（电力电子与电力传动专业论文）飞机全电防滑刹车控制器设计.pdf

a b s t r a c t a e r o c r a f le 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 ni m p o r t a n tp a r to fm u l t i - e l e c t r i c a e r o c r a f t ，i nw h i c hb r a k i n gc o n t r o l l e ri st h em o s ti m p o r t a n tp a r t t 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 ri sr e p l a c e db yt h ed i g i t a lc o n t r o l l e ra n dt h eh y d r a u l i ca c t u a t o ri s r e p l a c e db yt h ee l e c t r o m e c h a n i c a la c t u a t o lw h i c hi m p r o v e st h ea e r o c r a f tb r a k i n g e f f i c i e n c ya n dp e r f o r m a n c eg r e a t l y a c c o r d i n gt ot h ea e r o c r a f le l e c t r i ca n t i - s k i d b r a k i n gs y s t e m sp r o j e c tr e q u e s t ，ap r a c t i c a la e r o c r a f le l e c t r i ca n t i s k i db r a k i n g c o n t r o l l e ri s d e s i g n e d ，t h ed e s i g no ft h ec o n t r o l l e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i s i n t r o d u c e di nd e t a i la n dt h ec o n t r o ls t r a g e t yi ss t u d i e di nd e p t h s l i pr a t i oc o n t r o lv a r i a b l ei ss t u d i e d t h ep a p e ra n a l y s e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n s l i p r a t i oa n da t t a c h m e n tc o e f f i c i e n ti n d e t a i l ，a e r o c r a f lw h e e l sf o r c ea n dt h e a n t i s k i db r a k i n gp r i n c i p l e t h eb r a k i n gc o n t r o l l e ri sc o m p o s e do ft h ea n t i s k i d c o n t r o l l e ra n dt h em o t o rd r i v ec o n t r o l l e r t h et w or e d u n d a n c ya c t u a t o ri sp u tf o r w a r d w h i c hi st h es t r u c t u r eo ff o u rb r u s h l e s sd cm o t o r sd r i v i n gf o u rb a l ls c r e w s t h e s t r u c t u r eo fa c t u a t o lc r o s s s e c t i o n a lv i e wa n dt r i p l e g e a r e dd r i v ee q u i p m e n ti s i n t r o d u c e d ，a n dt h es t r u c t u r ea n dc o n t r o lp r i n c i p l eo fp e r m a n e n t - m a g n e tb r u s h l e s s d cm o t o ri sa n a l y s e d i nh a r d w a r ed e s i g n i n g ，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2a n di t sp e r i p h e r a l c i r c u i tm a k eu pt h ev e l o c i t yc a p t u r i n gc i r c u i t a n t i s k i dc o n t r o l l e