飛機電剎車驅(qū)動器設(shè)計與研究

謝世杰，林 輝，戴志勇

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710129)

0 引 言

隨著我國航空事業(yè)的迅速發(fā)展，飛機全電剎車系統(tǒng)越來越受到各個研究部門的重視。一個效率高、可靠性好的剎車系統(tǒng)對于飛機的安全性而言有著舉足輕重的意義。全電剎車以其可靠性高、體積小、重量輕、響應(yīng)速度快等優(yōu)點成為飛機剎車的新寵。而作為剎車系統(tǒng)的重要組成部分，剎車驅(qū)動器的設(shè)計成為飛機全電剎車的前沿課題。

1 飛機剎車系統(tǒng)概述

飛機電剎車系統(tǒng)由輸入、全電剎車防滑控制盒、機輪剎車驅(qū)動盒和機電作動機構(gòu)及受剎機輪四部分組成。圖1是飛機電剎車系統(tǒng)的整體架構(gòu)。

圖1 飛機電剎車系統(tǒng)的整體架構(gòu)

輸入:輸入是駕駛艙踏板信號，也就是駕駛員腳踩的剎車指令給定信號。

全電剎車防滑控制盒:當(dāng)飛機在剎車過程中，機輪可能抱死而威脅飛機的安全。防滑控制盒通過控制機輪松剎指令，解除機輪抱死，它接收剎車指令給定信號和機輪控制信號，經(jīng)過偏壓調(diào)制算法控制，輸出綜合剎車指令信號。

機輪剎車驅(qū)動盒:以270 V直流電源作為驅(qū)動電源(即:航空中的高壓直流電)，驅(qū)動無刷直流電動機，從而控制機電作動機構(gòu)和受剎機輪，使輸出的剎車力矩跟隨防滑控制盒輸出的綜合剎車指令信號。

機電作動機構(gòu)及受剎機輪:其實物圖如圖2所示，它由一個無刷直流電動機連接一個減速器和滾珠絲杠，最終作用于觸頭，對剎車盤施加壓力，完成整個剎車過程。

圖2 機電作動機構(gòu)實物圖

2 驅(qū)動器設(shè)計

2.1 驅(qū)動器仿真驗證

2.1.1 無刷直流電動機數(shù)學(xué)模型

假設(shè)無刷直流電動機三相繞組對稱，連續(xù)均勻分布，忽略換向過程、齒槽效應(yīng)和電樞反應(yīng)等非線性因素的影響，且磁路不飽和。可得電機模型:

式中:T為電磁轉(zhuǎn)矩;f為摩擦系數(shù) (粘滯系數(shù));ω為角速度;TL負(fù)載轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)動慣量。

2.1.2 系統(tǒng)整體模型

驅(qū)動器系統(tǒng)整體仿真模型如圖3所示，通過信號源模擬綜合給定電流信號，經(jīng)過壓力環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三環(huán)控制，控制逆變器，而控制無刷直流電動機。檢測無刷直流電動機的速度信號和電流信號，分別作為三環(huán)控制的速度反饋和電流反饋。將電機的速度積分，轉(zhuǎn)換成電機的位置，由于電機經(jīng)減速器和滾珠絲杠通過活塞作用于剎車盤，電機轉(zhuǎn)過的相對位置與活塞距離剎車盤的相對位置成正比，活塞擠壓剎車盤的形變量即為活塞距離剎車盤的相對位置，它正比于剎車盤的壓力，將電機轉(zhuǎn)過的相對位置乘以系數(shù)K即壓力環(huán)的壓力反饋。從而實現(xiàn)驅(qū)動器的三環(huán)閉環(huán)控制。

圖3 驅(qū)動器系統(tǒng)整體仿真模型

2.2 驅(qū)動器實物設(shè)計

圖4是驅(qū)動器的硬件結(jié)構(gòu)。

剎車驅(qū)動器分為剎車給定調(diào)理電路、壓力反饋調(diào)理電路、DSP+CPLD單元、電流采樣點路、隔離電路、功率驅(qū)動電路。驅(qū)動器接收剎車壓力給定信號，經(jīng)壓力給定調(diào)理電路調(diào)理，輸入DSP的AD端口，DSP經(jīng)算法控制，產(chǎn)生控制無刷直流電動機的控制信號(轉(zhuǎn)向信號和占空比信號)，CPLD接收電機控制信號和霍爾位置信號，經(jīng)邏輯運算，通過隔離電路和功率驅(qū)動電路，驅(qū)動無刷直流電動機工作。壓力傳感器實時反饋剎車壓力信號，經(jīng)壓力反饋調(diào)理電路輸入DSP的AD端口，完成壓力閉環(huán)控制。電流采集電路采集無刷直流電動機的母線電流，用作電機電流環(huán)控制。

圖4 驅(qū)動器硬件結(jié)構(gòu)

