多電飛機(jī)起落架收放控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 佳

（西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，西安 710077）

隨著多電飛機(jī)/全電飛機(jī)等概念的提出與發(fā)展，飛機(jī)各部件向電動化方向的進(jìn)展日新月異，其中，起落架是飛機(jī)的重要組成部分。飛機(jī)起落架的動作包括收起和放下，起落架動作由收放系統(tǒng)驅(qū)動完成。當(dāng)飛機(jī)起飛后到達(dá)一定高度時，起落架收放系統(tǒng)收起起落架，從而改善飛機(jī)的氣動特性、減小氣動阻力、提高飛行效率和速度；當(dāng)飛機(jī)著陸時，起落架收放系統(tǒng)放下起落架，為飛機(jī)降落提供地面滑行條件，使飛機(jī)平穩(wěn)安全著陸。

傳統(tǒng)的飛機(jī)起落架收放系統(tǒng)通常使用液壓作為主要能源驅(qū)動起落架動作[1]。然而在長期實(shí)踐過程中人們發(fā)現(xiàn)液壓作為起落架驅(qū)動能源存在諸多缺陷，例如液壓系統(tǒng)需要液壓油作為驅(qū)動介質(zhì)，而且液壓能源的傳遞需要通過耐高壓的金屬管路，從而導(dǎo)致液壓系統(tǒng)負(fù)荷大[2]；液壓能源傳遞過程中需要高壓而且對管路密封要求高，長期使用會出現(xiàn)接口處油液滲漏的情況。采用電動機(jī)作為能量來源，驅(qū)動飛機(jī)起落架收放能夠有效地解決液壓系統(tǒng)存在的問題。

針對這一需求，本文以多電飛機(jī)起落架為研究目標(biāo)，旨在設(shè)計(jì)一種用于控制飛機(jī)起落架收放的系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有收放控制邏輯，能夠接收飛控計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令執(zhí)行相應(yīng)的收放動作，同時也可以將起落架收放的狀態(tài)反饋給飛控計(jì)算機(jī)。

1 工作原理分析

多電起落架收放系統(tǒng)采用電-氣雙余度電動收放作動筒總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在多電起落架收放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，直流無刷電機(jī)和備份氣動機(jī)構(gòu)連接在一起，通過離合器實(shí)現(xiàn)機(jī)械連接或斷開。直流無刷電機(jī)是整個電動收放系統(tǒng)的主要驅(qū)動源，備份氣動機(jī)構(gòu)則作為應(yīng)急驅(qū)動源。電動收放系統(tǒng)作動筒兩端均布置兩個接近傳感器用于檢測作動筒內(nèi)部滾珠絲杠的運(yùn)動位置，當(dāng)運(yùn)動至兩端時接近傳感器向控制系統(tǒng)發(fā)出到位信號，從而控制直流無刷電機(jī)停止運(yùn)動[3]。

圖1 電動收放作動筒總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of electric retractable actuator

多電起落架收放系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對起落架收放運(yùn)動狀態(tài)的伺服控制，在進(jìn)行位置控制的同時需要兼顧收放速度。伺服控制系統(tǒng)包括反饋與執(zhí)行器、伺服控制模塊、功率驅(qū)動模塊3 部分[4]。伺服控制模塊是系統(tǒng)的重點(diǎn)設(shè)計(jì)單元，主要承擔(dān)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信和管理、實(shí)時控制等任務(wù)；伺服驅(qū)動模塊根據(jù)接收到的模擬控制量實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動、停止與換向，功率驅(qū)動考慮電機(jī)的電氣參數(shù)，選擇合適的功率器件，具有延時軟啟動保護(hù)、飛車保護(hù)等功能。

伺服控制系統(tǒng)采用成熟可靠的數(shù)字位置環(huán)、數(shù)字速度環(huán)結(jié)構(gòu)，控制電機(jī)的運(yùn)動，并具有限位保護(hù)電路，以防止轉(zhuǎn)臺飛車失控。伺服控制系統(tǒng)的主要功能是： 依托采樣時鐘信號對編碼器進(jìn)行采樣，并將取得電機(jī)的運(yùn)動位置數(shù)據(jù)發(fā)送回平臺。同時，依據(jù)上位機(jī)提供的位置引導(dǎo)數(shù)據(jù)，完成位置閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的運(yùn)動狀態(tài)控制。在正常工作期間，能夠向上位機(jī)發(fā)送伺服控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。如圖2所示，控制系統(tǒng)主要由電機(jī)、編碼器、電機(jī)數(shù)據(jù)采集板、運(yùn)動控制卡、電機(jī)驅(qū)動器、伺服電源、工控機(jī)等部分組成。其中5 V/TTL 是開關(guān)量信號，表示電源工作狀態(tài)和限位鎖緊狀態(tài)。

