（电力电子与电力传动专业论文）飞机电刹车开关磁阻机电作动机构研究.pdfVIP

西北工业大学硕士学位论文 目录 a b s t r a c t ac o r cc 伽叩o n e n to fa l l e l c c t r i cb m l 【i n gi i lm o r c e l e c 伍ca i r p l 孤ei sd e s i g n e d ， w h i c hr 印l a c e st h e 仃a d m o n a lh y d r 蛐l i ca c t i l 疵gs 仃u 曲l r e i tb u i l d su pn u m e r i c a l a c t u a t i n gs y s t e mc 咖b i n e dw i l hb r a k i i l gc o n 仃0 1 1 w h o t o t a lb r 越n gp e “b m 柚c e i sm o r ee x c e l l e n tm a nh y d r a u l i cs y s t 锄a 妊n do fr e d u n d a n tm o t o r 锄di t sc o n t r o l s y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nr e l i d b i l i 咄锄dm o t o r se l e c 仃鲫a 印e t i c ，s 仇l c t l l r e 锄d c o n 仃0 1 1 e rs o na n dh a r d w a md e s i g n 盯ee 】( p l 血e di nd e t a i l ，s y s t e i n ss i m u l a t i o ni s a c h i e v e d ，a 1 1 dt h er e 蛳n sa r ea i l a l y z e do nr c l i a b i l i 够 t h ed e v e l 叩m 钮to fa i r p l a n eb r a k i l l gs y s t e l i l t c c h n i q u ei ss u 衄撕z e d 矗r s t l y t h e d e m a n do fh i 曲t c c h i l i q u ea n dh i g l lr e l i a b i l 崎o fb r a k i n gs y s t c mi na l l e l e c t r i c a i r p l 锄et i m ei sa n a l y z e d 也ec h 盯硎s t i co fv a r i o 璐m o t o r sw i n lm e i rc o n t r o l s y s t 锄s 锄dm ed 咖锄do f b r a l 【i n ge l e c 砸c - m e c h a l l i c t l l a t i i l gs y s t e ma r ec o m p a r e d ， a n ds w i t c h e dr e l u c t a l l c e t i l a i i n gs y s t 锄i ss e l c c t e db 勰c d r e l i a b i l 时r e d 岫d 锄c y t h ec o r e c o n l p o n t o fc l c c 俩c m c c h 撕c a c t l l a t i n gs 仇l c n | r e 一一p r i n c i p l ea n d c o n 缸o lm e t h o do f 刚t c h e d 阳l u c t 锄c em o t o r ( s i t m ) i sc 】【p l a i n c di l ld e t a i l s i t m s 五n i t ee 1 咖e n t 锄a l y s i s ，m a 弘e t i cf i e l d 锄dm o t o rs t m c t i l r e d e s i g na r cm a i n l y d i s c 岫s e d s y s t 咖c o m r 0 1 l e ri sb 嬲e do nt m s 3 2 0 f 2 4 0 ，w l l i c hu t i l i z e sd s p i n t e r i l a l r c s o u r c ew “hp 舒p h e r a lc i r c u i t st oi i n p l e m tv e l o c i t ym e a s 诚n g ，c u r r e n tf ee d _ b a c l 【， o v e rc tp r o t e c t ，s e f i e sc 甜啪l | 1 1 i c a t i o n 锄ds oo n ，a n dt h e 曲v e ro f6 4s r mi s b 勰c d0 n 匕1 3 0 c o f l t r o l l i n g 撕m c t i ca d o p t st h r e el o o pc o n 仃0 ls 