通用型飛機(jī)機(jī)輪傳感器智能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘柏全 陳 良 賈春鵬

(空軍工程大學(xué)航空機(jī)務(wù)士官學(xué)校，河南信陽(yáng)464000)

防滑剎車系統(tǒng)是飛機(jī)安全著陸的重要保障,而機(jī)輪傳感器作為防滑剎車系統(tǒng)的核心元件,其能否正常工作直接影響防滑剎車系統(tǒng)的性能,進(jìn)而影響飛機(jī)的著陸安全以及飛機(jī)的各項(xiàng)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)[1-3].為保障機(jī)輪傳感器各項(xiàng)性能指標(biāo)符合要求,確保飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)正常工作,機(jī)輪傳感器必須在地面進(jìn)行功能及性能參數(shù)檢測(cè)試驗(yàn)[4].飛機(jī)采用的機(jī)輪傳感器有負(fù)角加速度傳感器和機(jī)輪轉(zhuǎn)速傳感器這兩大類.目前部隊(duì)和大修廠采用的檢測(cè)設(shè)備要么只能檢測(cè)負(fù)角加速度傳感器,要么只能檢測(cè)機(jī)輪轉(zhuǎn)速傳感器,而且每一類檢測(cè)設(shè)備都只能對(duì)單一型號(hào)的傳感器做檢測(cè).此外,測(cè)量負(fù)角加速度傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器的設(shè)備都只能先間接測(cè)量偏心距的方式再通過理論推導(dǎo)計(jì)算得到檢測(cè)結(jié)果,存在測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、剎車時(shí)間和加速時(shí)間無法控制、操縱復(fù)雜、通用性和綜合性差等問題.為此,筆者研制了通用型機(jī)輪傳感器智能檢測(cè)系統(tǒng),該檢測(cè)系統(tǒng)既能檢測(cè)負(fù)角加速度傳感器又能檢測(cè)機(jī)輪轉(zhuǎn)速傳感器,而且測(cè)量結(jié)果是機(jī)輪傳感器運(yùn)行的真實(shí)值,從而解決了機(jī)輪傳感器檢修工作程序復(fù)雜、檢測(cè)精度低和檢測(cè)效率不高的問題.

1 工作原理

1.1 飛機(jī)機(jī)輪傳感器分析

根據(jù)飛機(jī)型號(hào)的不同,防滑剎車系統(tǒng)采用了不同類型的機(jī)輪傳感器.較為老式的飛機(jī)大部分采用負(fù)角加速度傳感器,而新式飛機(jī)基本上采用機(jī)輪轉(zhuǎn)速傳感器.

負(fù)角加速度傳感器用于感受機(jī)輪剎車時(shí)的負(fù)角加速度,根據(jù)負(fù)角加速度的大小給出通斷開關(guān)信號(hào),防滑剎車系統(tǒng)根據(jù)通斷開關(guān)信號(hào)來控制機(jī)輪剎車壓力及松剎車時(shí)間,從而達(dá)到最優(yōu)剎車的目的.這種傳感器的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括三項(xiàng):磨合實(shí)驗(yàn)、靈敏性實(shí)驗(yàn)和延時(shí)實(shí)驗(yàn).

機(jī)輪轉(zhuǎn)速傳感器用于感受機(jī)輪的轉(zhuǎn)速,根據(jù)轉(zhuǎn)速的大小輸出頻率信號(hào),由防滑剎車系統(tǒng)進(jìn)行微分,判斷機(jī)輪的狀態(tài),從而直接控制機(jī)輪剎車壓力,使機(jī)輪與地面不發(fā)生打滑,達(dá)到最優(yōu)剎車目的.這種傳感器的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括兩項(xiàng):磨合實(shí)驗(yàn)、性能實(shí)驗(yàn).

1.2 檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理

檢測(cè)系統(tǒng)的研制思路為:建立機(jī)輪傳感器的實(shí)際工況條件,測(cè)試機(jī)輪傳感器在模擬實(shí)驗(yàn)工況條件下的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù),包括磨合試驗(yàn)、延時(shí)試驗(yàn)、靈敏性試驗(yàn)以及性能試驗(yàn).四類試驗(yàn)的核心是檢測(cè)系統(tǒng)能夠產(chǎn)生被測(cè)傳感器實(shí)際工況運(yùn)行的轉(zhuǎn)速和負(fù)角加速度,并對(duì)被測(cè)機(jī)輪傳感器的輸出反饋信號(hào)進(jìn)行處理.根據(jù)研制思路設(shè)計(jì)的機(jī)輪傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理如圖1所示.

