（电力电子与电力传动专业论文）飞机全电刹车系统控制器设计.pdf

西北1 ：业大学顺十学位论文 a b s t r a c t t h ee l e c t r i ca n t i s k i db r a k i n gs y s t e mi sa v e r yi m p o r t a n ts u b s y s t e mo f a i r c r a f ta n dt h et r a d i t i o n a l a n a l o gc o n t r o l l e r a n dt h e h y d r a u l i c d r i v e ra l e r e p l a c e d w i t hd i g i t a lc o n t r o l l e ra n de l e c t r i cd r i v e r t h ee l e c t r i c b r a k i n g s y s t e mi m p r o v e s t h et a k e o f fa n d l a n d i n gp e r f o r m a n c eo f a e r o c r a f lg r e a t l y t h ep a p e rf o c u so nt h es t u d yo ft h ew h o l es t r u c t u r eo ft h ee l e c t r i c a n t i s k i db r a k i n g s y s t e m 、c o n t r o ls t r a t e g y 、h a r d w a r ea n d s o f t w a r e d e s i g n o n t h eb a s eo f a n a l y z i n g t h ew o r k t h e o r y o f b r a k i n gs y s t e m a n dt h e a c s e r v o c o n t r o lt e c h n o l o g i e s ，p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sm o t o ri s u s e d a st h ee l e c t r i cd r i v e c o m p o n e n t ，t h ea i r c r a f ts l i p p a g e r a t i o a d j u s t o r a n d p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sm o t o r ( p m b m ) s p e e d c u r r e n ta d j u s t e ri sm a d e t o c o n s t r u c ta t r i l o o p c o n t r o l s y s t e m t h e a d v a n c e d d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) a n dc o m p l i c a t e dp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) a r e a p p l i e dt oc o n f i g u r et h ed i g i t a lc o n t r o l l e ro ft h eb r a k i n gs y s t e m t h ep o w e r d r i v ec i r c u i ti s c o m p o s e do fp o w e rm o s f e ta n dg a t e d r i v e i n t e r g r a d e d c i r c u i t t h ep e r m a n e n tm a g n e tb r u s h - l e s sm o t o ri sd r i v e n e f f e c t i v e l yb y s e l e c t i n gt h eb o o t s t r a pc o m p o n e n t sp r o p e r l ya n dd e a l i n gw i t ht h ep a r a s i t i c s c o r r e c t l y t h es o f t w a r ed e s i g ni s c o m p o s e do fcl a n g u a g ef o rd s p a n dv h d l ( h i g hs p e e