rc o n t r o l ss l i pr a t i o e r r o ra n de x p o r t sb r a k i n gp r e s s u r es i g n a l i nt h em o t o rd r i v ec o n t r o l l e r , c u r r e n t s a m p l i n gc i r c u i t ，o v e r c u r r e n tp r o t e c t i n gc i r c u i t ，p r e s s u r ea d j u s t i n gc i r e n i ta n ds i g n a l i n s u l a t i n gc i r c u i ta r em a d eu po ft m s 3 2 0 f 2 8 1 2a n di t sp e r i p h e r a lc i r c u i t c p l d ( e p m 7 1 2 8 a e ) i se m p l o y e dt od e a lw i t ht h eb r u s h l e s sd cm o t o r sr o t o rp o s t i o n s i g n a li no r d e rt or e a l i z ec o m m u t a t i o n t h r e e - p h a s ef u l lb r i d g ei n v e r t i n gc i r c u i ti s c o m p o s e do fg a t ed r i v e ni ci r 2 1 3 0a n di t sp e r i p h e r a lc i r c u i tt od r i v eb r u s h l e s sd c m o t o ei ns o f t w a r ed e s i g n i n g ，cl a n g u a g ea n da s s e m b l yl a n g u a g et o g e t h e ri sa d o p t e d t oc o n t r o ls y s t e m t h et h r e ec l o s e dl o o ps t r a t e g yw i t hs l i pr a t i ol o o pa st h eo u t e ro n e ， p r e s s u r el o o p a st h em i d d l eo n ea n dc u r r e n t l o o pa st h ei n n e ro n ei s u s e d c o n v e n t i o n a lp i di ss t i l lu s e dt oa d j u s te r r o ri nc o n t r o la l g o r i t h ma n di si m p r o v e d t h es t r a t e g yo ft h ef u z z yc o n t r o la d j u s t i n gp i di sp u tf o r w a r d t h em o d e lo ft h e c o n v e r f i o n a lp i dc o n t r o la n dt h e f u z z yc o n t r o la r eb a s e d a c c o r d i n gt o t h e s i m u l a t i o nc u r v e ，s y s t e mr e s p o n s es p e e di sq u i c k e n ，o v e rr e g u l a t i o nm e a s u r e m e n ti s i i 蓼e a i l yt e d u c e d ，t r a n s i t i o n a lt i m ei ss h o r t e n , b r a k i n g d i s t a n c ei ss h o r t e n ，s t a b i l i t yi 8 s 咖g e rb yc o m p a r i n gf u z z y c o n t r o la d j u s t i n gp i ds t r a t e g yw i t hc 。“v “i 。n a lp d _ 硼l e nt h ei n t e r f b r e n c ei si m p o n e di nt h ep r e s s u r es i g n a lo f t h es y s t e m ，f u z z yc o n t r o l a d j u s t i n gp i ds t r a t e g yh a ss t r o n g e ra n t i i n t e r f e r e n c e p e r f o r m a n c e 眦dm 鳅8t h e c o n t r o lr e q u e s to f t h es y s t e mc o m p l e t e l y k e y w 。