用觸摸屏作為輸入輸出元件對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行全程監(jiān)控；用驅(qū)動(dòng)控制模塊作為整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的大腦,接收觸摸屏傳遞過來的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理,然后根據(jù)程序指令驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),并接受伺服電動(dòng)機(jī)反饋回來的信號(hào),通過反饋信號(hào)精確調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流的大小,使伺服電動(dòng)機(jī)根據(jù)輸入的參數(shù)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)；用伺服電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生角加速度,并將反饋信號(hào)輸給驅(qū)動(dòng)控制模塊,用于提高精度；用增速機(jī)構(gòu)作為放大元件,將伺服電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速和負(fù)角加速度放大9倍,輸出到被測(cè)的機(jī)輪傳感器；被測(cè)機(jī)輪傳感器產(chǎn)生的信號(hào)再發(fā)送給驅(qū)動(dòng)控制器模塊,讓驅(qū)動(dòng)控制器模塊將信號(hào)變換處理后發(fā)送到觸摸屏,顯示給操作人員,從而完成檢測(cè)工作.

2 硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)硬件部分主要由伺服控制系統(tǒng)、增速機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)接裝置和臺(tái)架等組成,其外形如圖2所示.

2.1 伺服控制系統(tǒng)

由于被測(cè)傳感器速度范圍寬,達(dá)到了0～16 000 r/min,加速度要求精度高,一般伺服電動(dòng)機(jī)自帶驅(qū)動(dòng)器無法提供高精度的控制,為此設(shè)計(jì)了基于DSP系統(tǒng)的負(fù)角加速度伺服控制系統(tǒng)[5-7].DSP以數(shù)字計(jì)算的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,滿足了高轉(zhuǎn)速條件下負(fù)角加速度信號(hào)的快速準(zhǔn)確采集、實(shí)時(shí)處理及控制的要求.

圖3為伺服控制系統(tǒng)的硬件框圖.它由5部分組成:以DSP為主要元件的控制模塊、以IPM為核心的功率模塊、以觸摸屏為輸入輸出的人機(jī)交互模塊、由傳感器等組成的信號(hào)檢測(cè)模塊、由電動(dòng)機(jī)和編碼器組成的伺服電動(dòng)機(jī)模塊.

(1)控制模塊:控制模塊是角加速度前饋的數(shù)字PID伺服控制系統(tǒng)的控制中樞,是驅(qū)動(dòng)和控制伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的核心.伺服控制系統(tǒng)以美國(guó)德州儀器公司的TMS320F2812芯片為控制核心,采用了閉環(huán)控制,內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)、控制、總線和I/O等功能,因此,控制器不僅控制精度高而且安全可靠,是一種智能型伺服系統(tǒng).通過總線接收來自編碼器的位置信息,通過A/D通道接收電流檢測(cè)模塊的電流信息,通過數(shù)字I/O接收故障檢測(cè)模塊檢測(cè)到的故障信息,通過SPI接口與外部存儲(chǔ)器E2PROMX5043進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[6].控制模塊發(fā)出的SVPWM信號(hào)通過光電隔離模塊送入到IPM模塊,經(jīng)IPM完成DC/AC逆變后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn).

(2)功率模塊:功率模是塊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力來源,由IPM、電源和整流濾波模塊等組成.IPM采用了三菱公司的第四代智能功率模塊PS21564[7].PWM的輸入信號(hào)、故障輸出信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電源輸出信號(hào)通過控制端接收.電源模塊由4組相互獨(dú)立的15V直流電源組成.光電隔離器的調(diào)理電路將PWM信號(hào)調(diào)理后輸送到IPM模塊.