dh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) f o rc p l d t h es y s t e md e s i g n e d w o r k ss t a b l ya n dr e l i a b l yi nt h ee x p e r i m e n t ，a n dt h ee l e m e n t a r yf u n c t i o ni s r e a l i z e d k e y w o r d ：e l e c t r i ca n t i s k i db r a k i n gs y s t e m p e r m a n e n t m a g n e t b r u s h - l e s sm o t o r d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r c o m p l i c a t e dp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e h i g hs p e e d h a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e u 西北- t 业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文的研究背景 随着航空技术的飞速发展，对战斗机的安全性、可靠性和可维护性提出了更 高的要求，因而采用电作动机构代替集中式的液压作动机构成为航空技术发展的必 然趋势，这就是多电飞机技术。全电刹车系统就是多电飞机中一个至关重要的子 系统，采用电作动机构代替液压作动机构、数字式控制器代替模拟式控制器。在传 统的液压刹车系统中，采用模拟式防滑刹车控制器，其电路复杂、温度漂移严重而 且难以实现复杂的控制律，调试和维护均较为困难。全电刹车系统采用数字式防滑 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率，极大地提高了刹车系统整体性能。 可以说，研究基于数字式控制器的全电刹车系统对我国新型战斗机性能的提高 具有十分重要的意义，是下一代战斗机刹车系统发展的必然趋势。 1 2 国内外发展历史和现状 1 2 1 国外发展历史和现状 1 9 4 0 年，英国d u n l o p 公司研制出第一套飞机刹车系统，揭开了飞机刹车系统 研制的序幕。1 9 4 8 年，美国h y d r o - a i r e 公司研制的m a r ki 型飞机刹车系统是第一 代飞机刹车系统的标志，m a r ki 型为机械式惯性防滑刹车系统，使用继电式开关控 制，用惯性传感器感受机轮减速度，当减速度超过门限值时，惯性传感器直接通过 机械机构操纵液压阀使刹车压力释放。 1 9 5 8 年，h y d r o a i r e 公司研制出第二代飞机刹车系统，即m a r k i i 型系统。其 特点是以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，控制阀启动，降低刹车压力，使之降到稍低于使机轮打滑的压力值，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。 1 9 7 6 年，h y d r o a i r e 公司研制出第三代刹车系统，即m a r k i i i 系统。它是一种 计算实际轮胎打滑程度来寻找最佳滑移点的控制系统，即基于滑移率的控制。以一 定的滑移率为误差门限进行控制，当实际的滑移率超过门限时，控制装置发出信号 使电液伺服阀输出电压降低，机轮转速加快，然后重新加压，如此反复循环。 二十世纪七十年代以后，随着电子技术的飞速发展，h y d r o a i r e 公司研制出了 第四代飞机刹车系统，即m a r k 型系统，它是世界上第一个使用微处理器的数字式 刹车系统，该系统的工作原理与m a r k i i i 型系统基本相同，用微处理代替了模拟式控 制器，刹车指令传感器代替液压刹车阀，控制算法通过编程实现，提高了刹车系统 西北工业大学硕士学位论文绪论 的效率和可靠性。 由于液压系统液压油容易泄漏引发火灾，并且难以维修，以及考虑到“多电飞 机的应用”，到二十世纪八十年代初期，美国空军与飞机刹车系统公司l o r a l a i r c r a f tb r a k i n gs y s t e m s 开始进行电刹车研究的合作，并计划在a l o 飞机上进 行试验，虽然当时由于电刹车系统诱发了a 一1 0 飞机主起落架水平方向的振动，因 而无法在飞机上进行试验。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，美国空军又实施了一项为期三年的电刹车计划，试验 的飞机是f 1 6 ，防滑控制盒在h y d r o l a i r e 公司的m a r k v 上进行改装，刹车装置 由b f g 运动控制公司提供。