r d ：a e r o c r a f t 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 i t i ，e l e c t r i c m e 。h m i c 8 l a c t u a t o r ，b r u s h l e s sd cm o t o r ，s l i pr a t i o ，f u z z y c o n t r o l i 西北工业大学 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 期问论文工作的知识产权单位属于匿北工业大学。学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版。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，可以采片i 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t 业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： i ：二! ! 丑指导教师签名：j 丕垂垄奔 加7 年矽月2 -日1 年年月2 ，白 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，本人郑重声明：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，不包含本人或他人已申请学位或其它 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 以明确方式标明。 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。 学位论文作者签名袭竭 ，伽1 年幸月z 日 些j e 、业太堂缝堂僮途塞箜= 童绪迨 1 1 课题研究背景 第一章绪论 飞机刹车系统是飞机系统上具有相对独立功能的子系统，其作用是承受飞 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、滑行和转弯的制动与控制。其性能的好坏直接影响到飞机的快速反应、 安全返航、升空和生存能力，进而影响飞机的整体性能。 对于军用飞机，很可能要在恶劣的条件下起飞、着陆，例如机场周围有比 较大的侧风，跑道积水较深，跑道上有冰雪覆盖，这些都对飞机防滑刹车系统 提出了更高的要求。因此，要求飞机防滑刹车系统保证飞机短时间内在各种条 件下的跑道上能够安全着陆的难度相当大。飞机在各种原因下的起飞、迫降或 正常着陆过程中，飞机要频繁地使用刹车装置。因此防滑刹车系统是飞机重要 的机载设备，对飞机的起飞和安全着陆起着重要的作用，刹车系统性能的好坏 直接影响到飞机及机载人员的安全。 随着航空工业的发展，多电飞机系统将开始在军用飞机和商务飞机设计中 得到广泛应用，也是未来飞机的一个发展方向。飞机全电刹车系统就是其中一 个非常重要的子系统。飞机的刹车系统一直使用液压装置，从机械防滑刹车系 统、电子防滑刹车系统到数字防滑刹车系统，刹车效率不断提高。但面对进一 步提高系统的安全性、可靠性及可维护性的要求，对液压刹车系统而言，目前 有着难于逾越的障碍。全电刹车系统的出现为解决这些问题开辟了一个新领 域，它彻底改变了液压刹车的操纵形式，实现了电子控制全电刹车的新模式。 近几卜年来，在飞机全电刹车系统的研究与使用上，美国一直处于领先地 位，到9 0 年代初已在研制第三代全电刹车系统。我国在飞机全电刹车系统的研 究上起步较晚，发展比较缓慢，与国外同类行业相比，处于相对落后的地位。 因此，加紧研究全电刹车系统的核心技术，对加快实现我国多电飞机计划、提 高飞机的整体性能和缩短与国际间的距离都具有十分重要的意义。目前，我国 已将飞机全电刹车系统的研究开发工作列为我国多电飞机计划的一个重要部 分。事实上，飞机全电刹车系统是下一代刹车系统发展的趋势。这标志着飞机 的机轮刹车系统在成功采用液压传动控制技术后向功率电传作动技术的方向迈 进。 耍b 剑! 太堂亟堂焦论塞簋二二童绪论 1 2 飞机全电刹车系统的发展历史和现状 在飞机刹车系统的研制上，美国一直处于领先地位。1 9 8 2 年，美国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 在一架a l o 攻击机上成功地完成了全电刹车系统 ( e l e c t r i cb r a k es y s t e m ，e b s ) 的实验室测试，翻开了全电刹车系统研制的 第一页。在这期间进行了m t l w 一5 0 1 3 安全飞行资格狈j 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。但是在进行机载滑行测试时，出现了一种强烈而持续的起落 架前后晃动的不稳定现象，这称之为“起落架行走”。分析其产生原因是由于刹 车转矩频率与起落架的自然频率太过接近造成的，随之进行的动态测试表明， 控制刹车转矩的使用频率可解决此问题。 