(3)人機(jī)交互模塊:由觸摸屏和相應(yīng)的支持電路組成,用來完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、信息處理、狀態(tài)監(jiān)控以及輸入輸出等功能.觸摸屏采用了eView公司的MT5600,操作人員根據(jù)實(shí)驗(yàn)大綱要求,按照操作使用程序,通過觸控觸摸屏上的模擬按鈕、數(shù)據(jù)輸入鍵盤、虛擬儀器等,控制試驗(yàn)過程,讀取試驗(yàn)數(shù)據(jù),監(jiān)控實(shí)驗(yàn)過程參數(shù),從而完成對(duì)機(jī)輪傳感器的性能檢測(cè).

(4)信息檢測(cè)模塊:由電流檢測(cè)模塊和編碼器接口組成.電流檢測(cè)模塊用于測(cè)量伺服電動(dòng)機(jī)的相電流,將測(cè)到電流信號(hào)經(jīng)過濾波、幅度變換、零位偏移和限幅處理后轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),再將電壓信號(hào)輸送到DSP的A/D通道.編碼器接口用于接收編碼器所記錄的伺服電動(dòng)機(jī)的磁極位置和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向等信號(hào),并將接收到的信號(hào)送往DSP[6].

(5)伺服電動(dòng)機(jī)模塊:伺服電動(dòng)機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行元件,它采用Kinco公司的34S80電動(dòng)機(jī),其作用是輸出轉(zhuǎn)速和負(fù)角加速度.34S80伺服電機(jī)的核心部件是電子碼盤、50對(duì)磁極和轉(zhuǎn)子,它可提供的轉(zhuǎn)速范圍為0～2 000 r/min,輸出的最大扭矩為20 N·m,輸出的最大負(fù)角加速度為1 000 rad/s2.工作時(shí),控制器首先將參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算處理,然后發(fā)送給伺服電動(dòng)機(jī),伺服電動(dòng)機(jī)按照給定的參數(shù)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn),輸出所設(shè)定的轉(zhuǎn)速和負(fù)角加速度,同時(shí)電子碼盤感受伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)角加速度,并將信號(hào)反饋給控制器,經(jīng)過控制器運(yùn)算后與觸摸屏輸入的參數(shù)比較,得到電動(dòng)機(jī)調(diào)整偏差,然后再將調(diào)整偏差返回給電動(dòng)機(jī),從而使得伺服電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和負(fù)角加速度嚴(yán)格按照給定的參數(shù)運(yùn)行.

2.2 增速機(jī)構(gòu)

由于所選用的34S80電動(dòng)機(jī)只能提供0～2 000 r/min的轉(zhuǎn)速,而被測(cè)試的機(jī)輪傳感器的最高轉(zhuǎn)速要求達(dá)到16 000 r/min,所以還需要一個(gè)增速機(jī)構(gòu)以模擬機(jī)輪傳感器的環(huán)境狀態(tài),解決伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不足與機(jī)輪傳感器所需轉(zhuǎn)速過高之間的矛盾.根據(jù)需要設(shè)計(jì)的增速機(jī)構(gòu)的增速比為9.增速機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)上采用了整體掏空設(shè)計(jì),能有效減小摩擦阻力,同時(shí)防止?jié)櫥鸵阂绯?

2.3 轉(zhuǎn)接裝置

不同的機(jī)輪傳感器其尺寸大小均不相同,為了解決不同傳感器的安裝問題,設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)接裝置.由于機(jī)輪傳感器智能檢測(cè)臺(tái)中采用了增速比為9的增速機(jī)構(gòu)以調(diào)高輸出轉(zhuǎn)速,增速機(jī)構(gòu)的輸出端的轉(zhuǎn)速達(dá)到了16 000 r/min,在高轉(zhuǎn)速條件下,由加工誤差及裝配誤差造成的跳動(dòng)會(huì)形成高頻振動(dòng),從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)零部件過早產(chǎn)生疲勞損傷,使系統(tǒng)性能下降、噪音增大甚至轉(zhuǎn)動(dòng)軸斷裂等極端情況.為解決這一問題,在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)高速軸的位置進(jìn)行了強(qiáng)度校驗(yàn)和優(yōu)化處理,增加了約束副,使高速軸達(dá)到過約束,同時(shí)采用間隙配合的方式解決由于采用過約束帶來的裝配問題.