圖2 多電起落架收放控制系統(tǒng)組成示意圖Fig.2 Schematic diagram of more-electric landing gear extraction/retraction control system

伺服控制系統(tǒng)基本的工作流程如下：

1）由電機(jī)數(shù)據(jù)采集板在同步時序信號作用下采集編碼器信息和限位信息；

2）通過板間通訊接口以1000 Hz 頻率將電機(jī)運(yùn)動角度信息、限位信息和電機(jī)狀態(tài)信息發(fā)送到運(yùn)動控制卡；

3）運(yùn)動控制卡利用角度信息和時序信息解算出電機(jī)在某一時刻的位置、速度、加速度，并通過RS-422 串口與上位機(jī)通信，得到當(dāng)前時刻的控制給定信息；

4）上述信息再通過位置PID 環(huán)、速度PID 環(huán)等算法運(yùn)算得出對線性功放板的輸出（模擬量），此輸出量經(jīng)功放板放大（電壓放大倍數(shù)5～8 倍）后，驅(qū)動電機(jī)輸出力矩，使電機(jī)轉(zhuǎn)動驅(qū)動起落架收放，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

在垃圾焚燒發(fā)電廠中，煙氣成分復(fù)雜，為延長催化劑使用壽命，SCR系統(tǒng)通常布置在袋式除塵器后端；為增強(qiáng)SCR系統(tǒng)穩(wěn)定性，通常將袋式除塵器出口150℃的煙氣經(jīng)過煙氣再熱系統(tǒng)加熱至170℃以上，再進(jìn)入SCR系統(tǒng)脫硝。SCR系統(tǒng)常用的煙氣再熱系統(tǒng)是蒸汽-煙氣加熱器（SGH）與煙氣-煙氣加熱器（GGH）+蒸汽-煙氣加熱器（SGH） 2種方式，通常采用SGH加熱煙氣，SCR催化劑運(yùn)行溫度為170～200℃；采用GGH+SGH加熱煙氣，SCR催化劑運(yùn)行溫度為220～240℃。

另外，運(yùn)動控制卡還將收到的限位信息輸出到功放，可以在限位時關(guān)閉電機(jī)輸出，進(jìn)行安全保護(hù)。

此外，運(yùn)動控制卡利用由電機(jī)數(shù)據(jù)采集板采集到的電機(jī)運(yùn)動信息和電機(jī)電壓、電流等電機(jī)狀態(tài)信息，定時循環(huán)判斷電機(jī)工作狀態(tài)，周期性進(jìn)行BIT檢測，并將BIT 檢測信息存儲在運(yùn)動控制卡內(nèi)部RAM中，通過RS-422 串口發(fā)送至上位機(jī)。

2 系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計(jì)

2.1 起落架收放電機(jī)

多電飛機(jī)起落架收放系統(tǒng)電機(jī)采用福爾哈貝（Faulhaber drive systems）生產(chǎn)的4490B-48 V 直流無刷伺服電機(jī)（雙輸出軸）。該型電機(jī)相間端電阻為0.7 Ω，最大功效87%，空載轉(zhuǎn)速10800 r/min，空載電流0.317 A，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩2978 mN·m，轉(zhuǎn)速常數(shù)220 min-1/V，反電動勢常數(shù)4.56 mV/min-1，轉(zhuǎn)矩常數(shù)43.5 mN·m/A，電流常數(shù)0.023 A/mN·m，轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩斜率3.5 min-1/mN·m，相電感235 μH，機(jī)械時間常數(shù)4.8 ms，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量130 g·cm2，最大角加速度229×103rad/s2，重量742 g。電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向由驅(qū)動器控制可正反轉(zhuǎn)。

由于多電飛機(jī)起落架結(jié)構(gòu)具有較大的摩擦力矩，因此電機(jī)無法直接驅(qū)動起落架電動收放作動筒。為提高電動轉(zhuǎn)矩，本設(shè)計(jì)為電機(jī)搭配了福爾哈貝42GPT 30：1 減速器。減速器具有二級齒輪級數(shù)，減速比為30，最大間歇輸入轉(zhuǎn)速12000 r/min，連續(xù)轉(zhuǎn)矩6 N·m，峰值轉(zhuǎn)矩達(dá)11.5 N·m。經(jīng)減速器放大后的轉(zhuǎn)矩能夠驅(qū)動起落架電動收放作動筒。