1 9 9 8 年，机电作动器e m a ( e l e c t r o m e e h a n i c a ia c t u a t o r ) 硬件与f - 1 5 e 碳碳刹车结合，已成功通过了实验室硬件和动态测试仪测试。美国古德里奇公 司与美国空军合作，在爱德华空军基地成功试飞了第一架装电刹车的卜1 6 c 飞 机。试飞前，对相关系统进行了一系列建模、仿真和测试，包括正常能量刹停、 防滑刹停、局部过载刹停、降级运行、循环刹停等，测试结果显示电刹车系统 性能优越，所有指标均满足或超过设计要求。这架试飞的f 一1 6 c 战斗机的电刹 车系统由机电作动器和刹车装置组成。机电作动器包括四台永磁无刷直流电动 机，每台电动机驱动一个滚珠丝杆以压紧刹车装置。由于采用高性能的直流无 刷电动机和低惯性元件，机电作动器的响应频率为2 0 3 0 h z ，是液压作动器的 2 3 倍。电刹车系统功率5 0 0 瓦。2 0 0 0 年公布e ) i a 应用于军用飞机，正实施商 用飞机应用计划。 此外，英国和法国也在积极研究飞机全电刹车系统。相比之下，我国对飞 机全电刹车的研究才刚刚起步，与发达国家差距比较大。目前，国内普遍使用 电子防滑液压刹车系统，由于使用模拟器件组成的模拟电路，维护复杂、器件 易老化、可靠性差等。因此，必须对刹车控制器进行数字化改造。数字式全电 防滑刹车系统除了具有一般模拟式电子防滑刹车系统的优点之外。还具有响应 快、可实现复杂的控制律、工作平稳、自适应性强、重新开发成本低和使用维 护方便等优点。同时，国内在仿真环境下对飞机全电刹车系统做了大量工作， 针对某型号的飞机建立了飞机模型，研究了基于滑移率的控制算法。在飞机全 电刹车系统仿真中，研究了模糊控制和神经网络控制算法，仿真出了飞机刹车 曲线。这些为以后的飞机全电刹车系统研制打下了很好的基础。飞机全电防滑 刹车系统在航空技术开发研制期间，本项目已经在惯性台上做过惯性验证性试 验。试验表明，本项目方案可行，控制效果达到了预期要求。现在此项目在原 西j 些走生亟堂焦论塞箍= 童绪论 来研究的基础上，进行工程化改进。 1 3 飞机刹车系统控制律研究现状 对于复杂的非线性系统，控制律的选择是至关重要的，关系到系统整体运 行性能的优劣。全电刹车系统刹车最终控制的是无刷直流电机，要使效率达到 最优，就需要根据全电刹车的特点，改进传统控制方法以满足更高的性能要求。 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 工作时，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次优，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 ki 。这种系统的控制量是机轮的减 速度，通过减速度的大小控s t j 弟j 车装置运作。由于系统的给压或放压为开关式， 刹车效率低，工作不平稳，起落架受力状况差。 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m a r ki 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。m a r ki 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刹车机轮线速度的差值，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 ki 、m a r ki v 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飞机的滑移率，即控制滑移速度与飞机速 度的比率。在诸多外界因素中，滑移率对结合系数的影响最大。系统尽力把滑 移率控制在与结合系数最大值对应的滑移率附近，使系统刹车效率最高。计算 滑移率的飞机速度通常用自由滚动前轮的速度代替。这种系统不带压力偏调， 预先设定期望的滑移率，与实际计算的滑移率比较，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。 酉i e 工业苤堂亟堂焦监塞 筮二童绪论 1 4 课题研究的意义 飞机全电防滑刹车系统与传统液压刹车系统相比，有许多液压刹车系统无 法比拟的优点： 1 飞机重量大大减轻。以f - 1 6 c 为例，虽然其机电作动器的重量比充满液 体的液压作动器重5 千克左右，但由于取消了液压管路和设备，就整个系统而 言，总体重量反而减轻。对采用两个主起落架的战斗机来讲可减轻2 5 5 0 千克， 对带有8 个主机轮的运输机来讲，初步估计可减轻1 5 0 千克之多。 2 全电刹车装置代替液压装置，可减少潜在的燃烧危险，不存在液压泄漏 问题，无污染，同时，整个系统的液体燃料使用量减少，可大大降低成本。 3 全电刹车装置可提供元器件的故障诊断，具有内置测试和故障隔离能力， 易于故障识别和隔离。飞机更易于维修，降低了整个系统的维修需求，减少了 维护费用。 4 采用全电刹车装置，系统的冗余度增大，可靠性高于液压刹车系统。 5 全电刹车使用压力反馈控制，刹车的控制效果好，动态性能更好。通过 防滑刹车实验验证，刹车效率大大提高。 6 全电刹车装置结构简单，刹车效率高，可增加轮胎和刹车机架的使用寿 命。 