参与此项计划的还有麦道公司、b fg o o d r i c h 机轮与刹 车公司。试验结果表明，电刹车是下一代飞机高性能的刹车系统。 1 2 2 国内发展历史和现状 我国在引进消化吸收的基础上，也相继研制出了多种带防滑控制的飞机刹车系 统，并不断研究改进其存在的问题( 如：过分胎损、低速时打滑加深、与湿、冰跑 道情况下方向可控性及刹车效率下降等) 。我国歼七系列等现役飞机采用的是五十 年代末期以惯性传感器为检测元件的机械一气压防滑刹车系统。国内有关生产厂家 和研究所从六十年代末期开始相继研制出四种模拟式电子防滑刹车系统，其中仿美 m a r k i 的速率系统，已运用于运十飞机上，经过长期的飞行考验，各项指标均达到 设计要求，能够满足飞行需要。运十飞机在国产飞机中首开电子防滑自动刹车之先 河。从七十年代开始，我国第二代现役飞机已装备了模拟式电子防滑液压刹车系统。 在运十飞机电子防滑刹车系统研制的基础上，参照英国o s c a r 系统，1 9 8 1 年又研制 了模拟式速度差电子防滑系统，1 9 8 2 年正式被f b c 一1 飞机选用，并在运七飞机上进 行了长时期使用和飞行考验。2 0 0 3 年研制出模拟式电传液压刹车系统，采用刹车指 令传感器代替液压刹车阀，提高了刹车系统的安全可靠性。 相比之下，我国对刹车控制系统的研制与发达国家差距比较大。因此，研究全 电刹车系统的关键技术，对我国多电飞机的发展具有重大的现实意义，对提高飞机 性能、与国际同行业先进技术接轨、发展我国的国防事业都具有深远的历史意义。 本课题正是为解决这一问题而立项的国家“十五”航空支撑技术项目，是应用研究 型课题。 1 3 论文的主要研究内容和关键技术 1 3 1 主要研究内容 本论文所作的研究工作主要包括以下几个方面的内容： 1 _ 系统总体方案设计 2 西北工业大学颂：【：学位论文 根据全电刹车系统的总体技术要求，确定系统的整体组成结构； 确定系统各组成部件的实现方案： 确定系统的总体控制方案。 2 刹车控制器的硬件设计与调试 完成基于先进d s p 处理器和c p l d 的数字式控制器设计； 选取并确定系统的电执行机构； 根据电执行机构的控制要求，完成功率驱动电路的设计； 完成d s p 和c p l d 的外围接口调理电路、功率驱动电路、电流检测电路、故障检 测电路的调试工作。 3 c p l d 器件的开发 完成基于c p l d 的v h d l 语言的设计和调试。 4 系统软件的设计与调试 完成全电刹车系统的整体控制流程算法设计； 完成电机转速、电流检测算法，以及转速、电流环控制算法设计； 完成串行和并行通讯软件设计； 完成系统软件抗干扰设计； 完成基于d s p 控制器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的软件调试： 1 3 2 论文的关键技术 1 全电刹车系统的冗余控制技术 飞机对机载设备的可靠性有十分严格的要求，所以必须考虑到系统的冗余问 题，本系统采用四台电机作为电执行机构，两台工作，两台热备份。这使得数字控 制器的控制任务十分繁重，这是整个课题的难点之一，本论文拟采用以下两个措施 加以解决： 充分利用d s p 芯片的内部资源 采用d s p 事件管理的通用定时器和全比较单元产生所需的四路p w m 信号，通过 改变定时器比较寄存器t x c m p r 和全比较寄存器c m p r x 的值来改变p w m 信号的占空 比，实现p w m 信号的实时调制； 采用c p l d 作为逻辑和时序处理部件 由于系统的控制任务十分繁重，如果单纯使用d s p 芯片完成系统的所有控制任 务，将占用较多端口资源，需要较多的外围元器件，对控制系统的可靠性和实时性 均有较大影响。若使用c p l d 来实现系统控制中的大量逻辑和时序处理功能，就可 以极大地简化系统结构，提高系统的稳定性和可靠性。c p l d 所具有的在系统编程 ( i n s y s t e mp r o g r a m m i n g ) 能力，使得设计更加灵活。 可见，采用以上措施充分利用并极大地节省了系统的资源，降低了软硬件设计 和调试的难度。 西北工业大学硕上学位论文绪论 2 电动机的驱动技术 本系统采用电动机作为刹车系统的驱动部件因此电动机的驱动技术就是本课 题的关键技术之一。 对电动机的驱动由功率驱动单元来完成，本系统中采用功率m o s f e t 和栅极功率 驱动芯片及其外围电路构成电机驱动单元，栅极功率驱动芯片接收来自数字式刹车 控制器的p w m 开关信号，经过驱动放大控制功率m o s f e t 的导通和关断。功率驱动 单元的关键技术在于自举元件的选择以及对寄生效应的正确分析、处理。 