飛機(jī)電剎車驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)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(guó)航空事業(yè)的迅速發(fā)展，飛機(jī)全電剎車系統(tǒng)越來越受到各個(gè)研究部門的重視。一個(gè)效率高、可靠性好的剎車系統(tǒng)對(duì)于飛機(jī)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(diǎn)成為飛機(jī)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(dòng)器的設(shè)計(jì)成為飛機(jī)全電剎車的前沿課題。

1 飛機(jī)剎車系統(tǒng)概述

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

圖1 飛機(jī)電剎車系統(tǒng)的整體架構(gòu)

輸入:輸入是駕駛艙踏板信號(hào)，也就是駕駛員腳踩的剎車指令給定信號(hào)。

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

機(jī)輪剎車驅(qū)動(dòng)盒:以270 V直流電源作為驅(qū)動(dòng)電源(即:航空中的高壓直流電)，驅(qū)動(dòng)無刷直流電動(dòng)機(jī)，從而控制機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)和受剎機(jī)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(hào)。

機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)及受剎機(jī)輪:其實(shí)物圖如圖2所示，它由一個(gè)無刷直流電動(dòng)機(jī)連接一個(gè)減速器和滾珠絲杠，最終作用于觸頭，對(duì)剎車盤施加壓力，完成整個(gè)剎車過程。

圖2 機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)物圖

2 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)器仿真驗(yàn)證

2.1.1 無刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

假設(shè)無刷直流電動(dòng)機(jī)三相繞組對(duì)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(jī)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(dòng)慣量。

2.1.2 系統(tǒng)整體模型

驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)整體仿真模型如圖3所示，通過信號(hào)源模擬綜合給定電流信號(hào)，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(dòng)機(jī)。檢測(cè)無刷直流電動(dòng)機(jī)的速度信號(hào)和電流信號(hào)，分別作為三環(huán)控制的速度反饋和電流反饋。將電機(jī)的速度積分，轉(zhuǎn)換成電機(jī)的位置，由于電機(jī)經(jīng)減速器和滾珠絲杠通過活塞作用于剎車盤，電機(jī)轉(zhuǎn)過的相對(duì)位置與活塞距離剎車盤的相對(duì)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(duì)位置，它正比于剎車盤的壓力，將電機(jī)轉(zhuǎn)過的相對(duì)位置乘以系數(shù)K即壓力環(huán)的壓力反饋。從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的三環(huán)閉環(huán)控制。

圖3 驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)整體仿真模型

2.2 驅(qū)動(dòng)器實(shí)物設(shè)計(jì)

圖4是驅(qū)動(dòng)器的硬件結(jié)構(gòu)。

剎車驅(qū)動(dòng)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(diǎn)路、隔離電路、功率驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)器接收剎車壓力給定信號(hào)，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(dòng)機(jī)的控制信號(hào)(轉(zhuǎn)向信號(hào)和占空比信號(hào))，CPLD接收電機(jī)控制信號(hào)和霍爾位置信號(hào)，經(jīng)邏輯運(yùn)算，通過隔離電路和功率驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)無刷直流電動(dòng)機(jī)工作。壓力傳感器實(shí)時(shí)反饋剎車壓力信號(hào)，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(dòng)機(jī)的母線電流，用作電機(jī)電流環(huán)控制。

圖4 驅(qū)動(dòng)器硬件結(jié)構(gòu)

圖5是驅(qū)動(dòng)器控制策略。驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)，從而對(duì)剎車盤施加壓力，達(dá)到壓力反饋跟隨力矩給定的剎車效果。

圖5 剎車驅(qū)動(dòng)器控制策略

其中，電流環(huán)為控制策略的內(nèi)環(huán)，設(shè)計(jì)采用經(jīng)典的PID控制策略，通過調(diào)節(jié)電機(jī)母線電流從而控制電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂茐毫Νh(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(dòng)器在接收到剎車壓力給定信號(hào)后首先對(duì)指令信號(hào)進(jìn)行分析，并將驅(qū)動(dòng)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(jī)電作動(dòng)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(dòng)作。當(dāng)處于“預(yù)剎”狀態(tài)時(shí)，機(jī)電作動(dòng)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(shí)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(dòng)器采集剎車壓力給定信號(hào)并作相應(yīng)判斷。若剎車壓力給定小于停剎剎車門限，此時(shí)，驅(qū)動(dòng)器工作在停剎狀態(tài)，電機(jī)以20%占空比開環(huán)反轉(zhuǎn)，并實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)位置。當(dāng)電機(jī)位置為停剎位置時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)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(shí)，驅(qū)動(dòng)器工作在預(yù)剎狀態(tài)，電機(jī)以20%占空比開環(huán)反轉(zhuǎn)，并實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)位置。當(dāng)電機(jī)位置為預(yù)剎位置時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)行。若剎車壓力給定大于預(yù)剎車門限，此時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)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(jī)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(yàn)結(jié)果

圖7為飛機(jī)電剎車驅(qū)動(dòng)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(hào)。

圖9是飛機(jī)高壓電剎車驅(qū)動(dòng)器工作狀態(tài)下的實(shí)際測(cè)量波形。此時(shí)，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(shí)對(duì)應(yīng)的波形。

圖9 剎車驅(qū)動(dòng)器實(shí)際測(cè)量波形

4 結(jié) 語

本文以飛機(jī)全電剎車為研究背景，對(duì)飛機(jī)電剎車驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了仿真，并進(jìn)行了實(shí)物設(shè)計(jì)。給出了剎車驅(qū)動(dòng)器的仿真結(jié)果和實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)證明，剎車驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)合理，性能優(yōu)良。

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