由以上分析知，全电刹车系统的许多优点是传统液压刹车所不具备的。因 此在我国发展研制全电刹车系统，可为我国新型飞机的发展提供技术支撑，使 我国机轮刹车系统的发展上一个台阶，实现新的历史飞跃；对提高飞机机动性 及作战能力将会产生巨大的影响；对促进我国多电飞机计划的发展，具有深远 的现实意义和重大的历史意义。 1 5 课题研究的主要工作 国内对飞机全电刹车系统研究的成果包括：建立飞机模型、控制律的研究、 滑移率与结合系数的研究、在飞机模型的基础上针对不同的控制律得到的仿真 曲线、在惯性台上做惯性试验的试验数据等。在已经取得研究成果的基础上， 针对飞机刹车系统工程化要求，理论分析了整个飞机刹车的全过程及其工作原 理，确定了适合应用于飞机的新的总体方案，设计了飞机全屯防滑刹车控制器 的硬件和软件，研究了适合于飞机刹车的控制律。主要工作包含以下几个部分： 1 系统总体方案设计 分析了飞机刹车过程的原理，研究了滑移率与结合系数的关系，论证飞机 全屯刹车系统采用滑移率控制的优点。根据工程化要求，设计出双余度的机电 4 酉j e 王些盔堂亟堂僮j 金塞 簋二童绪论 作动器，介绍三级齿轮传动装置。系统还确定了刹车控制器的总体结构方案， 采用了三闭环控制策略，分析了无刷直流电机的工作原理和性能 2 硬件电路设计、调试与改进 在原来设计的以t m s 3 2 0 f 2 4 0 为c p u 的硬件电路基础上，新的刹车控制器对 硬件电路进行了改进。刹车控制器分为防滑控制器和电机驱动控制器，硬件设 计完成了飞机速度和机轮速度的捕获电路设计以及电机驱动控制器的设计。其 中电机驱动控制器硬件包括电流反馈信号的硬件滤波、隔离、放大等调理电路， 对电流反馈电路进行了多次调试和修改，完成过流保护电路的测试和压力反馈 调理电路的调试。对电机进行了空载、堵转、正反转、不同电流大小等情况的 测试。硬件主要改进是以速度更快的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 替换t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，用c p l d ( e p m 7 1 2 8 ) 替换原来的2 片6 a l l 6 v 8 d ，采用数字信号隔离芯片i s 0 7 2 2 。 3 软件设计 系统采用的是三闭环控制策略，设计了以滑移率为控制对象的外环程序流 程、压力调节环的程序流程和电流调节环的程序流程。还有中断程序和速度捕 获程序的流程。由于电流信号和压力信号受到外界的干扰很大，因此在软件中 还设置的软件平均值滤波，以后可以改进此软件滤波的方法。 4 控制律研究 系统在其它学者研究的飞机模型基础上，将模糊控制调节p i d 参数的方法 与常规p i d 进行了比较，并应用在飞机全电刹车系统的模型上，对模糊控制进 行了分析，反复调节p i d 参数和模糊控制的数值范围，比较输出曲线的效果， 最后得到仿真曲线。 1 6 论文的安排 第二章介绍了飞机全电刹车系统的工作原理、总体结构和控制结构，以及 无刷直流电机的工作原理和控制方法，确定了系统的总体方案。 第三章介绍了硬件电路设计及其结构，对各个部分电路的原理和功能进行 详细的分析。 第四章介绍了系统软件总体设计框图和各个调节环的流程图。 第五章介绍了模糊控制的原理，对常规p i d 和模糊控制调节p i d 参数两种 方法进行了比较，最后应用在飞机模型中，并且对两种控制方法进行了仿真。 第六章对课题研究过程中遇到的问题进行了分析和总结以及在以后的工作 中应该注意的问题，并对此课题作出了展望。 第二章系统的工作原理和总体方案设计 2 1 滑移率防滑控制原理 目前，国内外飞机上已装备的飞机防滑刹车系统的控制方式中比较先进的 有两种控制方式：滑移速度控制式和滑移率控制式。 滑移速度控制式防滑刹车系统具有压力偏调功能，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刹车机轮线速度的差值，系统用参考速度 代替飞机速度计算滑移速度，得出准滑移速度。偏压控制是指该系统能根据不 同的跑道状态和打滑特性产生一个相对稳定的输出分量，从而把刹车压力调节 到一个比较接近能产生打滑信号的压力值，以提高系统的刹车效率。它的最大 特点就是对跑道的适应性强，而且安全可靠，预研投入相对较少。系统在于跑 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 ki l l 、m a r k1 v 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以滑移率为控制对象，即滑移速度与飞机速度 的比率。滑移率对结合系数的影响最大。飞机刹车系统的控制目的是把滑移率 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。飞机速度 通常用自由滚动前轮的速度代替飞机速度，机轮速度通过捕获获得，这便可以 实时的计算出滑移率。这种系统不带压力偏调，预先设定期望的滑移率与实际 反馈计算的滑移率比较，然后进行闭环反馈控制。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。 