（电力电子与电力传动专业论文）飞机全电刹车控制系统设计.pdf

ab s t r a c t a i r c r a f t b r a k i n g s y s t e m is a v e r y i m p o rt a n t s u b s y s t e m o f a i r c r a f t , w h i c h p r o v i d e s l a n d i n g f u n c t i o n a n d s t a t i c a n d d y n a m i c c a r r y i n g c a p a c it y . t o d a y , w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f m o d e m p o w e r e l e c t r o n i c t e c h n i q u e , a i r c r a f t e l e c t r i c b r a k i n g s y s t e m t e n d s t o b e a n e w d i r e c t i o n . a n e w e l e c t r i c b r a k i n g s y s t e m o f t h e p l a n e i s d i s c u s s e d i n t h e t h e s i s b a s e d o n t h e d e t a i l e d i n v e s t i g a t i o n . t h e s t r u c t u r e a n d f o r m o f a i r c r a f t e l e c t r i c b r a k i n g s y s t e m i s p r e s e n t e d : t h e p i s t o n a n d v a lv e a c t u a t e d h o u s i n g f o r h y d r a u l i c b r a k i n g s y s t e m i s r e p l a c e d b y e l e c t r o - m e c h a n i c a l a c t u a t e d h o u s i n g . i t c o n s i s t s o f f o u r m o t o r s a n d f o u r b a l l s c r e w s t h e b a l l s c r e w , d r i v e n b y th e m o t o r t h r o u g h g e a r i n g , p u t s p r e s s u r e t o b r a k i n g c a r b o n s t a c k . t h e c p u o f d i g i t a l c o n t r o l l e r u s e s d s p , w h i c h i s d e s i g n e d f o r m o t o r a n d m o t i o n c o n t r o l a p p l i c a t i o n s . t h e c o n t r o l s i g n a l f o r b r u s h l e s s d c m o t o r i s p r o d u c e d b y p r o g r a m m a b l e l o g i c d e v i c e , i n o r d e r t o d r i v e t h e m o t o r e f f i c i e n t l y , m o s f e t a n d i r 2 1 3 0 b e c h o s e n , t h e c o n t r o l b o x i n c lu d e s t h r e e c o n t r o l l e r s , t h e s l i p r a t e a d j u s to r , t h e b r a k i n g t o r q u e a d j u s t o r a n d t h e m o t o r r o t a t i n g s p e e d a d j u s t o r . f u z z y p i d , p i d a n d r o t a t e s p e e d a d j u s t o r w i t h d u a l - c l o s e d f e e d b a c k l o o p a r e a d o p t e d r e s p e c t i v e l y . c l a n g u a g e a n d a s s e m b l e l a n g u a g e b e u s e d t o d e s i g n s o f t w a r e o f c o n t r o l s y s t e