（电力电子与电力传动专业论文）飞机全电刹车控制系统的研究与设计.pdf

西北工业人学硕十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee l e c t r i cb r a k i n gs y s t e m ，i nw h i c ht h ee l e c t r o - m e c h a n i c a la c t u a t o r ( e m a ) a n d t h ed i g i t a lc o n t r o l l e rr e p l a c et h eh y d r a u l i ca c t u a t o ra n d a n a l o gc o n t r o l l e rr e s p e c t i v e l y c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lb r a k i n gs y s t e m ，i m p r o v e st h eb r a k i n gp e r f o r m a n c e g r e a t l y b a s eo nt h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h ee l e c t r i cb r a k i n gs y s t e m ，ak i n do f d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m 、i mt m s 3 2 0 f 2 4 0a si t sc o r e i sp r e s e n t e d b o t ht h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r eo ft h es y s t e ma r ei n t r o d u c e di nd e t m l a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa 船 a n a l y z e di nt h ee n d t h ea n t i s k i dc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do ns l i pr a t i o ，t h es t r u c t u r eo ft h ee m aa n d t l l ec o n t r o l l e r , t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fb r a s h l e s sd cm a c h i n e ( b l d c m ) w h i c hi st h e c o r eo ft h ea c t u a t o ra r ei n t r o d u c e db d e f l y b a s e d0 1 1t h ed y n a m i cm a t h e m a t i cm o d e l o ft h eb r a k i n gp r o c e s s ，t h en o n - l i n e a ra n dt i m e - v a r y i n gf a c t o ri sa n a l y z e d ，a n dt h e p a r a m e t r i cf u z z ys e l f - r e g u l a t i n gp i da l g o r i t h mi sp r o p o s e di no r d e rt oc o n t r o lt h e s l i pr a t i oa tt h eo p t i m a lp o i n t t h ea l g o r i t h mp e r f o r m se x c e l l e n t l yi ns i m u l a i o n w i t h l o t so fi n t e g r a t e dm o d u l e si nt m s 3 2 0 f 2 4 0 ，s p e e dd e t e c t i n gc i r c u i t ，c u r r e n td e t e c t i n g c i r c u i t ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc i r c u i ta r cc o n v e n i e n t l yc o n s t r u c t e d g a l l 6 v 8 di s e m p l o y e dt od e a lw i t i lt h eb l d c m r o t o rp o s i t i o ns i g n a l sa n dt h eo t h e rl o g i cs i g n a l s t h eb l d c md r i v ec i r c u i ti sm a i n l yc o m p o s e db yt h r e e - p h a s ef u l lb r i d g ei n v e r t e r a n dg a t ed r i v e ni ci r 2 13 0 、i t i ii t sp e r i p h e r a lc i r c u i t at h r e el o o pc o n t r o ls t r a t e g y , w i t hc u r r e n tl o o pa st h ei n n e ro n e ，b r a k i n gm o m e n tl o o p 嬲t h eo u t e ro n e ，a n ds l i p r a t i ol o o p 嬲t h eo u t e r m o s to n e i sa p p l i e dh e r e p ia l g o r i t h mi su s e di nt h ec u r r e n t l o o p p i da l g