仃a t c g y ，锄d s y s t e m ss 证m l a t i o i li sa c _ i l i e v e d s y s t 锄ss i m u l a t i o ns h o w st l l a ts y s t 锄h 船c 】【c e l l e i l td y i l a m i cp 幽n i l 锄c e ，c 孤 仃a c k 锄t i c i p a l l tb r a l d i l gf 妇q u i c u ya n dc x a c t l y d e s i g 璐o nm o t o r 丘e l d 柚d s 仃u c t u r e ，c o n 们l l e rm a i l lc i r c u i tc l l r r 锄t u t i n gm o d cd e s i 乳t m s 3 2 0 f 2 4 0l 伽t s y s t 锄a n ds y s t 锄p r o 孕锄c o 璐i d c rs y s t 锄n 咖a l 叩删i o n 硼d c rf a u l tc o n d i t i o n f l l l l ya tl 嬲t ，s y s t e mi sr e l i a b l e ，柚di t sp 晌m a i l c ei se x c e l l 锄t k e y w o r d s ：e l e c 砸cb r a k i n gs y s t 锄 e l e c 仃。一m e c h a i l i c a la c t u a t o f s w i t c h e dr 启l u c t a i l c em o t o rt m s 3 2 0 f 2 4 0 刀r 2 1 3 0 1 1 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北t 业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印什和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 人学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：i ；l i 苎仁一 指导教师签名 多。7 年4 月；日v 。夕年吵月多口 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郊重声明：所呈交的学位论文是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：泓 。一7年午月；日 西北工业大学硕士学位论文第一章概论 1 1 研究背景 第一章概论 随着全电飞机技术的发展、机载供电系统容量的增大，人们愈加注重飞机系 统可靠性及自身的有效重量，传统的液压机构被视为重点的淘汰对象。飞机液压 刹车系统是飞机上具有相对独立功能的子系统，承载着飞机的起飞、着陆、滑行、 转弯的制动和控制。刹车系统的性能好坏直接影响到飞机的升空、安全返航，液 压刹车体积、重量、油路密封是人们长期关注的焦点，全电刹车代替液压刹车已 被提到议事日程。 全电刹车系统相对于传统液压刹车系统具有诸多优点： ( 1 )电作动机构取代液压作动机构，缩小了刹车机构的体积，同时减轻了 飞机的重量。 ( 2 )降低了飞机对油路密封的要求，避免液压油泄漏、燃烧的危险，提 高了安全性。 ( 3 )由于电作动系统容易实现刹车力矩闭环反馈控制，显著改善了防滑 性能，延长轮胎和刹车装置的使用寿命。 ( 4 )系统的模块化和实时检测功能提高刹车系统的故障诊断能力；大大 地减少刹车系统的维护费用和时间，使飞机更易于维修、更具生存 力。 ( 5 )因电刹车系统的刹车作动频率高于液压刹车系统，提高了刹车系统 的防滑性能、刹车效率也高于液压刹车系统。 ( 6 )电作动机构采用冗余技术，使飞机刹车性能更可靠、更安全。 正是由于它具备诸多突出优点，研制全电刹车系统使之取代现有的液压刹车 系统是全电飞机发展的必然趋势。随着电力电子技术及控制技术的发展，电刹车 系统的实现已经成为可能。 当今国外飞机刹车系统制造商都在独立或合作开展全电动刹车系统的研制。 国内对电刹车系统的研究才刚刚起步，制造厂商、研究机构、高校从理论上研究 探讨。本文在原无刷直流全电刹车系统的基础上，提出了开关磁阻全电刹车系统 方案，从电机原理、结构特点、控制器硬件、软件的实现，运用可靠性余度技术， 重点实现故障状态下的刹车系统安全正常运行。课题本身对刹车系统后期样机系 西北工业大学硕士学位论文 第一章概论 统选型、配套装机研究有重要的参考价值。 1 2 全电刹车系统的发展和现状 8 0 年代初期，美国空军与l o r a 】a i r c r a nb r a k i n gs y s t 锄s 公司以a 一1 0 攻击机 为样机，开始进行电刹车研究的合作，研制并成功测试了一台电刹车样件，这是 飞机电刹车系统研制的首次尝试，翻开了电刹车系统研制的历史。期间进行了 m t l 广w 5 0 1 3 安全飞行资格测试、机载滑行测试、转矩控制电路测试、动态测试 及正常减速刹停、转矩测量刹停、防滑刹停、开关响应刹停、能量过载减速、 起飞强制终止等一系列测试，测试结果基本满足设计的性能指标要求。