m . t h e r e s u lt o f e x p e r i m e n t i n d i c a t e s t h a t t h e e l e c t r i c b r a k i n g s y s t e m i s m o r e e x c e l l e n t t h a n h y d r a u l i c s y s t e m o n f r e q u e n c y r e s p o n s e , b r a k i n g t i m e , b r a k i n g d i s t a n c e a n d b r a k i n g e f f i c i e n c y . k e y w o r d : e l e c t r ic b r a k i n g s y s t e m b r u s h l e s s dc mo t o r e l e c t r o - me c h a n i c a l ac t u a t o r s l i p r a t e 西北丁业大学硕 学位沦文名一爷 绪论 第一章 绪论 1 . 1课题背景 飞机刹车系统是飞机上具有相对独立功能的子系统， 其作用是承载飞机的静 态重量、 动态冲击载荷以及吸收飞机着陆时的动能， 实现飞机的起飞、 着陆、 滑 行、 转弯的制动和控制。 飞机刹车系统的性能直接影响到飞机的升空、 安全返航 和快速反应，进而影响飞机的整体性能。 随着科学技术的发展， 飞机机载机电系统的发展越来越快。 全电飞机概念的 提出， 即用机电设备代替飞机上的所有液压装置， 具有许多优点: 系统重量减轻、 易于维修、效率提高、 利用性更强等。 当然， 全电飞机的发展关键在于其子系统 的 发 展 ， 全 电 刹 车 系 统 就 是 其 中 一 个 至 关 重 要 的 子 系 统 i 0 1 21 13 1 11 1 1x 1 lti 1 一直以来， 液压作动装置普遍应用于飞机刹车。 它虽然能够满足飞机刹车的 功能要求， 但是液压油容易泄漏， 引发火灾。 因此， 使用电作动机构代替液压作 动机构，将会大大提高飞机刹车系统乃至整个飞机的安全性。 全电刹车系统相对于传统液压刹车系统具有诸多优点: 电作动机构取代液压 作动机构， 避免液压油泄漏、 燃烧的危险， 提高了安全性，同时减轻了飞机的重 量; 增加刹车力矩反馈控制， 显著改善防滑性能， 延长轮胎和刹车装置的使用寿 命; 系统的模块化和实时检测功能使飞机更易于维修， 提高飞机的生存能力;电 刹车系统的刹车作动频率高于液压刹车系统的刹车作动频率， 刹车效率也高于液 压刹车系统的刹车效率。 因此， 研制全电 刹车系统使之取代现有的液压刹车系统 是历史必然。 当然， 这对飞机设计师而言是一个极大的挑战。 随着电力电子技术 及计算机技术的发展，电刹车系统的实现已经成为可能。 本文以国产某型飞机的参数为准，对全电刹车系统结构进行了深入的研究， 设计出了满足性能要求的刹车控制器， 采用数字式防滑刹车控制器， 以高性能微 处理器作为系统的 控制核心， 不但电 路简单、 可靠而且容易实现较为复杂的 控制 律.极大地提高了刹车系统整体性能。 可以说， 研究摹于数字式控制器的全电刹车系统对我国航空事业的发展具有 十分重要的意义， 是下 一 代飞机刹车系统发展的必然趋势。国外以对此作了很多 西北丁业大学硕 学位沦文名一爷 绪论 第一章 绪论 1 . 1课题背景 飞机刹车系统是飞机上具有相对独立功能的子系统， 其作用是承载飞机的静 态重量、 动态冲击载荷以及吸收飞机着陆时的动能， 实现飞机的起飞、 着陆、 滑 行、 转弯的制动和控制。 飞机刹车系统的性能直接影响到飞机的升空、 安全返航 和快速反应，进而影响飞机的整体性能。 随着科学技术的发展， 飞机机载机电系统的发展越来越快。 全电飞机概念的 提出， 即用机电设备代替飞机上的所有液压装置， 具有许多优点: 系统重量减轻、 易于维修、效率提高、 利用性更强等。 当然， 全电飞机的发展关键在于其子系统 的 发 展 ， 全 电 刹 车 系 统 就 是 其 中 一 个 至 关 重 要 的 子 系 统 i 0 1 21 13 1 11 1 1x 1 lti 1 一直以来， 液压作动装置普遍应用于飞机刹车。 它虽然能够满足飞机刹车的 功能要求， 但是液压油容易泄漏， 引发火灾。 因此， 使用电作动机构代替液压作 动机构，将会大大提高飞机刹车系统乃至整个飞机的安全性。 全电刹车系统相对于传统液压刹车系统具有诸多优点: 电作动机构取代液压 作动机构， 避免液压油泄漏、 燃烧的危险， 提高了安全性，同时减轻了飞机的重 量; 增加刹车力矩反馈控制， 显著改善防滑性能， 延长轮胎和刹车装置的使用寿 命; 系统的模块化和实时检测功能使飞机更易于维修， 提高飞机的生存能力;电 刹车系统的刹车作动频率高于液压刹车系统的刹车作动频率， 刹车效率也高于液 压刹车系统的刹车效率。 因此， 研制全电 刹车系统使之取代现有的液压刹车系统 是历史必然。 当然， 这对飞机设计师而言是一个极大的挑战。 随着电力电子技术 及计算机技术的发展，电刹车系统的实现已经成为可能。 