o r i t h mw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r sw h e ni n c r e a s i n ga n dd e c r e a s i n gt h e b r a k i n gm o m e n ti s u s e di nt h eb r a k i n gm o m e n tl o o p t h ep a r a m e t r i c f u z z y s e l f - r e g u l a t i n gp i da l g o r i t h m i su s e di nt h es l i pr a t i ol o o p t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e t h a tt h ee l e c t r i cb r a k i n gs y s t e mi sa b l et o p r o v i d ed e s i r e db r a k i n gp r e s s u r ef a s ta n dp r e c i s e l y t h ej o i n tt e s tw i t ht h ea i r c r a f t s i m u l a t o rr e v e a l st h a tt h es y s t e mw o r k sr o b u s t l ya n dt h ep e r f o r m a n c eo nb r a k i n gt i m e a n db r a k i n ge f f i c i e n c ya r ee x c e l l e n t k e y w o r d ：e l e c t r i cb r a k i n gs y s t e m e l e c t r o - m e c h a n i c a la c t u a t o r b m s h l e s sd cm o t o r s l i pr a t i o p a r a m e t r i cf u z z y s e l f - r e g u l a t i n gp i d 西北t 业大学硕上学位论文 第一帝绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 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安全升空、安全 返航和快速反应，进而影响飞机的整体性能。 2 0 年前出现的电刹车系统是一种新的刹车模式，由于具有很多现有液压刹 车系统所不具备的优点，它将对未来多电飞机刹车系统的发展起到举足轻重的作 用。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，目前有着难以逾越的障碍。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。 全出刹车系统相对于传统液压刹车系统具有诸多优点1 1 ) 1 2 1 机电作动机构取 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。 在近二十年中，许多国家对全电刹车进行了研究，美国已经将全电刹车应用 在f 1 6 、“全球鹰”等型号上，在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。 两北工业大学硕上学位论文 第一章绪论 1 2 飞机全电刹车系统的发展和现状 1 9 8 2 年，美国空军与l o r a la i r c r a t = ib r a k i n gs y s t e m s 公司以a 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第一页。期间进行了 m t l 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 相继被突破。 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 i 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 刹车公司也参与了批项计划。在f 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 e y w e l l l a n d i n 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 t r o m e c h a n i c a la c t u a t o r ) 和p c e ( p o w e r - c o n t r o le l e c t r o n i c s ) 技术。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 年公布了将卧似应用于军用飞 机，目前正实施在商用飞机上的应用计划。 另外，法国和英国也在积极发展全电刹车系统。相比之下，我国对全电刹车 统的研制与发达国家差距比较大。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。 1 3 课题研究过程中的主要工作 在前人工作的基础上，对整个刹车过程进行了理论分析，设计并通过多次试 验调试成功了全电刹车控制器，实现了全电刹车控制器及机电作动机构的基本的 功能。飞机全电刹车系统的研究工作相当的庞杂，其中涉及电气工程的各个分支。 简单的说，应当包含以下几个部分： 一、飞机全电刹车系统的工作原理分析和研究 通过对飞机刹车过程飞机机身、被刹机轮、全电刹车控制器及机电作动机构、 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 跑道的数学模型的分析和研究，摸清刹车工作原理，分析系统的非线性因素和系 统参数变化规律，选择正确、合适的控制策略一参数模糊自整定p i d 控制器， 对整个系统进行仿真，为全电刹车控制系统的设计提供理论指导。 