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。在a - 1 0 攻击机的经验基础上，一些关键技术，如系统控制、系统效率、起落架稳定性等 先后被突破。 后来，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 0 1 a n 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 拍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，所有指标均满足或超过设计要求。h o n c y w e l l l a n d i i l gs 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 m a ( e l e c 仃o - m e c h a n i c a la c t u a t o r ) 和p c e ( d o w * c o n 们le l e c t r o i l i c s ) 技术。1 9 9 8 年，d d 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 m a 应用于军用飞 机。 目前，世界五大飞机刹车系统制造商都在独立或合作开展全电动刹车系统的 研制。b o e i n g 公司已经选用全电刹车系统装备b 7 8 7 新型客机，美国和欧洲的 多种无人机( 如x 4 5 c 、全球鹰r q 牾、捕食者、梭鱼等) 业已装备或即将 装备全电刹车系统。 随着我国综合国力的增强，飞机机载设备的更新、电源系统容量的增加，使 国内对全电刹车统的研究升温。飞机机载设备制造商、研究机构、相关高校投入 了相当的人力、物力、资金，进行了方案论证、样机的试制研究，根据目前的发 展势头，可以肯定不久代表国际领先水平的全电刹车系统将会问世，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、 2 西北工业大学硕士学位论文 第一章概论 发展我国的国防事业都具有深远的历史意义。 1 3 主要工作 论文研究了全电刹车机电作动机构及控制器工作机理，分别设计加工出了无 刷直流电动机和开关磁阻电动机，经过首轮系统联调电机获得成功。从可靠性考 虑，对无刷直流电动机和开关磁阻电动机的性能进行了比较，研究了开关磁阻电 动机全电刹车系统，主要包含以下几个部分： 1 系统的原理分析及研究 本文通过对飞机刹车过程的数学模型的分析和研究，理清了刹车系统的工作 原理，进一步为电作动系统电动机及控制器的设计选型奠定了良好的理论基础。 经过系统仿真，为全电刹车控制系统的设计提供理论指导。 2 系统总体方案设计 根据全电刹车技术要求，比较各种电机及其控制系统的优劣势，确定控制系 统总体结构和实现方案。根据参数计算，选取并确定系统的电执行机构。 3 电动机磁场分析、磁路设计、电参数计算校核、耐温绝缘、结构设计、 样机加工、系统联调。包括： ( 1 ) 根据全电刹车系统要求，详细论述了电机电磁设计、结构设计、样机 加工调试的全过程。 ( 2 ) 参考仿真调试结果对电机参数系统硬件进行了反复调整。 ( 3 ) 重点考虑了余度设计技术，电机缺相后保证系统正常工作，电机、控 制器在系统中采用了备份设计。 ( 4 ) 结构上合理地设计了闭环传感器，避免了因刹车瞬时高温对器件的威 胁。 4 抗干扰设计 飞机刹车制动环境条件恶劣，电磁干扰凸现，如何抗干扰，使系统设计的一 大难题。本方案从电机结构、控制器原理布线强弱电分开、高低频隔离、软件程 序过滤等措施拟制干扰源，提高系统可靠性。 西北工业大学硕上学位论文 第一章概论 1 4 论文的安排 第一章论述了飞机全电刹车系统发展现状及国内外形势，发展方向及任务。 第二章介绍了全电刹车系统的结构和工作原理，以及s r 电机的工作原理和 控制方法。 第三章对s r 电机的电磁原理进行了分析，设计了电机，给出了电机数学模 型，并且对其系统进行了仿真。 第四章介绍了控制器的硬件结构，对各部分电路的原理和功能进行详细的分 析和介绍。 第五章详尽介绍了全电刹车控制器的控制算法，并给出了总体框图和部分关 键流程图。 第六章对系统进行了可靠性分析和冗余技术研究，给出了相应措施。 4 西北工业大学硕士学位论文第二章系统工作原理及总体方案 第二章系统工作原理及总体方案 2 1 全电刹车系统的总体结构 2 1 1 系统的整体框架 整个全电刹车系统主要包括刹车机轮、机电作动器、电机驱动器和防滑控制 器等四个主要部分，系统的整体框架示意图如图2 1 所示。 图2 一l 系统整体框架示意图 目标飞机的单个起落架上装有左右一对机轮。整个全电刹车系统采用两层控 制构架，顶层是防滑刹车控制中心，实现对单个起落架上的一对机轮的刹车控制。 其主要工作任务包括实时监测整个全电刹车系统的状态，接收驾驶舱内主副驾驶 由刹车踏板给出刹车信号、机电作动驱动器反馈回的刹车压力信号和受刹机轮转 速信号，并依据基于滑移率的防滑控制算法解算出作动器应施加在刹车盘上的刹 车压力、并将其输出给电机驱动器。