圖5是驅(qū)動器控制策略。驅(qū)動器接收剎車力矩給定，經(jīng)過電流環(huán)、速度環(huán)、壓力環(huán)的三環(huán)控制，控制無刷直流電動機，從而對剎車盤施加壓力，達到壓力反饋跟隨力矩給定的剎車效果。

圖5 剎車驅(qū)動器控制策略

其中，電流環(huán)為控制策略的內(nèi)環(huán)，設(shè)計采用經(jīng)典的PID控制策略，通過調(diào)節(jié)電機母線電流從而控制電機剎車性能。轉(zhuǎn)速環(huán)采用經(jīng)典的PID控制策略，通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速從而控制壓力環(huán)的超調(diào)量，提高整體剎車性能。

壓力環(huán)為控制策略的外環(huán)，其性能的優(yōu)劣直接影響著剎車效果。流程圖如圖6所示。

驅(qū)動器在接收到剎車壓力給定信號后首先對指令信號進行分析，并將驅(qū)動器的工作狀態(tài)劃分為“停剎”、“預(yù)剎”、或“正常剎車”。“停剎”狀態(tài)要保證機電作動器和剎車盤要有足夠的距離，以防剎車盤產(chǎn)生不應(yīng)有的剎車動作。當(dāng)處于“預(yù)剎”狀態(tài)時，機電作動器和剎車盤之間的間隙非常小，0.5 mm，它一方面要防止處于誤剎以致“抱死”，同時還要讓剎車過程的空行程盡量小，以提高剎車防滑性能。首先，驅(qū)動器采集剎車壓力給定信號并作相應(yīng)判斷。若剎車壓力給定小于停剎剎車門限，此時，驅(qū)動器工作在停剎狀態(tài)，電機以20%占空比開環(huán)反轉(zhuǎn)，并實時檢測電機位置。當(dāng)電機位置為停剎位置時，電機停止運行。若剎車壓力給定大于停剎剎車門限且小于預(yù)剎車門限，此時，驅(qū)動器工作在預(yù)剎狀態(tài)，電機以20%占空比開環(huán)反轉(zhuǎn)，并實時檢測電機位置。當(dāng)電機位置為預(yù)剎位置時，電機停止運行。若剎車壓力給定大于預(yù)剎車門限，此時，系統(tǒng)進入正常剎車狀態(tài)，系統(tǒng)通過剎車壓力給定和剎車壓力反饋的PID調(diào)節(jié)，控制電機的剎車壓力跟隨剎車壓力給定。

圖6 壓力環(huán)流程圖

3 試驗結(jié)果

圖7為飛機電剎車驅(qū)動器仿真波形。圖7(a)是綜合壓力給定波形;圖7(b)是壓力反饋波形。由仿真可以看出，在經(jīng)過短暫的調(diào)節(jié)后，反饋壓力能夠很好地跟隨給定信號。

圖9是飛機高壓電剎車驅(qū)動器工作狀態(tài)下的實際測量波形。此時，綜合壓力給定為ω=24 Hz，給定幅值:150 mV，響應(yīng)幅值:138 mV，即剎車壓力給定為7 500+750sin(ωt)時對應(yīng)的波形。

圖9 剎車驅(qū)動器實際測量波形

4 結(jié) 語

本文以飛機全電剎車為研究背景，對飛機電剎車驅(qū)動器進行了仿真，并進行了實物設(shè)計。給出了剎車驅(qū)動器的仿真結(jié)果和實物實驗結(jié)果。實驗證明，剎車驅(qū)動器設(shè)計合理，性能優(yōu)良。

［1］ 文延，謝利理.CPLD在DSP無刷直流電機控制中的應(yīng)用［J］.微處理機，2004，(3):58－60.

［2］ 常順宏，田廣來，李玉忍，等.DSP在飛機全電剎車系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.航空精密制造技術(shù)，2006(3):57－60.

［3］ 劉輝，劉杰.基于DSP控制的直流無刷電機伺服系統(tǒng)的研究［J］.電器工業(yè)，2006(8):69 －71.

［4］ 李暉暉，林輝，謝利理.飛機全電剎車系統(tǒng)電作動機構(gòu)研究［J］.測控技術(shù)，2003(9):51 －53，55.

［5］ 蔡文舉.飛機全電防滑剎車控制器設(shè)計［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2007.

［6］ 喻鵬.飛機全電剎車系統(tǒng)作動機構(gòu)研究與設(shè)計［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2008.

［7］ 丁斌，黃偉明，楊新文，等.飛機全電剎車系統(tǒng)的機電作動機構(gòu)［J］.航空制造技術(shù)，2006(1):36 －39.

［8］ 樊馨月，齊蓉，季臺福，等.基于DSP的飛機全電剎車測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.測控技術(shù)，2007(3):89－91.

［9］ 張秋紅，李玉忍.飛機全電剎車系統(tǒng)設(shè)計與分析［J］.航空計算技術(shù)，2003(9):97 －100.

［10］ 李洪果，王鍇，吳瑞祥，等.飛機全電剎車系統(tǒng)研究［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2004(4):339－343.