本文以国产某型飞机的参数为准，对全电刹车系统结构进行了深入的研究， 设计出了满足性能要求的刹车控制器， 采用数字式防滑刹车控制器， 以高性能微 处理器作为系统的 控制核心， 不但电 路简单、 可靠而且容易实现较为复杂的 控制 律.极大地提高了刹车系统整体性能。 可以说， 研究摹于数字式控制器的全电刹车系统对我国航空事业的发展具有 十分重要的意义， 是下 一 代飞机刹车系统发展的必然趋势。国外以对此作了很多 西北工业大学顾 _ 学位论文第一章 绪论 研究，投入了大量的资金。我国才刚刚起步，要做的工作很多。 1 . 2飞机全电刹车系统的发展和现状 在飞机刹车系统的研制上，美国一直处于领先地位。1 9 4 8年，美国 h y d r o l - a fi r e 公司 研制的m a r k i 型飞 机刹 车系 统是第一代飞 机刹车系统的 标志， 这种系统的特点是离合型的， 系统为超速离合器装置， 受机轮驱动的转速表所控 制， 并由继电器操作电磁阀， 一旦轮胎过度打滑， 刹车压力即释放， 机轮加快旋 转时 重新加压。 1 9 5 8 年， h y d r o l - a fi r e 公司 研制出 第二 代飞 机刹车系统， 即m a r k 1 1 型系统，这种系统的特点是设定一个固定的参考减速度为误差门限进行控制。 当飞机机轮减速度超过门限时， 滑动控制阀启动， 降低刹车压力， 使刹车压力降 到刚刚低于使机轮打滑的值， 然后使刹车压力缓慢增加， 一直到超过门限， 重新 减压， 整个循环反复进行。 七十年代后期数字式防滑刹车系统开始出 现， 但采用 的仍然是液压装置，液压刹车存在着 “ 液压油容易泄漏、引发火灾、难以维修” 等难以克服的缺点。 1 9 8 2 年，美国空军与l o r a l a i r c r a f t b r a k i n g s y s t e m s 公司开始进行电 刹车研 究的合 作， 翻开了电 刹 车系 统 研制的第一页 ， ， 。 当 时由 于在机载测试时出 现了 强 烈的起落架走步现象，因而没能在飞机上进行试验。 但是惯性台试验结果表明， 电刹车系统的刹车效率优于液压刹车系统的效率。 随后， 美国空军继续推行其全 电 刹车计划， 防滑控制盒由h y d r o l - a fi r e 公司研制， 刹车装置由b f g运动控制公 司负责提供，麦道公司、b f g o o d r i c h 机轮与刹车公司也参与了此项计划。 在f 一1 6型飞机上 进行的试验结果证明，电 刹车是下一代飞机高性能的刹车系统。 h o n e y w e l l l a n d i n g s y s t e m s 公司也一直 在研制开 发电 刹车系 统， 以 机电 作动机构 代替活塞/ 轴承集合。其目的在于发展和验证e ma ( e l e c t r o - m e c h a n i c a l a c t u a t o r ) 4 11 f c e ( p o w e r - c o n t r o l e l e c t r o n ic s ) 技 术“ a 1 9 9 8 年， e m a硬 件与f - 1 5 e 炭 刹 车结合， 已成功通过了实验室硬件和动态测试仪测试。 2 0 0 0 年公布了将e ma应 用于 军用飞 机，目 前正实施在商用飞机上的应用计划。 另外， 法国梅西埃 比加蒂公司也在为其干线l5 机研制电液刹车系统。该 刹 车作动器山电动机、 液压泵、 液压马达等部件组成， 即系统中仍存在、一 个分布式 的小型电控液压系统。 这也是梅西埃 比加蒂公司推出的一种低价位的新型刹车 西北工业大学顾 _ 学位论文第一章 绪论 研究，投入了大量的资金。我国才刚刚起步，要做的工作很多。 1 . 2飞机全电刹车系统的发展和现状 在飞机刹车系统的研制上，美国一直处于领先地位。1 9 4 8年，美国 h y d r o l - a fi r e 公司 研制的m a r k i 型飞 机刹 车系 统是第一代飞 机刹车系统的 标志， 这种系统的特点是离合型的， 系统为超速离合器装置， 受机轮驱动的转速表所控 制， 并由继电器操作电磁阀， 一旦轮胎过度打滑， 刹车压力即释放， 机轮加快旋 转时 重新加压。 1 9 5 8 年， h y d r o l - a fi r e 公司 研制出 第二 代飞 机刹车系统， 即m a r k 1 1 型系统，这种系统的特点是设定一个固定的参考减速度为误差门限进行控制。 当飞机机轮减速度超过门限时， 滑动控制阀启动， 降低刹车压力， 使刹车压力降 到刚刚低于使机轮打滑的值， 然后使刹车压力缓慢增加， 一直到超过门限， 重新 减压， 整个循环反复进行。 七十年代后期数字式防滑刹车系统开始出 现， 但采用 的仍然是液压装置，液压刹车存在着 “ 液压油容易泄漏、引发火灾、难以维修” 等难以克服的缺点。 1 9 8 2 年，美国空军与l o r a l a i r c r a f t b r a k i n g s y s t e m s 公司开始进行电 刹车研 究的合 作， 翻开了电 刹 车系 统 研制的第一页 ， ， 。 当 时由 于在机载测试时出 现了 强 烈的起落架走步现象，因而没能在飞机上进行试验。 