二、全电刹车系统总体方案设计 根据全电刹车技术要求，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。 三、控制器硬件电路设计、修改、调试 控制器硬件电路的设计、修改和调试是工作的核心。 选用有军品件的电机控制专用数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 作为控制核 心，完成外围电路和g a l 等数字电路设计和调试；根据无刷直流电机的控制要 求，设计并调试其功率驱动电路，并进行了空载、满载、堵转、高速正反转等运 行情况下的测试，对功率电路进行了多次修改；完成电流反馈信号的硬件滤波、 隔离、放大等调理电路，完成过流保护电路的测试；完成了力矩反馈调理电路的 设计。针对飞机速度和被刹机轮速度传感器输出信号的特点，设计了信号的整形 等调理电路。针对试验过程中出现的功率电路对信号电路的干扰，做了一些硬件 电路抗干扰处理。 四、控制器编程 根据控制任务，完成全电刹车系统的整体控制流程算法设计，包括电流环、 力矩环、滑移率环的编程，在p i d 参数整定上做了大量工作。针对电流、力矩 等模拟量易受干扰的问题，以及飞机信号、机轮信号的干扰问题，做了一些软件 滤波的处理。完成了滑移率参数模糊自调整p i d 控制的在d s p 上的c 语言实现。 五、系统测试 在实验室条件下，完成了数字控制器、机电作动机构构成系统的动态性能测 试，并且在惯性台完成刹车力矩测试和刹车效果的测试。 1 4 论文的安排 论文第二章介绍了全电刹车系统的结构和工作原理，以及无刷直流电机的工 作原理和控制方法。 第三章给出了全电刹车系统的数学模型，介绍了系统的结构和工作原理，分 析了系统的非线性因素，确定了滑移率控制控制策略，并通过参数模糊自整定的 实现，并且对整个系统进行了仿真。 第四章介绍了硬件结构，对各部分电路的原理和功能进行详细的分析和介 绍。 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 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。 第六章对动态性能测试结果和实验室联调实验结果进行分析，并对论文的研 究工作进行了总结，提出了今后的优化方向。 两北工业大学硕士学位论文 第二章系统总体方案 第二章系统总体方案 本章首先简要地介绍了滑移率式防滑控制策略的基本原理，然后通过参数计 算给出了全电刹车系统的机电作动机构的设计参数，最后对数字式刹车控制器的 工作原理、驱动电机的选用和结构原理及其控制方法作了详细的分析。 2 1 滑移率式防滑控制策略 飞机刹车制动主要依靠刹车是轮胎和地面间产生的结合力只( 即与飞机速 度方向反向的摩擦力) 使飞机减速。结合力越大，飞机刹车减速就越快，刹车距 离就越短。决定结合力只大小的是结合系数以和地面对轮胎的支持力耳。机轮 受力如图2 - 1 所示。 v 厂歹 式一j t h 弓l ! l f 嘲2 - 1 机轮受力分析 图中，胄。为机轮滚动半径，e 为由飞机机身对机轮的压力以及机轮自身的 重力之和，瓦为刹车盘对机轮产生的刹车力矩，疋= e 为地面结合力对机轮 产生的结合力矩。 只= 肛r = ，e ( 2 - 1 ) 在飞机质量一定的情况下，影响风的主要是飞机的升力，飞机的升力随着 速度的减小而下降，变化缓慢，所以地面对轮胎的支持力足变化是缓慢的( 这 一分析在第三章讲述) 。而肛受多种因素的影响，例如跑道状况、滑移率、轮胎 磨损程度、飞机速度以及机场环境等。在跑道状况一定的情况下，从受滑移率盯 的影响最大，变化迅速。在刹车过程中，机轮着地点线速度p 0 低于飞机的速度矿， 滑移率盯定义为 仃：v - k w h ( 2 - 2 ) v 当刹乍秣压力增大，刹车力矩瓦增大，瓦 巧时机轮的速度降低，滑移率一 西j t 工业大学硕士学位论文 第二章系统总体方案 图2 - 2结合系数u 和滑移率盯的关系 变大，当瓦 耳时机轮速度上升， 滑移率盯变小。然而滑移率仃和 结合系数从并不是简单的线性关 系，而是复杂的非线性关系，如 图2 2 所示。图中绘制了在某种 跑道上在于、湿、冰三种情况下 滑移率盯和结合系数。的关系。 可见，在干、湿、冰三种情况下 各存在一个滑移率最优值盯，在 盯= 仃。时以达到最大值。，这 时产生的结合力e 最大，如果刹 车过程保持盯= ，那么飞机减速最快，刹车时间最短，刹车效率最高全电刹 车系统的控制目标就是使滑移率控制在最优值吒附近，产生最大的结合系数 。从而产生最大的结合力矩瓦，既达到了防滑功能，同时实理了最佳刹车效果。 2 2 全电刹车系统的结构 当飞机着陆后，主轮、前轮先后接地进入滑跑状态，飞机速度达到规定的刹 车速度后，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、机电作动机构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 ) 刹车机架和受刹机轮组成，e m a 刹车机架则由无 刷直流电机和伞齿轮、滚珠丝杠、谐波减速器等构成( 图中虚线部分) 。全电飞 机刹车系统的工作原理如下：机轮转速和飞机速度经速度传感器反馈给刹车控制 器，计算出飞机的实时滑移率盯，滑移率闭环控制算法单元根据当前滑移率盯和 期望滑移率口，计算出刹车力矩参考值，再同反馈刹车力矩构成刹车力矩闭环， 刹车力矩闭环的输出作为无刷直流电机的电流环的参考值，由电流环实现对功率 驱动电路p w m 信号占空比的实时调制，从而控制了无刷直流电机通过驱动滚珠 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盯维持在口。附近，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。 阿北工业大学硕士学位论文 第二章系统总体方案 图2 - 3 全电刹车系统机构图 整个刹车系统由刹车控制电路、功率驱动电路、机电作动机构和被刹机轮构 成。数字式刹车控制器是整个系统的核心部件，它以高性能d s p 为核心，实现了 整个刹车系统的协调控制。功率驱动电路采用三相全桥逆变电路，以i r 公司的 i r 2 1 3 0 作为逆变电路的驱动芯片。机电作动机构中电机的旋转运动减速后被转 换为压紧刹车盘的轴向运动。 