2.2 位置傳感器

位置傳感器選用歐姆龍接近開關(guān)E2E-X4MD1-M3G-Z。該型位置傳感器的連接器型號為XS3FM421-405-R（M8）。該型位置傳感器的檢測距離為4 mm±10%，設(shè)定距離0～3.2 mm，檢測物體為磁性金屬（非磁性金屬時檢測距離減小）。額定參數(shù)對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)檢測物體為鐵20 mm×20 mm×1 mm，應(yīng)答頻率1 kHz，電源電壓DC12～24 V 脈動（p-p）10%以下。控制輸出開關(guān)容量3～100 mA、診斷輸出50 mA，保護(hù)回路有脈沖吸收、負(fù)載短路保護(hù)（控制輸出、診斷輸出等包括在內(nèi)）。絕緣阻抗50 MΩ 以上（DC500 兆歐表）充電部與外殼間。耐電壓AC-1000 V-50/60 Hz-1 min 充電部與外殼間。

2.3 運(yùn)動控制卡

控制模塊的核心單元是運(yùn)動控制卡，其主要承擔(dān)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信和管理、實(shí)時控制等任務(wù)，核心芯片選用TI 公司的DSP 處理器TMS320F28335。運(yùn)動控制卡相應(yīng)接口包括：RS-422 通信、模擬量輸入接口、模擬量輸出接口、異步串行通信接口、5 V/3.3 V 數(shù)字接口、12～28 V 數(shù)字接口、同步時鐘接口。

運(yùn)動控制卡基本組成結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中FPGA 負(fù)責(zé)外圍芯片的控制（包括AD、DA 等）以及數(shù)據(jù)的收發(fā)整合，DSP 完成控制量的計(jì)算。

圖3 運(yùn)動控制卡組成結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of motion control card

DSP 上電后，讀取FLASH 中固化的參數(shù)（包括PID 參數(shù)等），從FPGA 中內(nèi)嵌的RAM 讀取相關(guān)參數(shù)信息。為實(shí)現(xiàn)實(shí)時跟蹤，相關(guān)參數(shù)信息由DSP 從FPGA 中內(nèi)嵌的RAM 讀取，參數(shù)信息包括：編碼器的角度信息、系統(tǒng)的誤差量信號、控制模式、PID 參數(shù)、起始角、控制量等。DSP 與FPGA 通過EMIF 總線進(jìn)行通信，其中頻率為500 Hz。

FPGA 處理器主要實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)處理模塊接口同步化設(shè)計(jì)、DA 控制、限位鎖緊信號采集等3 個方面的功能：

1）與外部數(shù)據(jù)處理模塊接口同步化設(shè)計(jì)[5]。

2）D/A 控制：D/A 芯片采用AD 公司的AD7841及AD7890，通過片選信號啟動芯片進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。其操作狀態(tài)機(jī)如圖4所示。

圖4 FPGA 操作狀態(tài)機(jī)狀態(tài)圖Fig.4 FPGA operation state machine state diagram

3）限位、鎖緊信號的采集：限位、鎖緊等信號的采集與傳遞實(shí)時性強(qiáng)，需要在第一時刻將所采集到的信號發(fā)送至功率驅(qū)動板中，保證電機(jī)的正常工作。

2.4 伺服驅(qū)動模塊

伺服驅(qū)動模塊將接收到的模擬控制量（電壓信號）放大后輸出，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的驅(qū)動。該模塊以大功率PWM 方式驅(qū)動直流電機(jī)，動態(tài)響應(yīng)性能較好；具有過限（過壓、欠壓、過流、過熱）、短路保護(hù)（電機(jī)、地、電源之間）功能及限位保護(hù)功能；輸入、輸出進(jìn)行電氣隔離，有效地消減了功率信號對系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾。功率驅(qū)動模塊的具有尺寸小、重量輕、易于安裝集成的優(yōu)點(diǎn)。