滑移速度控制式具有本身的弱点，国内实际装机使用的飞机防滑刹车系统 的控制律就是采用这种控制方式，通常采用多门限的p i d 进行设计，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。根据国内外公开文献“1 的报道，全电刹车 的刹车效率明显优于传统液压刹车，最高可达到9 8 。 2 1 1 结合系数与滑移率的关系 文献“1 5 “”提出了一种描述结合系数与滑移率的关系的公式为 6 酉j e 王些太堂亟堂位逾塞 箍三重丕蕴酸工佳厘堡型盛住友塞这盐 “= d s i n ( c a r c t g ( b 仃) ) ( 2 1 ) 式中b 、c 、d 均大于0 ，c 的值在1 6 5 附近。参数的具体值由软件寻优得出， 迭代过程中可以考虑把参数的取值范围加以细化，减小迭代次数，减轻计算工 作量，给应用带来方便。当飞机速度和机轮速度变化时，滑移率也不断变化， 结合系数随之发生变化。 p 结合系数 o 8 o 6 o 4 o 2 图2 一l结合系数和滑移率盯的关系 飞机刹车制动主要依靠刹车时轮胎和地面间产生的结合力，在飞机重量一 定的情况下，影响结合力大小的因素称为结合系数，也就是摩擦系数。结合系 数受很多因素影响，比如：飞机速度、滑移率、垂直载荷、轮胎侧倾角、轮胎 的新旧程度、跑道表面状况等等。其中飞机速度和滑移率对结合系数的影响最 大而且复杂。滑移率“1 定义为： 0 3 。、以j ( 2 2 ) 其中1 ，。为飞机速度，k ，为飞机刹车机轮速度。 对于不同的跑道表面，如在干跑道、湿跑道、冰跑道状况下，地面结合系 数随滑移率的变化规律如图2 - 1 。 其中三种不同跑道的结合系数与滑移率的关系“如下： 干跑道：= o 8 s i n ( 1 5 3 4 4 a r c t g ( 1 4 0 3 2 6 盯) ( 2 3 ) 湿跑道：= 0 4 s i n ( 2 0 1 9 2 a r c t g ( 8 2 0 9 8 仃) ( 2 4 ) 冰跑道：= 0 2 s i n ( 2 0 8 7 5 a r c t g ( 7 2 0 1 7 8 8 g ) ( 2 5 ) 2 1 2 飞机刹车机轮在刹车过程中受力分析 飞机在刹车过程中，飞机的前轮不刹车并且处于滚动状态，因此飞机的前 轮提供飞机速度信号。飞机的后轮即刹车机轮在刹车过程中，一直处于刹车状 态，刹车机轮一直保持在滚动和滑动的状态下。在实际的刹车过程中，飞机刹 车机轮和飞机跑道都有形变，因此在分析飞机刹车机轮的刹车原理时，应该考 虑飞机机轮的实际形变对机轮受力的影响。 当某一物体在另一物体表面作无滑动的滚动或有滚动的趋势时，由于两物 体在接触部分受压发生形变而产生的对滚动的阻碍作用，叫“滚动摩擦”。 滚动摩擦系数与接触物理的材料的硬度和湿度等有很大的关系，例如，钢质的 车轮在钢轨上滚动时，滚动摩擦力很小，而橡胶轮胎在地面上滚动时滚动摩擦 较大。由于滚动摩擦系数很小，因此，大多数情况下可以忽略。滚动摩擦就是 某一物体在另一物体上滚动时产生的摩擦。它比最大静摩擦和滑动摩擦要小得 多，在一般情况下，滚动摩擦阻力只有滑动摩擦阻力的1 4 0 到1 1 6 0 。滚动摩 擦实际上是一种阻碍滚动的力矩，其力矩的大小与物体的性质、表面的形状以 及滚动物体的重量有关。当一个物体在粗糙的平面上滚动时，如果不再受动力 或动力矩作用，它的运动将会逐渐地慢下来，直到静止。滚动的物体受重力作 用而陷入支承面，同时物体本身也受压缩而变形。 飞机刹车机轮在刹车过程中实际是作滚动和滑动运动。在实际刹车过程中， 由于飞机的载荷很大，因此飞机跑道和飞机刹车机轮都处于变形状态下，飞机 机轮刹车过程中的受力“”1 示意图如图2 2 所示。 图2 2 飞机机轮刹车时的受力分析 酉j b 点些丕堂亟堂鱼途塞筮三重丕统殴往基堡塑盟佳友墓选让 飞机机轮受力为： g 为飞机的载荷与其自身的重力 。为机轮正下方受跑道地面的支撑力 为跑道地面隆起处给机轮的支撑力 厂为滚动摩擦力 f 为机轮受到飞机的剩余推力 和机轮受到刹车盘的刹车摩擦力。 当飞机机轮向前滚动时，机轮与跑道接触处前方的跑道支承面隆起，而使 跑道支承面作用于飞机机轮的支撑力 0 的作用点从最低点向前移，这时的跑道 的支撑力为- 。正是这个支撑力，相对于物体的质心产生一个阻碍机轮滚动的 力矩”1 毛= lx r n ，而滚动摩擦力厂产生的效果是推动机轮转动，其动力矩 为l = f x r ，。从平动效果分析，在竖直方向，飞机载荷和机轮的重力g 与支 撑力。和j 构成一对平衡力：在水平方向，滚动摩擦力，、机轮受到飞机的 剩余推力f 和机轮受到刹车盘的刹车摩擦力构成平衡力。从转动效果分析，飞 机载荷和机轮的重力g 、过机轮中心的支撑力 和飞机对机轮的推力f 对于 机轮质心不产生力矩。滚动摩擦力厂对于机轮质心产生的力矩和机轮转动角速 度一致，支撑力- 对于质心的力矩大于滚动摩擦力的力矩，且阻碍转动。 2 1 3 飞机刹车的工作原理 飞机刹车主要依靠飞机刹车机轮的轮胎与地面间产生的结合力五( 即与飞 机机轮速度方向相反的摩擦力) 所做的功和刹车机轮内的刹车动盘和静盘之间 摩擦力厶做的功使飞机减速。结合力即为摩擦力，结合力越大，飞机刹车减速 就越快，刹车距离就越短。飞机刹车时的受力简化模型“”儿”1 如图2 - 3 所示。 