电机驱动器驱动刹车机电作动器工作实现刹 车功能。每套电机驱动器驱动单个起落架上一侧机轮上的两台机电作动器动作。 为了提高系统的容错能力和冗余度，每套电机驱动器都设置了相应的备份系统， 而且每个受刹机轮上包含四台机电作动器，两台主份，两台备份。 蓖北工业大学硕士学位论文第二章系统工作原理及总体方案 2 1 2 刹车系统执行机构实体构成 就单组刹车系统而言，主要有如下几个组成部分：机电作动器( e m a ， e 1 e c 仃o m e c h a i l i c a la c t u a t o r ) 、e m a 驱动器、刹车压力传感器、机轮速度传感器、 刹车机架，机电作动器e m a 由电机、减速器和滚珠丝杠等机构构成。 2 1 3 刹车系统运行原理 图2 2 执行机构实体图 全电刹车系统运行原理框图如图2 3 机轮转速信号经安装在受刹机轮上的转速传感器直接送入全电刹车防滑控 制器。刹车压力信号由与机电作动器一体的压力传感器检测，并直接送入电机驱 动器，经整型放大后再送给全电刹车防滑控制器。防滑控制器根据上述两反馈信 号，结合驾驶舱给定的期望刹车力矩信号和相应的给定滑移率，产生相应的机电 作动器输出刹车推力给定信号，作为电机驱动器的输入，驱动电机正向旋转，输 出转矩，经减速器，带动滚珠丝杠向刹车盘施加的轴向推力，通过动、静刹车盘 的相互摩擦，改变了刹车力矩，使得飞机的实际滑移率仃维持在。邮于近，实现 了实际滑移率对期望滑移率的准确跟踪，最终刹停飞机。系统形成以机轮速度和 刹车力矩双层负反馈的闭环控制系统。 6 西北工业大学硕士学位论文第二章系统工作原理及总体方案 结台力矩 图2 3 全电刹车系统运行原理框图 2 2 作动机构部件选型 2 2 1 驱动电机选型 电机是整个系统的执行机构，其性能特点对于能否满足技术指标及实现控制 策略起着关键的作用。伺服驱动电机一般可选择有刷直流电机、无刷直流电机或 永磁同步电机，特别是近几年计算机及控制技术的发展，给电机及系统带来了生 机，早期不被人们看好的开关磁阻电动机驱动系统受到了广泛关注，作为方案选 择的对象。 1 有刷直流电动机 传统的伺服电机选用有刷直流电机，有刷直流电机有控制线路简单、一般使 用条件下可得到较高的转速和转矩精度的优点。缺点是电机上带有机械电刷，电 机在换向过程中，电刷和换向器相对滑动造成的机械磨损、电磁干扰难以克服， 给电机维护带来了很大不便，故不采用有刷直流电机的方案。 2 无刷直流电动机 无刷直流电动机是随着电机控制技术、电力电子技术和微电子技术的发展而 出现的新型电机，它的最大特点是以电子换向线路替代了由换向器和电刷组成的 机械式换向结构，它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便，又具备直 流电机良好的调速特性，因此无刷直流电机的用途更为广泛。 7 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统工作原理及总体方案 3 永磁同步电动机 永磁同步电机的运行是交流电机的原理，电机定子端加入的是三相对称正弦 波交流电，电动机始终以同步速运行，转速不随外部条件，如电压、负载转矩的 波动而受影响。因此只要控制器给出的电压频率的精度足够高，则电机转速的精 度也就能保证。而控制器输出电压频率是由控制驱动器内的晶体振荡器的精度保 证的，晶体振荡器一般具有很高的精度，因而使得系统在稳定运行时不致于频繁 调节，有利于运行的平稳性。 永磁电机的磁场设计上通常有方波和正弦波两种方式，方波用在无刷电机 上，正弦波用在同步电机上。同步正弦波驱动时，三相绕组接入对称三相交流电， 电枢磁场为圆形旋转磁场，方向连续变化，使电机电磁转矩平稳，具有良好的低 速特性。永磁同步运行与无刷直流方式相比的缺点是在负载突变时容易引起失 步。 4 开关磁阻电动机( s r d 1 2 】 s r 电机是s r d 中实现机电能量转换的部件，它的结构和原理与传统的交直 流电机有着很大的差别，定转子均由普通硅钢片迭压而成，转子既无绕组也无永 磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组可串联或并联构成一对磁极， 称为“一相”。s r 电机的转向与电流方向无关，为单向电流。通过简单的控制方 式便可改变电动机的转向、转速和工作状态。s r 电机可以设计成多相结构，且 定子、转子的极数有多种不同的搭配。相数多，步距角小，有利于减小转矩脉动， 但结构复杂，且主开关器件多，成本高。因此电机定、转予的极数应当按使用的 场合合理确定，s r d 系统主要由s r 电机、功率变换器、控制器、和转子位置检 测器四部分组成。s r d 系统具有以下显著特点： 1 ) 电机结构与制造工艺简单、坚固、成本低。