但是惯性台试验结果表明， 电刹车系统的刹车效率优于液压刹车系统的效率。 随后， 美国空军继续推行其全 电 刹车计划， 防滑控制盒由h y d r o l - a fi r e 公司研制， 刹车装置由b f g运动控制公 司负责提供，麦道公司、b f g o o d r i c h 机轮与刹车公司也参与了此项计划。 在f 一1 6型飞机上 进行的试验结果证明，电 刹车是下一代飞机高性能的刹车系统。 h o n e y w e l l l a n d i n g s y s t e m s 公司也一直 在研制开 发电 刹车系 统， 以 机电 作动机构 代替活塞/ 轴承集合。其目的在于发展和验证e ma ( e l e c t r o - m e c h a n i c a l a c t u a t o r ) 4 11 f c e ( p o w e r - c o n t r o l e l e c t r o n ic s ) 技 术“ a 1 9 9 8 年， e m a硬 件与f - 1 5 e 炭 刹 车结合， 已成功通过了实验室硬件和动态测试仪测试。 2 0 0 0 年公布了将e ma应 用于 军用飞 机，目 前正实施在商用飞机上的应用计划。 另外， 法国梅西埃 比加蒂公司也在为其干线l5 机研制电液刹车系统。该 刹 车作动器山电动机、 液压泵、 液压马达等部件组成， 即系统中仍存在、一 个分布式 的小型电控液压系统。 这也是梅西埃 比加蒂公司推出的一种低价位的新型刹车 西北_ 业大学硕 学位论义第一 影论 系统，该公司为a 3 1 9 , a 3 2 0 , a 3 2 1 千线飞机发展的这种新型刹车系统在 1 9 9 6 年底得到空中客车工业公司的批准，目 前己被 a 3 4 0 - 5 0 0 / 6 0 0干线飞机所选用。 2 0 0 0 年首次测试了空中客车a 3 2 0 单走廊家庭式一4 / / 8 机轮， 2 0 0 1 年4 月首次测 试了a 3 4 0 - 5 0 0 / 6 0 0 宽机身-1 2 机轮。 英国在9 0 年代末也已经开始发展电刹车系统，将其列为民用飞机研究和验 证计划中确定的6 个项目 之一，目 前己经取得了一些进展。 相比 之下，国内对电 刹车系统的 研究才刚刚起步，与其它国家的差距较大。 因此， 加紧研究全电刹车系统的关键技术， 对实施我国多电飞机计划以及提高国 产飞机性能、 与国际同行业先进技术接轨、 发展我国的国防事业具有深远的历史 意义。 本课题正是为此立项的国家“ 十五” 航空支撑技术预研项目， 是工程应用 型课题。 1 . 3飞机刹车系统控制律研究状况 对于复杂的非线性系统， 控制方法的选择是至关重要的， 关系到系统整体运 行性能的优劣。 要使全电刹车系统刹车效率高于液压刹车系统， 就需要根据全电 刹车的特点，改进传统液压刹车系统的控制方法以满足更高的性能要求。 1 . 3 . 1防滑刹车系统的分类 飞机防滑刹车系统分为两大类: 脉冲式刹车和打滑监控式刹车。 第一类系统 _ 作时， 不管机轮是否打滑，它按预先设定的时间间隔交替进行刹车、 松刹， 直 到飞机刹停为止。 这类系统的刹车效率不是很高， 但性能稳定。 第二类系统通过 传感器监测飞机的运动， 根据机轮是否打滑进行控制。 这类系统的刹车性能可望 达到最优。 按系统被控量与 控制方式的差别， 第二类系统可分为4 种: 开关式防 滑刹车系统、 速度变化率加压力偏调控制的防滑刹车系统、 滑移速度控制式和滑 移率控制式防滑刹车系统。 开关式防滑刹车系统包括机械式防滑刹车系统和机械一电气式防滑刹车系 统， 后者也称为惯性防滑刹车系统，如m a r k i这种系统的控制最是机轮的减 速度，通过减速度的大小控制刹车装置运作。山于系统的给压或放压为开关式， 刹车效率低，l作不平稳，起落架受力状况差。 西北_ 业大学硕 学位论义第一 影论 系统，该公司为a 3 1 9 , a 3 2 0 , a 3 2 1 千线飞机发展的这种新型刹车系统在 1 9 9 6 年底得到空中客车工业公司的批准，目 前己被 a 3 4 0 - 5 0 0 / 6 0 0干线飞机所选用。 2 0 0 0 年首次测试了空中客车a 3 2 0 单走廊家庭式一4 / / 8 机轮， 2 0 0 1 年4 月首次测 试了a 3 4 0 - 5 0 0 / 6 0 0 宽机身-1 2 机轮。 英国在9 0 年代末也已经开始发展电刹车系统，将其列为民用飞机研究和验 证计划中确定的6 个项目 之一，目 前己经取得了一些进展。 相比 之下，国内对电 刹车系统的 研究才刚刚起步，与其它国家的差距较大。 因此， 加紧研究全电刹车系统的关键技术， 对实施我国多电飞机计划以及提高国 产飞机性能、 与国际同行业先进技术接轨、 发展我国的国防事业具有深远的历史 意义。 本课题正是为此立项的国家“ 十五” 航空支撑技术预研项目， 是工程应用 型课题。 1 . 3飞机刹车系统控制律研究状况 对于复杂的非线性系统， 控制方法的选择是至关重要的， 关系到系统整体运 行性能的优劣。 要使全电刹车系统刹车效率高于液压刹车系统， 就需要根据全电 刹车的特点，改进传统液压刹车系统的控制方法以满足更高的性能要求。 