3 軟件設(shè)計(jì)

機(jī)輪傳感器智能檢測(cè)系統(tǒng)的軟件在Windows XP環(huán)境下開發(fā),由人機(jī)交互程序和驅(qū)動(dòng)控制程序組成.

3.1 人機(jī)交互程序

固化在觸摸屏里的人機(jī)交互程序采用Easy Builder組態(tài)軟件開發(fā),其主要作用是為操作人員和設(shè)備提供一個(gè)進(jìn)行人機(jī)交互的界面,讓操作人員設(shè)定參數(shù),控制試驗(yàn)過程,并將參數(shù)傳遞給驅(qū)動(dòng)控制模塊,同時(shí)顯示測(cè)試程序運(yùn)行的結(jié)果和過程.

圖4為人機(jī)交互程序的工作模塊框圖.人機(jī)交互程序不僅兼容性和安全性好,而且具備良好的除錯(cuò)和防錯(cuò)功能.整個(gè)人機(jī)交互程序分為11個(gè)界面,分別為歡迎界面、型號(hào)選擇界面、試驗(yàn)選擇界面、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面、磨合試驗(yàn)界面、靈敏性試驗(yàn)界面、延時(shí)試驗(yàn)界面、轉(zhuǎn)速磨合試驗(yàn)界面、轉(zhuǎn)速性能試驗(yàn)界面、負(fù)角加速度參數(shù)設(shè)置界面、轉(zhuǎn)速參數(shù)設(shè)置界面.

3.2 驅(qū)動(dòng)控制程序

驅(qū)動(dòng)控制程序使用ECO2WIN程序開發(fā)[9],其主要作用是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),并將人機(jī)交互程序傳過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算,根據(jù)數(shù)學(xué)模型得出來的參數(shù)控制電動(dòng)機(jī)按照給定的軌跡進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn),同時(shí)將程序運(yùn)行的結(jié)果和過程參數(shù)傳給人機(jī)交互程序.

圖5為驅(qū)動(dòng)控制程序的工作框圖.驅(qū)動(dòng)控制程序共分為8個(gè)模塊,分別為自檢模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、轉(zhuǎn)動(dòng)方向翻轉(zhuǎn)模塊、磨合試驗(yàn)?zāi)K、靈敏性試驗(yàn)?zāi)K、延時(shí)試驗(yàn)?zāi)K、性能試驗(yàn)?zāi)K、驅(qū)動(dòng)模塊.其中驅(qū)動(dòng)模塊、自檢模塊和參數(shù)設(shè)置模塊為后臺(tái)運(yùn)行,主要是對(duì)數(shù)據(jù)和參數(shù)進(jìn)行初始化,并接管系統(tǒng)底層的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理調(diào)度,以及對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng).而磨合試驗(yàn)?zāi)K、靈敏性試驗(yàn)?zāi)K、延時(shí)試驗(yàn)?zāi)K和性能試驗(yàn)?zāi)K是試驗(yàn)臺(tái)的核心程序,分別用來生成與磨合試驗(yàn)、靈敏性試驗(yàn)、延時(shí)試驗(yàn)和性能試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速和負(fù)角加速度；轉(zhuǎn)動(dòng)方向翻轉(zhuǎn)模塊是根據(jù)觸摸屏中的輸入?yún)?shù)選擇運(yùn)行的,主要是處理飛機(jī)左右輪之間方向不同而設(shè)置的.

4 結(jié)語(yǔ)

通用型飛機(jī)機(jī)輪傳感器智能檢測(cè)系統(tǒng)是集控制、機(jī)械、環(huán)境模擬、數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)于一體的檢測(cè)系統(tǒng),該檢測(cè)系統(tǒng)具備測(cè)試我軍現(xiàn)役所有新型飛機(jī)機(jī)輪傳感器的能力,經(jīng)部隊(duì)和大修廠使用表明:它具有工作穩(wěn)定、性能可靠、測(cè)試精度高、工作效率高、智能化自動(dòng)化程度高、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).該檢測(cè)系統(tǒng)的成功研制為航空兵部隊(duì)準(zhǔn)確判斷飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)的狀態(tài)提供了有效手段,同時(shí)對(duì)保證飛機(jī)飛行安全和提高機(jī)動(dòng)保障能力具有重要意義.