转子仅由硅钢片迭压而成，可工 作于极高转速：定子线圈为集中绕组，嵌放线圈容易，端部短而牢固，工作可靠， 能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境； 2 ) 电机的能量损耗主要产生在定子，电机易于冷却，转子无永磁体，可允许 有较高的温升； 3 ) 转矩方向与相电流方向无关，从而可减少功率变换器的开关器件数，降低 系统成本； 西北工业大学硕士学位论文第二章系统工作原理及总体方案 4 ) 功率变换器不会出现直通故障，在功率器件损坏后，既时电机一相不工作， 系统也可正常运行，这是开关磁阻电机在可靠性方面具备的明显优势； 5 ) 启动转矩大，低速性能好，无异步电机起动时所出现的冲击电流； 6 ) 调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩一速度特性； 7 ) 在宽广的转速和功率范围内都具有高效率； 8 ) 能四象限运行，具有良好的再生制动能力。 从表中可以看出s r d 系统的优良性能。 滑差电动机 直流电动异步电动机s r d 调速机调速调速 调速 效率 1 0 0 t 和1 0 0 n7 57 67 78 3 ( )1 0 0 t 和5 0 n3 86 5 6 68 0 价格 o 81 01 51 o 单位体积功率+o 8l o0 9 1 0 可控性 o 3 1 oo 5o 9 控制复杂性o 21 o1 81 2 可靠性及可维修性 1 6 1 oo 91 1 噪声( d b ) 6 9 6 57 47 4 鉴于以上各种突出的特点，s r d 己成为交流电机和直流电机调速系统的有力 竞争者。目前，s r 电机产品已经开始或广泛地应用于电动车驱动系统、家用电 器( 洗衣机、食品加工机械等) 、通用工业( 风机、泵、压缩机等) 、伺服与调速系 统、牵引电机、高转速电机( 用于纺织机、航空发动机、电动工具、离心机传动) 等。由于s r 电机具有良好的调速性能和高速运行特性，故s r d 在航空航天和电 动汽车领域的应用发展较快，非常引人注目。美国在这一领域进行了积极的探索， g e 公司所属部门正在进行s r d 作为机载电机的研究和开发，并已列为美国空军 未来先进控制技术( f a c t s ) 项目中的部分内容。我国近几年也出现了开关磁阻电 机热，国内高校华中理工大学、南京航空学院、西北工业大学都投入了人力资金， 与研究所企业在电动汽车、航空航天机载设备等多项领域进行了全面合作，取得 了可喜的成绩，缩小了和国外技术上的差距。 综上所述，各种电机都存在优势和劣势。本人长期从事稀土电机及控制系统 的研究，对稀土永磁无刷直流调速系统的性能了解较多，理解较深，也是把该系 统应用于全电刹车系统的倡导者和执行者。在研究过程中也发现了美中不足。随 着航空机载电源的发展，对各种配套产品的要求除了具备良好的电器性能，更重 9 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统工作原理及总体方案 要的把可靠性放在了首位，确切地说产品在局部故障状态下能够保障系统正常运 行。这就要求把余度技术引进产品设计之中，对无刷电机运行原理及工艺都很难 保证，特别是运行过程中因缺相造成的电机停转无法避免，这也是本方案选择 s r d 电机驱动系统的根本所在。 2 2 2 减速器选型 减速器种类繁多，但本机构受重量、体积、减速比的限制，优先选择谐波减 速器。相比于行星齿轮、人字齿轮、蜗杆加螺旋齿轮、圆柱齿轮，谐波减速器有 很多优点： 1 ) 谐波减速机构同时啮合的齿数多，承载能力大。 2 ) 转动精度高。由于多齿啮合，一般情况下，谐波齿轮与相同精度的普通齿 轮相比，其运动精度能提高四倍左右。 3 ) 运动平稳，无冲击，噪声小。齿的啮入、啮出是随着柔轮的变形，逐渐进 入和逐渐退出刚轮齿间的，啮合过程中齿面接触，滑移速度小，且无突然变化。 4 ) 齿侧间隙可以调整。谐波齿轮传动在啮合中，柔轮和刚轮齿之间隙主要取决 于波发生器外形的最大尺寸以及两齿轮的齿形尺寸，因此可以使传动的回差很 小，某些情况甚至可以是零侧间隙。 5 ) 传动效率高。与相同速比的其它传动相比，谐波传动由于运动部件数量少， 而且啮合齿面的速度很低，因此效率很高，随速比的不同( u = 6 0 一2 5 0 ) ，效率约 在6 5 9 6 左右( 谐波复波传动效率较低) ，齿面的磨损很小。 对于全电刹车系统要求承载能力传递功率大( 3 0 0 w ) 、运动平稳、齿侧间隙小、 传动效率高，谐波传动机构正是最佳选择。 2 2 3 滚珠丝杠选型 2 2 3 1 滚珠丝杠的特点： 滚珠丝杠副作为回转与直线运动转换的形式深受人们青睐，以至于国内数家 专业厂从事与该产品的生产。由于滚珠丝杠一改普通丝杠副滑动摩擦、传动效率 低的弊病( 效率值为0 3 加4 ) ，具有高效率、高精度的特点，并具有优越的高速特 性和耐磨损性及运动的可逆性。滚珠丝杠是在丝杠和螺母之间安放滚珠，使丝杠 和螺母之间的相对运动由滑动变成滚动，传动效率达到9 0 。由于滚珠丝杠和螺 母的螺纹滚道与钢珠之间的运动是滚动摩擦，摩擦系数为o 0 0 2 加0 0 5 ，为滑动 1 0 西北工业大学硕士学位论文第二章系统工作原理及总体方案 摩擦系数的2 左右。即将滑动变为滚动，将摩擦损失降到了最低，传动效率提 高到9 0 以上，为滑动丝杠的2 4 倍，并且可以节约动力l 2 3 ，4 。这些特点， 对于提高机电作动机构e m a 的传动效率、动态性能是有非常大作用的。 对于全电刹车系统，滚珠丝杠一个非常重要的特性是运动的可逆性。它的摩 擦力矩很小，逆传动效率很高，没有自锁效应，从而使其运动成为可逆的。