1 . 3 . 1防滑刹车系统的分类 飞机防滑刹车系统分为两大类: 脉冲式刹车和打滑监控式刹车。 第一类系统 _ 作时， 不管机轮是否打滑，它按预先设定的时间间隔交替进行刹车、 松刹， 直 到飞机刹停为止。 这类系统的刹车效率不是很高， 但性能稳定。 第二类系统通过 传感器监测飞机的运动， 根据机轮是否打滑进行控制。 这类系统的刹车性能可望 达到最优。 按系统被控量与 控制方式的差别， 第二类系统可分为4 种: 开关式防 滑刹车系统、 速度变化率加压力偏调控制的防滑刹车系统、 滑移速度控制式和滑 移率控制式防滑刹车系统。 开关式防滑刹车系统包括机械式防滑刹车系统和机械一电气式防滑刹车系 统， 后者也称为惯性防滑刹车系统，如m a r k i这种系统的控制最是机轮的减 速度，通过减速度的大小控制刹车装置运作。山于系统的给压或放压为开关式， 刹车效率低，l作不平稳，起落架受力状况差。 西北_ 业大学硕 学位论义第一 影论 系统，该公司为a 3 1 9 , a 3 2 0 , a 3 2 1 千线飞机发展的这种新型刹车系统在 1 9 9 6 年底得到空中客车工业公司的批准，目 前己被 a 3 4 0 - 5 0 0 / 6 0 0干线飞机所选用。 2 0 0 0 年首次测试了空中客车a 3 2 0 单走廊家庭式一4 / / 8 机轮， 2 0 0 1 年4 月首次测 试了a 3 4 0 - 5 0 0 / 6 0 0 宽机身-1 2 机轮。 英国在9 0 年代末也已经开始发展电刹车系统，将其列为民用飞机研究和验 证计划中确定的6 个项目 之一，目 前己经取得了一些进展。 相比 之下，国内对电 刹车系统的 研究才刚刚起步，与其它国家的差距较大。 因此， 加紧研究全电刹车系统的关键技术， 对实施我国多电飞机计划以及提高国 产飞机性能、 与国际同行业先进技术接轨、 发展我国的国防事业具有深远的历史 意义。 本课题正是为此立项的国家“ 十五” 航空支撑技术预研项目， 是工程应用 型课题。 1 . 3飞机刹车系统控制律研究状况 对于复杂的非线性系统， 控制方法的选择是至关重要的， 关系到系统整体运 行性能的优劣。 要使全电刹车系统刹车效率高于液压刹车系统， 就需要根据全电 刹车的特点，改进传统液压刹车系统的控制方法以满足更高的性能要求。 1 . 3 . 1防滑刹车系统的分类 飞机防滑刹车系统分为两大类: 脉冲式刹车和打滑监控式刹车。 第一类系统 _ 作时， 不管机轮是否打滑，它按预先设定的时间间隔交替进行刹车、 松刹， 直 到飞机刹停为止。 这类系统的刹车效率不是很高， 但性能稳定。 第二类系统通过 传感器监测飞机的运动， 根据机轮是否打滑进行控制。 这类系统的刹车性能可望 达到最优。 按系统被控量与 控制方式的差别， 第二类系统可分为4 种: 开关式防 滑刹车系统、 速度变化率加压力偏调控制的防滑刹车系统、 滑移速度控制式和滑 移率控制式防滑刹车系统。 开关式防滑刹车系统包括机械式防滑刹车系统和机械一电气式防滑刹车系 统， 后者也称为惯性防滑刹车系统，如m a r k i这种系统的控制最是机轮的减 速度，通过减速度的大小控制刹车装置运作。山于系统的给压或放压为开关式， 刹车效率低，l作不平稳，起落架受力状况差。 西北一 r . 业大学硕1 . 学位论文第一散 绪论 速度变化率加压力偏调控制的系统，控制量仍为减速度，因使用压力偏调， 每次松刹车， 防滑系统不必象ma r k i 系统那样使刹车压力回零， 所以刹车效率 大幅度提高，工作平稳，起落架受力状态明显改善。ma r k i i 系统就是这一种 类型。 滑移速度控制式防滑刹车系统也具有压力偏调功能，控制量是准滑移速度。 滑移速度是飞 机沿跑道的纵向 速度与受刹机轮线速度的差值， 系统用参考速度代 替飞 机速度计算滑移速度， 得出的就是准滑移速度。 系统在干跑道上的性能较好， 在混合跑道 上性能 较差。 b o e i n g 飞 机 装备的m a r k i i i , m a r k n防 滑刹车装 置就是这种原理，我国自 行研制的电子防滑系统也是这种原理。 滑移率控制式防滑刹车系统控制受刹机轮的滑移率， 即控制滑移速度与飞机 速度的比率。 诸多因素中， 滑移率对结合系数的影响最大。 本系统力图把滑移率 控制在与结合系数最大值对应的滑移率附近， 以 提高系统刹车效率。 计算滑移率 的飞机速度通常用自由滚动前轮的速度代替， 或由受刹机轮的速度导出。 这种系 统不带压力偏调， 预先设定期望的滑移率， 实际计算的滑移率同它比较， 然后进 行控制。 欧洲的一些商用或军用喷气式飞机采用这种原理的防滑刹车系统， 计算 滑移率的飞机速度用自由滚动前轮的速度代替。 1 . 3 . 2国内刹车控制律的发展状况 目前国内实际装机使用的飞机防滑刹车系统的控制律通常采用多门限的 p i d进行设计， 但其中的积分级与常规的积分级不同， 该积分级的值既可以增加， 又可以减小， 称之为压力偏调级， 简称p b m。该级是控制盒中最为关键的一级， 刹车效率的提高主要是通过对这一级的放电 特性进行改善而取得。 但是， 采用这 种方法设计的系统通常存在低速打滑现象，另外，p b m 辨识跑道的特性也并不 精确， 所以， 系统的刹车效率一般只能达到9 0 % 左右。 