点，该组面板下部和电路板相关电路连接。当进行第一组力
矩马达线圈开路故障测试时，将第一组三个拨动开关的左上第一个开关拨向断
路1-1，其他所有组开关拨向正常状态，此时通过开关及内部电路板电路的连
接，实现一路力矩马达线圈开路故障状态，该状态下被测保护电路工作，提供
给控制器450Ω保护电阻，进行输出指令端的电路保护。当伺服机构进行性能
测试时，伺服控制器发出测试指令，测试仪测量伺服机构中阀线圈的电流，当
监测到开路故障阀线圈的电流为0毫安时，测量被测伺服机构中的各组力矩马
达线圈高低端电压、反馈电位计的电压，作为伺服阀线圈开路故障下测试数据
并存储。
如图5所示，当实现伺服阀线圈开路故障时，通过左侧六个拨动开关实现
六个力矩马达线圈的通断，并通过电路板上的电阻等电路模拟线圈电阻，避免
控制器端悬空，起到保护控制器的作用。当实现控制器输出饱和故障时，通过
开关及电路的组合来实现。首先通过六个拨动开关实现力矩马达线圈的断路，
切断伺服机构和控制器的连接；其次通过图2中伺服阀线圈开路及功放饱和故
障组合开关组右侧三个开关来实现控制器输出饱和故障，当拨动开关拨到通恒
流时，通过调节右侧的滑动变阻器的阻值，并且通过左下角的测量点，来测量
100欧电阻上的电压，实现1～25mA电流注入伺服阀线圈，此时可以通过测试
仪进行该余度故障状态测试，其中，本发明故障模拟箱包括电源，电路板，滑
动变阻器，开关等电子器件，下面结合附图进行详细说明。
当实现伺服阀线圈开路故障时，控制器通过“控制电缆”连接到故障模拟
箱的“控制器插座”，另一端伺服机构通过“伺服机构电缆”连接到故障模拟箱
的“伺服插座”，如图5所示，伺服马达线圈1的高端(即图中的SFKZ3)连
接至第一组三个拨动开关的K4开关的19点，伺服控制器马达线圈1的高端(即
图中的KZQ3)连接至该开关的20点，将此开关拨向断路1-1，其他所有组开
关拨向正常状态，此开关19点与21点相连，20点与22点相连，第一组第二
个开关25点与29点相连，26点与30点相连，由图可知，伺服马达线圈1的
高端断路，控制器马达线圈1的低端(即图中的KZQ5，6)接入450Ω保护电
阻，实现一路力矩马达线圈开路故障状态。
当实现伺服阀线圈功放饱和故障时，在一路力矩马达线圈开路故障状态下
将第一组三个拨动开关右侧的开关拨到恒流1，此时通过开关及内部电路板电
路的连接以及第一个滑动变阻器的调节，该3.3K电阻调节时，进行第一组测量
点的监测，当该监测电压达到1V时，实现伺服阀线圈10毫安的饱和故障电
流，达到一路力矩马达线圈功放饱和故障状态，组合开关状态完成后，保护电
路工作，提供给控制器450Ω保护电阻，进行输出指令端的电路保护，其他五
个线圈故障状态分别按照类似操作实现。具体连接原理如下：将第一组三个拨
动开关右侧的K5开关拨到恒流1，将左侧K4开关拨到断1-1，下方K6开关
拨到正常1-2，如图5所示，左侧开关19、21点相连，20、22点相连；右侧
开关25、27点相连，26、28点相连，伺服马达线圈1高端(即图中的SFKZ3)
接入3.3K滑动变阻器,伺服马达线圈1低端(即图中的SFKZ5)接入24V地，
通过调节滑动变阻器阻值，测量100Ω电阻上的电压值，当该监测电压达到1V
时，实现伺服阀线圈10毫安的饱和故障电流。
当模拟完开路故障或饱和故障时，开关K4接通点19及点23，接通点20
及点24，开关K5接通点25及点29，接通点26及点30，开关K6接通点31
及点35，接通点32及点36，其中，本发明伺服阀线圈开路及功放饱和故障模
块包括三路结构完全相同的电路组合，每路电路组合包括两路力矩马达线圈(伺
服马达线圈)，当一路力矩马达线圈进行断路或饱和故障时，另一路力矩马达线
圈正常工作。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。