它不 仅可以将回转运动转变成直线运动，还能够直线运动转换为回转运动。也就是说 推动螺母，可以使滚珠丝杠回转，或者推动滚珠丝杠可以使螺母回转。这就是滚 珠丝杆副运动的可逆性。 滚珠丝杠的运动可逆性是机电作动架双余度设计的基础。如果使用普通丝 杠，在机轮被机电作动机构刹死的情况下将无法实现松刹，这将出现严重的拖胎 爆胎事故，危及飞机安全。使用滚珠丝杠，系统判断出电机故障后，切断电机电 源，丝杠能自动弹回，防滑刹车控制任务将安全地切入备用全电刹车系统。 2 2 3 2 滚珠丝杠的规格型号： 滚珠丝杠一般的设计方法是按其载荷性质( 主要是动载荷) 来选型。下面首 先根据刹车系统的特殊要求来分析滚珠丝杠的载荷性质。 若考虑滚珠丝杠运转过程中的冲击振动和硬度变化对其寿命的影响，其计算 额定动载荷c 4 ，应按下式计算 c 。= 警k h f 式中瓦寿命系数，瓦= ( 嘉“3 ，厶为以小时计的工作寿命，设滚 珠丝杠每次起落工作2 分钟，1 5 0 0 次起落，则厶= 5 0 小时。 = ( m o 4 6 4 2 。 k 转速系数，瓦：( 茎堕) 们，刀为转速，单位r i i l i i l 。考虑 到滚珠丝杠前面有多级齿轮减速，假设减速比为4 0 ，取 以= 6 0 0 0 4 0 = 1 5 0 。 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统工作原理及总体方案 眠= ( 鬻) 1 ，3 _ 0 6 0 5 5 。 砟载荷性质系数，考虑到刹车中存在冲击，取巧= 1 5 。 讳动载荷硬度影响系数，取翰= 1 1 1 。 f 轴向工作载荷，n ， f = 8 5 0 0 。 综上 c 目= 警k f k h f ：坐丝x 1 5 1 1 l 8 5 0 0= x 1 ) 1 1 i 百) u u 0 6 0 5 5 = 1 0 8 4 9 n 选择汉江机床厂滚珠丝杠分厂的内循环型滚珠丝杠( 与外循环型相比内循环 型滚珠丝杠的尺寸更紧凑) ，具体型号为f n 2 0 0 5 - 4 。 2 2 4 刹车控制器方案确定 数字化刹车控制器是全电刹车控制系统的核心。由于每个受刹机轮需要两台 工作的作动器和两台热备份的作动器，数据处理量大，必须采用高性能的处理器 作为核心处理器。t i 公司开发的电机专用数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 4 0 采用六 总线的结构，四级流水线操作，工作在2 0 m h z 时单周期指令执行时间为5 0 n s ， 具有3 2 位的中央算术逻辑单元，强大的运算能力使它可以实现各种复杂的控制 算法。该处理器有军品件，适合在航空航天的应用。同时，它集成的大量片内外 设大大简化硬件电路，提高系统可靠性： 1 三个独立的通用定时器，使用其中两个作两台电机的p w m 斩波使用，一 个作为捕获单元的时基使用。 2 四个捕获单元，结合外部信号整形电路，可以方便地处理飞机速度和机轮 速度传感器发出的正弦频率信号。 3 两个独立的a d 转换单元，可以同时对两台电机的电流进行采样。 此外，片内还有s c i 串行通信模块、s p i 串行外设接口模块等。 系统为双余度结构，两台机电作动机构工作，两台机电作动机构热备份，一 旦工作的两台机电作动机构出现故障，则切断其工作电源，滚珠丝杠自动回退， 同时，切换入备份系统，备份系统的两台机电作动机构工作。两台工作机电作动 机构和两台备份机电作动机构分别由两套控制器控制。控制器结构完全相同，切 西北工业大学硕士学位论文第二章系统工作原理及总体方案 换指令由上位机发出。 本论文只针对1 2 系统进行介绍，即针对两台机电作动机构的控制系统。l 2 系统控制器包括信号调理电路、d s p 外围电路、逻辑信号处理电路、功率驱动电 路等。 西北工业大学硕士学位论文第三章开关磁阻电动机的设计研究 第三章开关磁阻电动机的设计研究 开关型磁阻电动机调速系统( s w i t c h e dr d u c t a l l c ed r i v e ，简称s r d ) 是8 0 年 代中期发展起来的新型交流调速系统，它融新的电动机结构开关型磁阻电动 机( s w i t c h c dr e l u c t a l l c em o t o r ，简称s r 电动机) 与现代电力电子技术、控制技术 为体，兼有异步变频调速系统和直流电动机调速系统的优点，已成为当代电气 传动的热门课题。本章将重点研究s r d 的原理、结构、设计。 3 1 开关磁阻电机的原理及结构【1 】 s r 电动机系双凸极可变磁阻电动机。其定转子的凸极均由普通硅钢片迭压 而成。转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组 串联构成一个两极磁极，称为“一相”。s r 电动机可以设计成多种不同相数的结 构，且定、转子的极数有多种不同的搭配，低于三相的s r 电动机没有自启动能 力。对于有白启动、四象限运行要求的驱动场合，应优选表中1 1 所示的定、转 子极数组合方案。s r 电机相数多时，步距角就小，有利于减少转矩脉动，但结 构复杂，主开关器件多，成本高。本方案选三相结构( 6 4 极) 。 