图2 3 飞机刹车时的受力简化模型 9 酉j b 王些太堂硒堂焦途塞 筮三童丕蕴殴王往返翌塑盟往左塞途盐 其参数为： 为飞机受到地面的支撑力 g 为飞机的自身重力 r 为飞机在刹车过程中受到的升力 五为飞机刹车机轮受到的摩擦力 厶为飞机刹车盘的动盘和静盘之间的摩擦力 厂，为飞机前轮受到的摩擦力 l 为飞机受到的空气阻力 m 为飞机质量 1 ，为飞机着陆时速度 设飞机刹车距离为三，飞机刹车机轮的滚动距离为s 。 由动能定理，即外力对物体所做的总功等于物体动能的增量，有 1 1 _ m v 2 = 力+ 工+ 五三+ 丘工+ 五。s ( 2 6 ) 二 从式( 2 6 ) 可以得出结论，飞机着陆时的动能最后都被风阻力、飞机前轮 滚动摩擦力、飞机刹车机轮的摩擦力和机轮刹车盘的摩擦力”做功所吸收。其 中，风阻力和飞机前轮滚动摩擦力所做的功相对于飞机刹车机轮的摩擦力和机 轮刹车盘的摩擦力所做的功可以忽略不计。因此飞机着陆的动能主要被飞机刹 车机轮和刹车盘所吸收。随着飞机的速度逐渐减小，飞机受到的升力也在减小， 飞机自身的重力对地面的载荷逐渐增大，飞机与地面的结合力同时在增大。因 此随着飞机速度的减小，需要的刹车力矩也逐渐增大。由图2 - 2 所示，对于机 轮而言，有 ， 乃+ 乃一弓= ，鸶巴 ( 2 7 ) 口f 瓦为飞机刹车机轮的刹车力产生的力矩 瓦= jx r n 为跑道地面隆起处的支撑力对机轮的力矩 0 = ，置，为飞机刹车机轮受到的摩擦力产生的力矩，u p 结合力矩 ，为飞机刹车机轮的转动惯量 m 为飞机刹车机轮的角速度 要使飞机的刹车距离短、刹车机轮不抱死并且刹车效率高，必须使飞机刹 车机轮得到最大的结合力和刹车装置的动盘与静盘之间有最大的摩擦力，这样 才能使摩擦力做功最大，刹车机轮和刹车盘吸收飞机动能最快。刹车装置的动 盘和静盘间的摩擦力不能够过大，太大使刹车机轮抱死，刹车机轮抱死容易使 1 0 耍j e 王些太堂亟堂僮途塞 筮三重丕缝的王往厦堡独盛住友塞遮让 机轮爆胎，引起飞机发生严重的事故。因此，要控制飞机机轮的滑移率保持在 最佳值，刹车力矩必须根据结合力矩的大小而变化，防止刹车机轮的速度太大 或太小，以保持最佳滑移率。从式( 2 6 ) 和( 2 7 ) 可知，只要使结合系数最 大，结合力就保持在最大，刹车力矩就跟着变化，这样结合力所做的功能够保 持在最大并且刹车力所做的功也保持在最大，刹车机轮和刹车装置的动盘和静 盘能够在最短的时间内吸收飞机着陆的动能，又不使飞机刹车机轮抱死，同时 使飞机刹车效率最高。因此，必须保持飞机最佳滑移率以得到刹车机轮的最大 结合系数。 滑移率控制式防滑刹车系统的控制目标是控制飞机刹车机轮的滑移率保持 在最佳滑移率g r 。其刹车过程为：当盯 盯。，飞机实际滑移率大于最佳滑移率，这时减小刹车压力，刹车力矩变 小，飞机机轮的速度增大，滑移率盯变小，使盯= 盯。以保持滑移率在最佳滑移 率。如图2 - 1 所示，图中绘制了在某飞机跑道上在干跑道、湿跑道、冰跑道三 种情况下滑移率仃和结合系数的关系。由图可知，在于跑道、湿跑道、冰跑 道三种情况下各存在一个滑移率最佳值仃。，飞机全电刹车系统的控制目的就是 使滑移率控制在最佳值仃。附近，以产生最大的结合系数，。从而得到最大的结 合力矩l 。在飞机滑跑刹车过程中，飞机不断重复上述刹车过程，使飞机的滑 移率保持在最佳滑移率盯。附近，从而产生最大结合力矩。既达到了飞 机防滑功能，又实现了飞机刹车效率最高。 2 2 飞机全电刹车系统结构 飞机全电刹车系统主要包括防滑控制器、电机驱动器、机电作动器( e m a ， e l e c t r o - m e c h a n i c a la c t u a t o r ) 、压力传感器、飞机前轮速度传感器、刹车 机轮速度传感器和刹车机架，此外还应包括系统电源模块及备用电池、防滑控 制开关、起落架触地开关等，系统的整体结构框图如图2 - 4 所示。 酉j e 王些盘堂亟堂鱼i 金塞箍三重丕蕴殴王往厦堡塑盛往左塞递生 某型号目标飞机的单个起落架上装有左右一对机轮。整个飞机全电刹车系 统采用两层控制框架，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飞机全电刹车系统的工作 状态，接收驾驶舱内驾驶员由刹车踏板给出刹车启动信号、飞机前轮反馈的飞 机速度信号和刹车机轮反馈的机轮转速信号，并依据基于滑移率的防滑控制算 法算出作动器应施加在刹车盘上的刹车压力，将其输出给电机驱动器。底层的 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电机动作。为了提高系统的容错能力和冗余度，系 统采用双余度结构的机电作动器，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无刷直流电机，两台工作，两台热备份。 输入 驾驶驾驶舱踏板驾驶 全电 0i 刹车 全电刹车 防滑 防滑控制器a 控制 器 iji 给定刹车压力信号a l给定刹车压力信号a 2 t 电机 电机驱动控制器a l电机驱动控制器a 2 驱动电机电机 控制驱动控制器驱动控制器 器 备份a l b备份a 2 b l jjl l 机电 啜删力反馈 瓣b 翮 作动器 及机轮 l 蜘 l 目l 靶异琏挺馕机轮转速反馈l i 三篆”i i l ! ! ii ! ! 