而根据国外公开文献的报 道， 采用滑移率控制的电刹车刹车效率明显优于传统液压刹车， 最高可达到9 8 % 1 . 4论文的主要研究内容 ( 1 )以囚 产某型匕 机参数为基准， 根据全电 刹车的总体技术要求， 确定系统 西北一 r . 业大学硕1 . 学位论文第一散 绪论 速度变化率加压力偏调控制的系统，控制量仍为减速度，因使用压力偏调， 每次松刹车， 防滑系统不必象ma r k i 系统那样使刹车压力回零， 所以刹车效率 大幅度提高，工作平稳，起落架受力状态明显改善。ma r k i i 系统就是这一种 类型。 滑移速度控制式防滑刹车系统也具有压力偏调功能，控制量是准滑移速度。 滑移速度是飞 机沿跑道的纵向 速度与受刹机轮线速度的差值， 系统用参考速度代 替飞 机速度计算滑移速度， 得出的就是准滑移速度。 系统在干跑道上的性能较好， 在混合跑道 上性能 较差。 b o e i n g 飞 机 装备的m a r k i i i , m a r k n防 滑刹车装 置就是这种原理，我国自 行研制的电子防滑系统也是这种原理。 滑移率控制式防滑刹车系统控制受刹机轮的滑移率， 即控制滑移速度与飞机 速度的比率。 诸多因素中， 滑移率对结合系数的影响最大。 本系统力图把滑移率 控制在与结合系数最大值对应的滑移率附近， 以 提高系统刹车效率。 计算滑移率 的飞机速度通常用自由滚动前轮的速度代替， 或由受刹机轮的速度导出。 这种系 统不带压力偏调， 预先设定期望的滑移率， 实际计算的滑移率同它比较， 然后进 行控制。 欧洲的一些商用或军用喷气式飞机采用这种原理的防滑刹车系统， 计算 滑移率的飞机速度用自由滚动前轮的速度代替。 1 . 3 . 2国内刹车控制律的发展状况 目前国内实际装机使用的飞机防滑刹车系统的控制律通常采用多门限的 p i d进行设计， 但其中的积分级与常规的积分级不同， 该积分级的值既可以增加， 又可以减小， 称之为压力偏调级， 简称p b m。该级是控制盒中最为关键的一级， 刹车效率的提高主要是通过对这一级的放电 特性进行改善而取得。 但是， 采用这 种方法设计的系统通常存在低速打滑现象，另外，p b m 辨识跑道的特性也并不 精确， 所以， 系统的刹车效率一般只能达到9 0 % 左右。 而根据国外公开文献的报 道， 采用滑移率控制的电刹车刹车效率明显优于传统液压刹车， 最高可达到9 8 % 1 . 4论文的主要研究内容 ( 1 )以囚 产某型匕 机参数为基准， 根据全电 刹车的总体技术要求， 确定系统 西北一 r . 业大学硕1 . 学位论文第一散 绪论 速度变化率加压力偏调控制的系统，控制量仍为减速度，因使用压力偏调， 每次松刹车， 防滑系统不必象ma r k i 系统那样使刹车压力回零， 所以刹车效率 大幅度提高，工作平稳，起落架受力状态明显改善。ma r k i i 系统就是这一种 类型。 滑移速度控制式防滑刹车系统也具有压力偏调功能，控制量是准滑移速度。 滑移速度是飞 机沿跑道的纵向 速度与受刹机轮线速度的差值， 系统用参考速度代 替飞 机速度计算滑移速度， 得出的就是准滑移速度。 系统在干跑道上的性能较好， 在混合跑道 上性能 较差。 b o e i n g 飞 机 装备的m a r k i i i , m a r k n防 滑刹车装 置就是这种原理，我国自 行研制的电子防滑系统也是这种原理。 滑移率控制式防滑刹车系统控制受刹机轮的滑移率， 即控制滑移速度与飞机 速度的比率。 诸多因素中， 滑移率对结合系数的影响最大。 本系统力图把滑移率 控制在与结合系数最大值对应的滑移率附近， 以 提高系统刹车效率。 计算滑移率 的飞机速度通常用自由滚动前轮的速度代替， 或由受刹机轮的速度导出。 这种系 统不带压力偏调， 预先设定期望的滑移率， 实际计算的滑移率同它比较， 然后进 行控制。 欧洲的一些商用或军用喷气式飞机采用这种原理的防滑刹车系统， 计算 滑移率的飞机速度用自由滚动前轮的速度代替。 1 . 3 . 2国内刹车控制律的发展状况 目前国内实际装机使用的飞机防滑刹车系统的控制律通常采用多门限的 p i d进行设计， 但其中的积分级与常规的积分级不同， 该积分级的值既可以增加， 又可以减小， 称之为压力偏调级， 简称p b m。该级是控制盒中最为关键的一级， 刹车效率的提高主要是通过对这一级的放电 特性进行改善而取得。 但是， 采用这 种方法设计的系统通常存在低速打滑现象，另外，p b m 辨识跑道的特性也并不 精确， 所以， 系统的刹车效率一般只能达到9 0 % 左右。 而根据国外公开文献的报 道， 采用滑移率控制的电刹车刹车效率明显优于传统液压刹车， 最高可达到9 8 % 1 . 4论文的主要研究内容 ( 1 )以囚 产某型匕 机参数为基准， 根据全电 刹车的总体技术要求， 确定系统 西北工业大学硕 i s 学位论文 第一章 绪论 的整体结构。 ( 2 ) 选择合 适器件， 完成了 全电 刹车系 统的 硬件设计 、 调试。 包括d s p 最小 系统及其扩展电路设计、用于产生p w n 波的逻辑电路设计、接口电路设计、隔 离电路设计、功率驱动电路以及保护电路设计等。 ( 3 ) 选择合适的 控制算法， 采用c 语言 和 汇编 语言混 合编 程方法， 完成了 刹 车系统的控制软件设计， 即基于滑移率环、 力矩环、 电 机双闭 环的 控制系统软件 设计与调试。 滑移率环采用模糊与p i d 相结合的算法、力矩环采用积分分离p i d 算法、电机的双闭环都采用p i 调节器。 1 . 5论文的安排 第一章绪论部分， 主要阐述了论文的研究背景， 全电刹车系统的发展状况， 刹车控制律的研究状况及本论文所要完成的工作。 第二章主要分析了全电刹车系统组成、 工作原理， 对系统各个部分的结构 和功 能 进 行了 分 析， 特 别 是 对全 电 刹 车 系 统 的 核 心 部 件电 作 动 机 构 进 行了 详 细的 结构分析及参数计算。 第三章介绍了电作动器的核心无刷直流电动机及其控制方法。 第四章完成了数字式刹车控制器的硬件设计。 第五章完成了 刹车控制器的控制软件，确定了各环的控制方法。 第六章对论文的研究工作进行了总结， 并展望了今后全电刹车系统的研究 方向。 西北工业大学硕 i s 学位论文 第一章 绪论 的整体结构。 ( 2 ) 选择合 适器件， 完成了 全电 刹车系 统的 硬件设计 、 调试。 包括d s p 最小 系统及其扩展电路设计、用于产生p w n 波的逻辑电路设计、接口电路设计、隔 离电路设计、功率驱动电路以及保护电路设计等。 ( 3 ) 选择合适的 控制算法， 采用c 语言 和 汇编 语言混 合编 程方法， 完成了 刹 车系统的控制软件设计， 即基于滑移率环、 力矩环、 电 机双闭 环的 控制系统软件 设计与调试。 滑移率环采用模糊与p i d 相结合的算法、力矩环采用积分分离p i d 算法、电机的双闭环都采用p i 调节器。 1 . 5论文的安排 第一章绪论部分， 主要阐述了论文的研究背景， 全电刹车系统的发展状况， 刹车控制律的研究状况及本论文所要完成的工作。 第二章主要分析了全电刹车系统组成、 工作原理， 对系统各个部分的结构 和功 能 进 行了 分 析， 特 别 是 对全 电 刹 车 系 统 的 核 心 部 件电 作 动 机 构 进 行了 详 细的 结构分析及参数计算。 第三章介绍了电作动器的核心无刷直流电动机及其控制方法。 第四章完成了数字式刹车控制器的硬件设计。 第五章完成了 刹车控制器的控制软件，确定了各环的控制方法。 第六章对论文的研究工作进行了总结， 并展望了今后全电刹车系统的研究 方向。 西北工业大学硕 卜 学位论文第_节系统作原理 j 组成结构 第二章 系统工作原理与组成结构 2 . 1 a车系统基本工作原理 飞机刹车制动主要靠刹车时轮胎和地面间产生的结合力来使得飞机减速， 影 响结合力大小的因素称为结合系数u 。结合系数lu 受很多因素影响，比如:滑移 率、飞机速度、 垂直载荷、轮胎侧倾角、滑移角、 轮胎的新旧程度、轮胎的花纹 形式、跑道表面状况等等，其中滑移率口 最为重要，滑移率的计算公式如下: 、 _ 竺 二 且、 1 0 0 % v 其中: v j一 机轮速度; v 一 飞机速度。 该滑移率与结合系数之间存在一个复杂的非线性关系，在整个刹车过程中， 存在 一 个最大 值n m a a ， 它 对应的 滑 移 率为 最 佳 滑移 率a n，口 与k 的 关 系如 下图 所示。 对于不同的跑道相同的滑移率下结合系数不同， 干跑道最大， 冰跑道最小， 湿跑道 居中， 但最佳滑移率丐相差很小， 都在1 5 4 6 左右。 m a.i - _ 一 一 一 一 _ _ 一 一 _ 。 1口户 。 2o 图2 - l结合系数与滑移率的关系 在刹车过程中，飞 机速度、 机轮速度不断变化，因此。 也不断变化， 这必然 引起k 的变化， 要达到最佳的刹车效果就要不断的调节刹车力矩， 使得滑移率0 能 够控制在 一 a ip 附 近， 这样匕 机能 够得到 最大的结 合力， 达到 最好 的 刹车 效果。 北下 业人学硕 七 学位论文第_章系统 1 作原理与 组成结构 2 . 2液压刹车v 鱿组成结构及工 柞原理 首先对液压刹车系统作简单的回顾。 液压刹车系统有结构简单、 可有效分散 功率等特点， 但其缺点也不可忽视。 据统计， 液压刹车系统燃料耗费占整个t 机 所需液压燃料的4 5 ，而且易泄漏，使飞行安全性相对降低。 传统的 液压刹车系统包括机轮刹车装置 ( 刹车盘 ) 、 机轮速度传感器、 防 滑控 制盒及包含防滑伺服阀在内的液压作动器等部件。其系统原理框图如图 2 - 2所 示。 机轮转速经速度传感器转换为电 信号并输送给控制盒， 控制盒根据速度的大 小输出相应的防滑电流到伺服阀， 控制伺服阀输出刹车压力， 该压力到达刹车装 置以 后， 通过液压活塞作用于压紧盘调节刹车装置之间的压紧力， 从而改变刹车 力矩， 刹车力矩与轮胎和跑道之间的结合力矩共同控制机轮的转速， 形成一个以 机轮速度为负反馈的闭环控制系统。 图2 - 2液压刹车系统原理框图 2 . 