4 蕊j t i ：堑太掌碳圭：学搜论文垒癜崩车系统慧体方懿设计 第二章全照刹车系统总体方案设计 本蠢概述了飞枫蠲率系统魏基本理论，给蠢了愈龟刹率系统懿缝戒源壤及冀实 袋方寨。辩数字试潮享羧铡器翻驱麓逮辍鳃选鬻窝绥梭藩纛鞋及系统接涮方案襻7 洋蘩懿分瓣灏讨论。 2 。t 剥萃控潮瓣象匏箍述 飞枫刹牵制渤圭要依靠刹车时轮脍和她藤间产嫩斡结合力，程飞枧霾量定煦 祷凝下，影响缝合力大小酌因素称菇结念系数# 。缝合系数耻受缀多戮索影响，耽 如：飞丰凡速度、滑移率、羹赢载荷、轮胎侧倾角、滑移角、轮胎的新l 日程度、轮胎 熬藏绞鼯式、魏道表露状魏等等，其中飞飘速瘦帮滑穆率激为蘩簧。港穆攀计算公 式如下： 落：塑x1 0 0 落= o x v 其中； v j 一机轮遥发； v 一飞钒这痰。 滑移率。与结会系数量非线性关系，飞机滚度牺跑道条 孛一定时， 游移率黥关系馥线鲡餮2 - 1 掰豢。 l 。b 驻越8 落 棼，5 1 2 0 。的平项波电势翻电流，理论上当相位棚符 时转矩觅脉动； 材孝毒剃溺率麓，出力大，在摆爨熬材鞑下，宅媛羧出凌率较聂弦型屯枧大1 0 。2 筠， 间一个逆变器，控制方波电动机时输出功率较正弦波电幼机时，在理论上其容爨可 增搬1 5 ，困在竣出冠一转矩条传下，乎顶波的波堰比正弦波豹波幅小； 控制方法简单，磁场定向控制简化为磁极位嚣控制，电压频率协调控制简化为 调压控剃 0 ； 设偏差为e r r o r ( k ) ，当fe r r o r ( k ) i e 时，采用p 控制，可以避免产生过大的超调， 又使系统有较快的响应速度： 当ie r r o r ( k ) l 转速给定信号和转速反馈信号之差。经过转速调节器的运算产生电流调节器的 给定信号。 电流环的设计主要考虑电流的快速跟随性能，所以将电流调节器设计为p i 调 西北工业大学硕士学位论文 全电刹车系统总体方案设计 节器。电流给定信号和电流反馈信号之差经过电流调节器的运算产生相对于p w m 信 号占空比的控制信号，并加载到通用定时器的比较寄存器t x c m p r ，实现p w m 信号的 实时调制。 西北工业大学硕士学位论文系统硬件设计与实现 第三章系统硬件设计与实现 现代飞机对机载系统的精度要求和稳定性的要求越来越高，而传统的微处理器 如m c s 一5 l 、9 6 系列在实现控制时，由于本身指令功能不强，处理速度慢( 且s 级) ， 乘除法所用周期过多，外围电路数据转换速度慢等缺点，使永磁电机的性能得不到 充分的发挥。 随着超大规模集成电路制造技术的快速发展，在高性能的无刷直流电机控制系 统中，t i 公司面向电机控制的专用d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 和a l t e r a 公司的复杂 可编程逻辑器件( c p l d ) e p m 7 1 2 8 a e t c 逐渐得到了广泛的应用。单纯使用d s p 控制 电机，将占用较多端口资源，需要较多的外围元器件，对整个系统的快速性、稳定 性和可靠性均有较大影响。c p l d 所具有的在系统编程( i n s y s t e mp r o g r a m m i n g ) 能力和高度的集成度，若合理使用c p l d 来实现无刷电机控制系统中的大量逻辑和 信号处理功能，就可以极大地简化系统结构，提高了系统设计的灵活性、稳定性和 可靠性。 全电刹车控制系统由d s p 及其外围接口电路、c p l d 及其外围接口电路、驱动隔 离单元、功率驱动单元和通讯单元组成，如图3 1 所示。 图3 - 1 系统硬件框图 当d s p 控制器接收到上位机的刹车指令后，立即启动电机驱动刹车机构，同 时接收电机速度和电流反馈信号，电机控制器会根据给定参数，调制p v m 输出，控 制电机跟踪刹车指令，完成刹车过程。本章将详细介绍各个部分的硬件设计及工作 原理。 3 1d s p 最小系统及其外围接口电路 3 1 1d s p 最小系统 d s p 最小系统由d s p 芯片、复位电路、目标系统的仿真器连接j t a g 接口和外部 扩展存储器组成。 1 d s p 芯片简介 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是c ( f ) 2 4 0 x 系列的d s p 芯片的一个标准器件。它确定了单片数 西北工业大学硕h 学位论文系统硬件设计与实现 字电机控制器的标准。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的指令执行速度是3 0 m i p s ，几乎所有的指令 都可以在一个3 3 n s 单周期内执行完毕。这种高性能使复杂控制算法的实现执行成 为可能，例如自适应控制和卡尔曼滤波。非常高的采样速率也可以用来使环路延迟 达到最小。 作为一个系统的管理者，d s p 必须具有强大的片内：o 端口和其它外围设备。