兰i 图2 4 飞机全电刹车系统结构框图 飞机全电刹车系统的基本工作原理流程如图2 5 所示。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飞机全电刹车防滑控制器。刹车压力信 号由压力传感器检测，并直接送入电机驱动器，经整形放大后再作为压力反馈 信号。防滑控制器根据刹车机轮与飞机前轮的测速传感器的反馈信号计算出滑 移率，结合驾驶舱给定的滑移率，产生刹车推力给定信号。以此信号作为电机 驱动器的输入，驱动永磁无刷直流电机，使机电作动器产生与防滑控制器输出 给定压力信号相对应的刹车压力，经滚珠丝杠作用于刹车盘。整个全电刹车系 1 2 酉j e 王些太堂亟堂焦i 金塞 簋三室丞筮的王往厦堡独整签左塞递进 统形成以滑移率、刹车压力和电机电流为控制对象的三闭环控制系统。 图2 5 飞机全电刹车系统原理框图 飞机全电刹车系统运行的控制原理为：飞机速度信号和机轮速度信号由飞 机上的测速发电机提供，其信号为偏压2 5 v ，峰值为0 3 v ，最大电压幅值不超 过5 v 的正弦波信号，经过调理整形后变为方波信号，通过飞机刹车控制器c p u 韵捕获单元能够计算得到飞机速度和机轮速度信号，由此计算出滑移率值，得 到滑移率差值。现在在实验室环境下，惯性实验中采用常规p i d 调节滑移率差 值，调节后的值为压力参考值，它与从压力传感器反馈的压力信号的差值经过 p i d 调节后作为电流参考值，电流参考值与采样的电流信号的差值经过p i 调节 后得到p 州的调制信号，p 哪信号再去控制无刷直流电动机。从下图可以看出 飞机全电刹车系统是由电流环为内环、压力调节环为中间环、滑移率控制环为 外环的三闭环控制系统9 ”“”。其控制原理框图如图2 - 6 所示。 图2 - 6 飞机全电刹车系统的控制原理框图 全电刹车系统与液压刹车系统相比，不同之处主要有：1 机电作动装置完 全取代了液压作动器；2 先进的全数字式防滑刹车控制盒代替了液压刹车控制 酉北王些盍堂亟堂焦逾塞箍三重丕缝的王佳厘堡狸簋住友塞途盐 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：4 由滑移率、 压力和电机电流三控制量组成了三闭环控制取代了速度差加压力偏调的开环控 制。因此，防滑刹车控制盒有机轮速度反馈信号、飞机速度反馈信号和刹车压 力反馈信号，还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。对机电作动器而言，由于采用了高性能的永磁无刷直 流电机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大大提 高。因为永磁无刷直流电机的体积小、重量轻和功率大等优点使机电作动器的 体积减小重量减轻。系统又增加了压力反馈控制系统，显著改善了系统的性能。 液压刹车系统只有机轮速度反馈，主要是得到输入控制量( 速度差) 。压力反馈 系统可提供准确的刹车响应，显著改善了刹车压力的控制和防滑性能，缩短了 刹车距离，提高了轮胎和刹车装置的使用寿命。 全电刹车系统与传统液压刹车系统相比具有主要优势有：1 机电作动器比 充满液压油的液压作动器重量大大减轻；2 作动器的动态响应频率有很大的提 高；3 系统的冗余度和可靠性得到很大的提高，更易于维护：4 由国外已经应 用的全电刹车系统，全电刹车系统的刹车效率明显提高。系统的模块化和实时 监测功能使飞机更易于维修，全电刹车系统的刹车效率优于液压刹车系统的效 率。可以说，全电刹车系统是下一代刹车系统发展的趋势。 2 2 1 机电作动器的介绍 全电刹车系统与液压刹车系统结构上的主要不同是机电作动器引2 ( e m a ) 的刹车机架代替了原来的液压活塞刹车机架，而刹车系统中的其它刹车 部件如炭盘、机轮等仍保持不变。机电作动器( e m a ) 刹车机架是四电机四滚珠 丝杠作动机构布局，电机选用重量轻、体积小的稀土永磁无刷直流电机，每个 电机通过三级减速齿轮传动装置，单独驱动一个滚珠丝杠作动器。如图2 7 所 示为机电作动器的立体效果图，上面的为四个无刷直流电机、三级传动齿轮和 滚珠丝杠，下面的为刹车时相互摩擦的炭盘。 1 4 图2 7 全电刹车机电作动器立体效果图 如图2 - 8 所示为机电作动器结构框图。在刹车过程中，电机的输出转矩经 三级齿轮减速后传递到滚珠丝杠的螺母上，滚珠丝杠螺母的转动驱动滚珠丝杠 的丝杆作上下直线运动，从而推动上面的活塞体( 与丝杆连成一体) 向前和向 后运动，实现刹车和松刹功能。为了防止滚珠丝杠的转动，在丝杆中部开有内 六方型孔，型孔和导向条配合用以限制活塞做旋转运动。 机电作动器的主要作用是输出刹车力矩，为了确保刹车力控制的精确性和 可重复性以及作动器的响应特性，在作动器中安装有刹车压力传感器。机电作 动器的活塞所承受的轴向刹车力经过滚珠丝杠和推力滚针轴承传递到刹车压力 传感器上，又经过端盖上的螺栓传递到作动器安装底板上。从而实现了压力传 感器经滚珠丝杠和轴承对刹车压力进行间接测量。 图2 - 8 机电作动器的结构框图 当飞机要进行刹车时，发出刹车指令，其中在机电作动器上相对的两个无 刷直流电动机正转时，带动滚珠丝杠转动，然后由减速齿轮传动，最后压紧刹