3全电刹车系统组成结构及工作原理 全电刹车系统的工作过程如下; 当飞机着陆后， 受刹机轮和前机轮先后着地 进入滑跑状态， 当受刹机轮经过一 段时间加速达到刹车的要求后， 飞机进入刹车 状态， 按照刹车指令进行制动， 系统的组成与原理框图如图2 - 3 所示， 整个刹车 系统主要由数字式刹车控制器、 功率驱动电路. e m a ( e le c t r o m e c h a n i c a l a c t u a t o r 机电作动器)刹车机架和受刹机轮组成，e m a刹车机架则由无刷直流电机、滚 珠丝杠构成 ( 图中虚线部分)。 系统的基本工作原理与液压刹车系统类似， 但是 有自身独特的特 , ， 大体运作流程为: 飞机速度信号、 机轮速度信号 和刹车力知 信号经速度传感器和力矩传感器反馈送入数字式防滑刹车控制盒， 产生相应的拧 制信号 输入到电机的功率驱动电路，由功率驱动电路控制电机运转， 进而驱动滚 北下 业人学硕 七 学位论文第_章系统 1 作原理与 组成结构 2 . 2液压刹车v 鱿组成结构及工 柞原理 首先对液压刹车系统作简单的回顾。 液压刹车系统有结构简单、 可有效分散 功率等特点， 但其缺点也不可忽视。 据统计， 液压刹车系统燃料耗费占整个t 机 所需液压燃料的4 5 ，而且易泄漏，使飞行安全性相对降低。 传统的 液压刹车系统包括机轮刹车装置 ( 刹车盘 ) 、 机轮速度传感器、 防 滑控 制盒及包含防滑伺服阀在内的液压作动器等部件。其系统原理框图如图 2 - 2所 示。 机轮转速经速度传感器转换为电 信号并输送给控制盒， 控制盒根据速度的大 小输出相应的防滑电流到伺服阀， 控制伺服阀输出刹车压力， 该压力到达刹车装 置以 后， 通过液压活塞作用于压紧盘调节刹车装置之间的压紧力， 从而改变刹车 力矩， 刹车力矩与轮胎和跑道之间的结合力矩共同控制机轮的转速， 形成一个以 机轮速度为负反馈的闭环控制系统。 图2 - 2液压刹车系统原理框图 2 . 3全电刹车系统组成结构及工作原理 全电刹车系统的工作过程如下; 当飞机着陆后， 受刹机轮和前机轮先后着地 进入滑跑状态， 当受刹机轮经过一 段时间加速达到刹车的要求后， 飞机进入刹车 状态， 按照刹车指令进行制动， 系统的组成与原理框图如图2 - 3 所示， 整个刹车 系统主要由数字式刹车控制器、 功率驱动电路. e m a ( e le c t r o m e c h a n i c a l a c t u a t o r 机电作动器)刹车机架和受刹机轮组成，e m a刹车机架则由无刷直流电机、滚 珠丝杠构成 ( 图中虚线部分)。 系统的基本工作原理与液压刹车系统类似， 但是 有自身独特的特 , ， 大体运作流程为: 飞机速度信号、 机轮速度信号 和刹车力知 信号经速度传感器和力矩传感器反馈送入数字式防滑刹车控制盒， 产生相应的拧 制信号 输入到电机的功率驱动电路，由功率驱动电路控制电机运转， 进而驱动滚 西北 业大学硕_ 丁 学位论文 第二爷 系统7 非 原理与 组成结构 珠丝杠， 滚珠丝杠输出刹车压力到刹车盘， 产生相应的刹车力矩。 所以全电刹车 系统形成了以机轮速度、飞机速度和刹车力矩为负反馈的闭环控制系统。 wi l 左丁 书 4 f f ; 月 、 . ，- 11产i _ i n l h 曰 1未n 介 了 ， 气 月 丫 己户 ， 中 刹车指令 数字式刹 肤 功率抠 动 嘟 各 过 流 信 号 一 转子 位置信 号 瓣 仑 车 拐 垂 反馈 图2 - 3全电刹车系统组成 由此可见， 全电刹车系统与液压刹车系统相比， 其不同之处主要在于: 1 . 液 压作动器完全由电作动机构取代。 2 . 重新研制先进的数字式防滑刹车控制盒代 替液压刹车控制盒。3 . 除机轮速度反馈外，还增加了飞机速度和刹车力矩的反 馈。 因此，防滑刹车控制盒不但要有飞机机轮速度反馈信号的输入， 还要有飞机 速度和刹车力矩的反馈信号输入， 另外， 还要增加功率驱动电路以驱动电作动机 构。 这些改进对整个刹车系统性能的提高是显著的。 就电作动机构来说， 山于采 用了高性能的无刷直流电机作动力以及低惯性的部件滚珠丝杠作执行机构使机 电作动器的频率响应可以达到2 0 - 3 0 赫兹， 比之液压刹车系统提高了2 - 3 倍; 由 于增加了力矩反馈控制系统， 显著改善了系统的性能: 液压刹车系统只有机轮速 度反馈， 虽然刹车压力与踏板压力信号成比例关系， 但刹车力矩却受到刹车摩擦 变化的影响导致精度下降。 力矩反馈系统解决了 刹车摩擦变化的问题， 可 提供准 确的刹车响应，显著改善了刹车力矩的控制和防滑性能， 缩短了刹停距离， 提高 了 轮胎和刹车装置的使用寿命。 根据国外资料显示， 在f -1 6 上的电刹车系统测 试中， 防 滑效率高达9 7 % 9 8 % 0 ， 特别在正常能量刹停测试中， 数据显示刹车力 矩可精确跟踪输入的刹车命令， 由作动机构位置的变化可计算刹车时摩擦系数的 变化。 观察机轮速度， 几乎看不到打滑现象。 这些优点是液压刹车系统无法比 拟 的。 两北i _ 业人学硕士学位论文第一二市系统工作原理与组成结构 2 3 1 电作动机构设计 全电刹车系统与液压刹车系统结构上的主要不同之处就是e m a 刹车机架代 替了原来的液压活塞刹车机架，而液压刹车系统中的其它刹车部件如炭盘、转矩 管、机轮等仍保持不变。e m a 刹车机架的结构如图2 - 4 所示。由于每副电机滚 珠丝杠作动机构的结构完全一样，所以只针对其中一副作动机构画了剖视