相数 3456789 定子极数n s 6 8 1 01 21 41 61 8 转子极数n r 4 6 8 1 01 21 4 1 6 步进角 3 0 。1 5 。9 。6 4 2 8 3 2 r2 5 表3 1 常见定、转子极数组合方案 图3 1 为三相( 6 4 极) s r 电动机结构原理图。为了简单，图中只画出a 相绕组及 其供电电路。s r 电动机的运行原理遵循“磁阻最小原理”一一磁通总要沿着磁 阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己 的主轴线与磁场的轴线重合。图3 1 中，定子a a 极励磁时，所产生的磁力力 1 4 西北工业大学硕士学位论文 第三章开关磁阻电动机的设计研究 图使转子旋转到转子极轴线a - a 与定子极轴线a 吐重合的位置，并使a 相绕 组的电感最大。若以图3 1 三相6 4 极s r 电机典型结构原理图( 只画出一相) 图3 1 三相6 4 极s r 电机典型结构原理图( 只画出一相) 中定转子所处的相对位置作为起始位置，则依次给4 寸占专c 相绕组通电，转 子则会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转：反之，若依次给c 一口号彳相通 电，则电动机会沿顺时针方向转动。可见s r 电动机的转向与相绕组的电流方向 无关，而仅取决于相绕组通电的顺序。 在多相电机实际运行时，常出现两相或两相以上绕组同时导通的情况。另外， 图3 1 可看出，当主开关器件s 1 ，s 2 导通时，a 相绕组从直流电源u 吸收电能， 而当s 1 ，s 2 关断时，绕组电流经续流二极管v d l ，v d 2 继续流通，并回馈给电源 u 。因此，s r 电动机传动的共性特点是具有再生作用，系统效率高。 3 2 开关磁阻电机调速系统简介【。】 s r d 系统主要由s r 电机、功率变换器、控制器、和转子位置检测器四部分组 成。结构原理图如图3 2 所示。 西北工业大学硕士学位论文 第三章开关磁阻电动机的设计研究 图3 2s r d 系统结构原理图 3 2 1 开关磁阻电动机( s r ) s r 电机是s r d 中实现机电能量转换的部件，它的结构和原理与传统的交直 流电机有着很大的差别，图3 3 为本方案三相6 4 极s r 样机定、转子实物图， 定转子均由普通硅钢片迭压而成，转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中 绕组。 径向相对的两个绕组可串联或并联构成一对磁极，称为“一相”。 s i 系统主要由s r 电机、功率变换器、控制器、和转子位置检测器四部分组成。 结构原理图如图- 3 。2 所示，s r 电机的转向与电流方向无关，为单向电流。通过简 单的控制方式便可改变电动机的转向、转速和工作状态。s r 电机可以设计成多 相结构，且定子、转子的极数有多种不同的搭配。相数多，步距角小，有利于减 小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高。因此电机定、转子的极数 应当按使用的场合合理确定。s r 电机的设计方法和性能分析发展较快，磁场的 分析由线性方法发展到非线性方法，其中二维非线性有限元法比较成熟，有利于 电机的设计和电磁转矩的分析与计算。 西北工业大学硕士学位论文 第三章开关磁阻电动机的设计研究 图3 3 三相6 4 极s r 电机定、转子实物图 3 2 2 功率变换器 功率变换器是s r 电机运行时所需能量的提供者，由蓄电池或交流电整流后 得到的直流电供电。由于s r 绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路不仅 结构较简单，而且相绕组与主开关器件是串联的，因而可以避免直接短路故障。 在整个s i m 成本中，功率变换器占有很大的比重，s r d 的功率变换器主电路的 结构形式与供电电压、电动机相数及主开关器件的种类等有关，合理选择和设计 功率变换器是提高s r d 的性能价格比的关键因素之一。 功率变换器主电路形式的选取对s r 电机的设计也直接产生影响，应根据具 体性能、使用场所等方面综合考虑，找出最佳方案。功率变换器的器件选择由 s c r ，g 像，g 1 o 发展到现在的m o s f e t ( 场效应晶体管) 和i g b t ( 绝缘栅双极晶体 管1 ，拓扑结构形式也日趋多样化，主要有：双绕组型、双极性电源型、能量回 收型和基于主开关器件数量为最少型等。图3 4 是其中的一种不对称半桥三相功 率电路与电机的三相绕组a ，b ，c 的连接图。 西北工业大学硕士学位论文 第三章开关磁阻电动机的设计研究 图3 4 功率电路与s r 电机的三相绕组连接图 直流电源供电。6 个功率开关管和续流二极管组成逆变电路。该电路采用的 是单相通电方式，直流电源经某一相的两个功率开关同时导通激励相应的电动机 绕组，当任意一功率开关管关断时，该相绕组通过续流二极管续流和回馈能量。 3 2 3 控制器 控制器是s r d 系统的中枢，它综合处理速度指令、速度反馈信号及电流传 感器、位置传感器的反馈信息，控制功率变换器中的主开关器件的工作状态，实 现对s r 电机运行状态的控制。