2.5 傳感器信號檢測模塊

傳感器信號檢測模塊基于旋轉(zhuǎn)變壓器，因?yàn)槭侨嘟涣髂孀兤黩?qū)動，故需要欠采樣來計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度。對于變速交流驅(qū)動器的性能和可靠性而言，穩(wěn)定精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)子位置反饋至關(guān)重要。交流驅(qū)動器位置反饋需要連接到模擬/數(shù)字位置傳感器，并且需要設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)具有高EMC 抗擾性和精準(zhǔn)穩(wěn)定性的高速低延遲數(shù)據(jù)傳輸。接口通常需要能夠支持具有可配置輸出電壓的多個編碼器協(xié)議，從而無需使用不同類型的位置反饋傳感器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對于伺服控制系統(tǒng)本身，其精度依賴于系統(tǒng)的動態(tài)滯后誤差，對速度控制系統(tǒng)和位置控制系統(tǒng)的校正函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠使伺服系統(tǒng)的跟蹤精度進(jìn)一步提高。

另外，在本文中采用嵌入式控制器為核心構(gòu)造伺服控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的兼容性和可靠性，降低了系統(tǒng)開發(fā)難度和技術(shù)風(fēng)險。位置環(huán)和速度環(huán)設(shè)計(jì)采用TMS320F28335 微處理器構(gòu)建嵌入式控制平臺，完成閉環(huán)控制算法，通過接口芯片，將控制量輸出到伺服驅(qū)動模塊。

3.1 無超調(diào)控制算法設(shè)計(jì)

在多電起落架收放控制系統(tǒng)中，采用數(shù)字閉環(huán)控制算法。工程實(shí)踐中，為降低閉環(huán)系統(tǒng)的靜差同時提高系統(tǒng)抗負(fù)載擾動能力，通常采用比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，然而，PI 調(diào)節(jié)器存在易超調(diào)、退飽和時間長等缺點(diǎn)。在多電起落架收放控制系統(tǒng)中，伺服系統(tǒng)算法的位置環(huán)和速度環(huán)方案均采用了PI-P 調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器既具備比例積分（PI）調(diào)節(jié)器可以快速達(dá)到飽和的特點(diǎn)，也具備I-P 調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)，可以在較寬的控制范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速的啟動性能和良好的抗擾能力，PI-P 調(diào)節(jié)器系統(tǒng)超調(diào)一般控制在2%以內(nèi)。

伺服控制系統(tǒng)包括角度和速度跟蹤單元。系統(tǒng)依據(jù)與上位機(jī)給定指令之間的誤差信號，控制電機(jī)對目標(biāo)運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，完成角度信息采集。電機(jī)伺服控制采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括位置控制系統(tǒng)和速度控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 伺服控制算法框圖Fig.5 Servo control algorithm block diagram

位置環(huán)用來消除給定位置與實(shí)際位置之間的誤差，并將計(jì)算得到的控制量作為速度內(nèi)環(huán)的給定值（即給定速度）送給速度內(nèi)環(huán)做速度閉環(huán)控制。為了達(dá)到要求的速度平穩(wěn)性，位置外環(huán)的設(shè)計(jì)則需要做到盡可能小的位置跟蹤誤差，保證系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)不發(fā)生大的隨機(jī)抖動。伺服控制系統(tǒng)的位置環(huán)設(shè)計(jì)中，本文在輸出限幅法的基礎(chǔ)上，采用過限制弱積分法和積分分離法，整定PID 控制參數(shù)后使系統(tǒng)的超調(diào)量和響應(yīng)速度達(dá)到了系統(tǒng)預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)[6]。

3.2 測試與試驗(yàn)

完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出原理樣機(jī)后進(jìn)行測試。試驗(yàn)分為6 組，分別對多電飛機(jī)起落架收放控制系統(tǒng)的控制精度進(jìn)行測試。在上位機(jī)軟件中設(shè)置定時器計(jì)算每組試驗(yàn)中給定收放時間與實(shí)際收放時間的誤差。經(jīng)長時間測試后，匯總的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 收放控制系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of extraction/retraction control system

4 結(jié)語

針對多電飛機(jī)起落架收放控制的需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于DSP 和FPGA 的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括以運(yùn)動控制卡為核心的伺服控制機(jī)箱，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了多電飛機(jī)起落架收放控制下位機(jī)軟件。經(jīng)過比較分析多種控制算法的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用了PI-P 調(diào)節(jié)算法。此外，起落架收放控制系統(tǒng)能夠?qū)⑵鹇浼艿氖辗艩顟B(tài)反饋給飛控計(jì)算機(jī)。最后，對系統(tǒng)進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果顯示采用本系統(tǒng)控制起落架收放，實(shí)際收放時間與給定收放時間的最大誤差不超過0.3%，達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求。