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的事件管理器与其它任何类型的d s p 均不同，这个应用优化的外围设 备与高性能的d s p 内核一起，使在所有类型电机的高精度、高效、全变速控制中使 用先进的控制技术成为可能。事件管理器中包括一些专用的脉宽调制( p w m ) 发生函 数，例如，一个可编程的死区函数和个用于三相电机的空间向量p w m 状态机，它 们可以在功率开关管开关过程中提供最大功率。三个独立的双向定时器，每个都 有单独的比较寄存器，可以用来支持产生不对称的或对称的p w m 波形，等等。所有 的这些优点都特别有利于电机控制。具体的说，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 有如下特点： t m s 3 2 0 c 2 x x 核心c p u 3 2 位的中央算术逻辑单元( c a l u ) ：3 2 位加法器；1 6 位十1 6 位并行乘法器， 乘积为3 2 位：三个定标辅助移位寄存器；8 个1 6 位辅助寄存器，带有一个专用的 算术单元，用来做数据存储器的间接寻址。 存储器 片内5 4 4 字的双端口数据程序r a m ：3 2 k 字的片内f l a s h ；1 9 2 k 字的最大可寻 址存储空忙】( 6 4 k 字的程序存储空间，6 4 k 字的数据存储空间，6 4 k 字的：o 空间) ； 有软件等待状态发生器的外部存储器接口模块，具有1 6 位地址总线和1 6 位数据总 线；支持硬件等待状态。 指令系统 与t m s 3 2 0 家族的c 2 x ，c 2 x x 和c 5 x 定点d s p 在源代码兼容：单指令重复操作； 单周期的乘法加法指令；程序数据管理的存储器块移动指令：索引寻址功能：基 于快速傅立叶变换( f f t s ) 的位反转索引寻址功能。 事件管理器 1 2 个比较脉宽调制( p w m ) 通道( 其中9 个相互独立) ：三个1 6 位通用定时器， 有六种工作模式，包括连续递增和连续d n i 减计数；三个1 6 位全比较单元，有死区 功能：三个1 6 位简单比较单元；四个捕获单元，其中两个兼有正交编码器脉冲接 口功能。 其它 双1 0 位模数转换器( a d c ) ；2 8 个独立可编程的多路复用：o 引脚；基于锁相 环的时钟模块：带实时中断( r t i ) 的看门狗( w d ) 定时器模块；串行通讯接口( s c i ) ； 串行外部设备接口( s p i ) 。 西北工业人学硕l 学位论文系统硬件设计与实现 正因为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 有高速信号处理和数字控制功能所必需的体系结构特点， 而且它有为电机控制应用提供单片解决方案所必需的外围设备，所以成为本系统中 央处理器的首选。 2 复位电路 复位电路应具有上电复位和手动复位功能。利用r c 充电原理实现上电复位的电 路如图3 2 所示。 本系统时钟s y s c l k 为3 0 m h z ，按技术手册要 求只需要一个s y s c l k 周期的低电平脉冲即可有效 复位d s p ，但在实际应用系统中，考虑到电源的稳 定时间，参数漂移，晶振稳定时间以及复位的可靠 性等因素，必须留有足够的裕量。实践证明，只要 复位脉冲保持i o n s 以上，就可以使d s p 可靠复位。 因此，本电路选取r = i k ，c = 2 2 u f 。图3 - 2 复位电路 上电后，通过电阻r 给电容c 充电，电容c 的电压缓慢上升，在电容c 上的电 压未超过d s p 复位引脚的低电平上限之前，r e s e t 处于低电平，d s p 被复位。当电 源断开或降为零时，由于电容c 上的电压不能突变，使二极管d 导通，使电容c 快 速放电，将r e s e t 下拉至低电平，为下一次上电复位做好准备。 按动按钮s w ，电容c 上的电荷快速释放，重新复位d s p 。 3 目标系统的仿真器连接) t a g j t a g 目标器件通过专用的仿真端口支持仿真。此端口由仿真器直接访问并提 供仿真功能。为了与仿真器可靠通信，在仿真器和j t a g 目标系统之间提供高质量 的信号是极为重要的。当仿真管脚和j t a g 之间的距离大于6 英寸时，那么仿真信 号必须经过缓冲。j t a g 端口和d s p 的连接如图3 - 3 所示。 儿 雏 剖g n d 寺叫”c 型t g n 磁d t 兰l 篡 9 0 9 l e m u l a t o rh e d 腿 1 4 2 “v ，一兽! 图3 - 3j t a g 和d s p 的连接 e m u 0 e m u l t c k t d o t d 【 t m s t n b 2 r r s t f a g _ d e v i c