早期的s r d 系统控制器是由模拟电路和数字电 路共同完成的，其缺点是所用元件数量大、结构复杂、成本高、可靠性差、控制 不灵活。随着高性能的微处理器的闯世和普及，s i 控制器的结构也愈加紧凑， 控制方式更加灵活、可靠。从控制器的组成方式来看，其发展经历了集成电路、 8 位单片机、1 6 位单片机和d s p 四个阶段。控制策略亦从简单的p i 速度调节器、 电流斩波控制发展到全数字智能控制和转矩脉动抑制等。 3 2 4 转子位置传感器 转子位置传感器向控制器提供转子位置和电机速度等信号，使控制器能正确 地决定定子绕组的导通和关断时刻，根据电机的转速，采用不同的控制策略，控 制电机的运行。通常转子位置检测采用光电器件、霍耳元件或电磁线圈法进行位 置检测。由于有位置传感器检测方案中存在的不少缺点，采用无位置传感器的位 置检测方法是s r d 的重要发展方向之一。 西北工业大学硕士学位论文第三章开关磁阻电动机的设计研究 3 3 开关磁阻电动机计算与设计 3 3 1 额定数据确定 参照无刷直流电动机方案，额定数据确定如下： 额定功率： 2 0 0 w 最大功率； 3 0 0 w 额定电压： 2 8 v 额定转速：6 0 0 0 r m i n 绝缘等级： c 运行方式：长期，3 0 0 w 短时 3 3 2 结构及尺寸 1 。结构图： 图3 5 磁路结构图 1 9 西北工业大学硕士学位论文第三章开关磁阻电动机的设计研究 2 结构尺寸 参数尺寸参数尺寸 4 23 0 定子外径d j ，i m 转子极弧厉( 。) 2 5 84 6 6 转子外径见n h l l定子轭高蚝h m 6 04 6 8 铁心叠长，4 m转子轭高k ，m 。 气隙咖 o 39 轴径b ，m 。 3 5 89 第二气隙毋，m ”定子槽深t ，n m 3 2 每相绕组匝数 4 4 定子极弧屈( 。) 表2 1 电机尺寸汇总 3 3 3 磁场有限元分析【4 l 虽然s r 电机结构比较简单，其电磁关系却很复杂。s r 电机不可能像传统 的交直流电机一样，用一条磁化曲线来分析电机性能，必须计算出一组不同转子 位置的磁化曲线族，求取电磁转矩、性能计算的准确性取决于曲线族的准确性。 磁场有限元法( f e m ) 是求取磁化曲线最有效的办法，本文应用a n s o f t 工程 软件进行分析计算。 对s r 电机磁化曲线，大量有限元计算和实际测量的结果表明，磁化曲线族 中，有四个转子位置下的磁化曲线是至关重要的。一旦精确获得这四个转子位置 下的磁化曲线，则可迅速而准确地拟和出其他转子位置下的磁化曲线，计算s r 电机的各种性能。 这四个转予位置分别是： ( 1 ) 转子极中心线与励磁极中心线重合位置见 ( 2 ) 转子极前沿与励磁极中心线重合位置 ( 3 ) 转子极前沿与励磁极前沿重合位置儡 ( 4 ) 转子极问中心线与励磁极中心线重合位置见 1 单相励磁 西北工业大学硕士学位论文 第三章开关磁阻电动机的设计研究 在给定条件为厶= 5 a l = l = 0 时，可以得到电机静态磁场的各种曲线分 布，图3 6 图3 9 分别为开关磁阻电机在b 相通电情况下不同转子位置下的电 机磁力线图和磁密分布图。 由图可以看出：位置下，绝大部分磁通比较均匀地经定子励磁极，和转子 铁芯而闭合，可等效简单的两极磁路模型。位置由于磁路局部饱和及磁分流 的存在，定、转子磁极的部分重叠，是磁极中的磁场分布不均匀，愈接近磁极表 面局部饱和程度愈高，等效于磁极截面减小量愈多。位置磁场分布不对称于励 磁极，并存在定子极尖的局部饱和。位置磁场对称于励磁极，由于气隙很大、 铁芯不饱和，磁化曲线实际为一条直线。 图3 - 6 转子极中心线与励磁极中心线重合位置吃 图3 7 转子极前沿与励磁极中心线重合位置 2 1 西北工业大学硕士学位论文 第三章开关磁阻电动机的设计研究 图3 8 转子极前沿与励磁极前沿重合位置q 图3 9 转子极间中心线与励磁极中心线重合位置见 2 两相励磁 s r 电机稳态运行时，基本上是两相或两相以上绕组同时励磁状况。此时磁场 分布与一相绕组励磁时是不同的。图3 9 为b 、c 两相同时励磁的磁力线分布图。 从图中可以看出，虽然两相电流同时励磁时对电机磁场分布有一定的影响，但就 定、转子轭部的饱和程度而言，影响不大。因此在电机的磁场复算过程中，以一 相绕组励磁情况进行计算是可行的。 西北工业大学硕士学位论文第三章开关磁阻电动机的设计研究 3 结果分析 图3 1 0两相同时励磁 绕组电流5 a 时铁心各部位磁通密度( t ) 定子极尖定子极身定子轭部转子极尖 转子极身定子轭部 口。 1 1 5 1 1 01 2 8 o 9 71 2 1 1 2 70 9 1 o 9 4 0 9 00 7 60 6 31 1 2o 6 7o 3 6 q0 7 0 ，0 6 7o 4 50 2 50 6 7 0 2 3o 3 9 见0 3 5 0 3 00 2 3o 1 8o 1 3o 1 1o 1 0 由以上各位置的磁场分布图及表中数据可以看出，随着转子位置的变化，铁 心极身和轭部的饱和程度明显增加，最大磁通度1 2 7 t ，在定转子磁极临界重合 处，除极尖部位外，铁心其它部分不饱和。 3 3 4s r 电机的磁通波形分析例 要分析电机的铁心损耗，必须了解铁心