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 完全由机电作动机构取代；2 重新研制先迸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o 2 们。 这些改进对整个刹车系统性能的提高是显著的。就机电作动机构来说，由于采用 了高性能的无刷直流电机以及低惯性的滚珠丝杠作执行机构使机电作动机构的 频率响应大大提高；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，虽然刹车推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。 2 2 1 机电作动机构介绍 全电刹车系统与液压刹午系统结构卜的主要不同之处就是e m a 刹乍机架代 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统总体方案 图2 4e m a 刹车机架 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、机轮等 仍保持不变。试验中使用的 e m a 刹车机架的结构如图 2 4 所示。e m a 刹车机架是 四电机四滚珠丝杠的作动机 构布局，电机选用重量轻、 体积小的稀土永磁无刷直流 电机，每个电机通过谐波减 速器、伞齿轮等传动装置控 制一个滚珠丝杠作动器。齿 轮旋转运动到压紧盘轴向压力运动的变换由四个滚珠丝杠完j 彝一两个工作，两 个热备份：电机正转，齿轮转动带动丝杠旋转，从而带动螺母的轴向直线运动， 给压紧盘施力；电机反转时，螺母回退，由此松刹炭盘。 下面分别讨论机电作动机构的各组成部分。 ( 1 ) 驱动电机无刷直流电机“” 全电刹车控制系统要求刹车机构动作能够快速地起、停、加速和减速，要体 积小、出力大。要实现这些目标，必须解决好驱动电机的选择问题。众所周知， 在所有的电机中，直流电机控制简单，但其不可避免的有刷结构制约了其应用场 合。交流异步电机有着调速精度不高的问题，而交流同步电机存在着控制复杂， 容易失步的缺点。无刷直流电机结合了直流电机与交流同步电机的优点，具有体 积小、寿命长、控制筒单、调速精度高，且不会失步的特点，在快速性、可控性、 可靠性、重量轻、效率、耐受环境等方面具有明显优势。随着稀土永磁材料和电 力电子器件性能的不断提高，无刷直流电动机作为中小功率高性能调速电机和伺 服电机在航空航天中的应用越来越广泛。 无刷直流电机的工作原理和控制方法另作一节讨论。 ( 2 ) 谐波减速器1 谐波减速器是一种新型的机械减速装置，相比于行星齿轮、人字齿轮、蜗杆 加螺旋齿轮、圆柱齿轮有很多优点。其一，这种减速机构同时啮合的齿数多，承 载能力大。其二，运动精度高。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，其运动精度能提商四倍左右。其三，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。其四，齿侧间隙可以调整。 四b 工业大学硕士学位论文 第二章系统总体方案 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。其五，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 2 5 0 ) ， 效率约在6 5 9 6 左右( 谐波复波传动效率较低) ，齿面豹磨损很小。全电刹车 系统要求承载能力大、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。 ( 3 ) 滚珠丝杠“1 滚珠丝杠是一种新型的螺旋传动元件，它的产生和发展只经历了数十年的历 史，然而却在国内外工程技术界人士中引起了广泛的兴趣和重视。它之所以能够 得到如此迅速的发展和普遍的应用，主要原因是由于滚珠丝杠具有高效率、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，这些特点是普通 丝杠所不可具备的。普通丝杠具有滑动摩擦的特性，因此其传动效率很低，其效 率值为0 3 0 4 。滚珠丝杠是在丝杠和螺母之问安放滚珠，使丝杠和螺母之间的 相对运动由滑动变成滚动。由于滚琛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 - 一0 0 0 5 ，是滑动摩擦系数的2 左右，传动效率提高 到9 0 以上，是滑动丝杠的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的传动效率和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。 由于滑动丝杠的摩擦力矩很大，使滑动丝杠产生自锁，从而使其运动为不可 逆，只能将回转运动变成直线运动。滚珠丝杠的摩擦力矩很小，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，若无刷直流电机控制、驱动电路出现 故障。电机失去控制，那将无法实现松刹，这将出现严重的拖胎、爆胎事故，危 及飞机安全。但是如果使用滚珠丝杠，系统判断出电机故障后，切断电机电源， 丝枉能被自动弹回，防滑刹车控制任务将安全地切入备用全电刹车系统。 2 2 2 机电作动机构各部件的选型 常用的方法是按照滚珠丝杠的额定静载荷c 。( 转速n = l o r ，m i n ) 及传动速比的要求，来确定所需用的滚珠丝杠的公称直径d ( 和基小导程l o 。初定滚珠丝杠送进时的转速为1 2 0 r m i n ，传动比为6 5 ：l 。针埘 西北丁业大学硕十学位论文第二章系统总体方案 国产某型飞机计算如下： 飞机的基本参数为：静刹车活塞推力( 冷) 4 2 1 3 0 n 静刹车活塞推力( 热) 4 2 2 3 3 n j 下常刹车时的活塞推力 1 4 0 0 0 n 1 ) 滚珠丝杠的选用； 首先确定丝杠上承受的平均轴向载荷： 丝杠上的轴向载荷即为丝杠推动刹车碳盘的轴向推力。该推力最大为 4 2 2 3 3 n ( 静刹车( 热) 条件下) ，据滚珠丝杠的有关知识，当工作载荷在f o 和 民。之间周期性交化时，其轴向平均载荷可按下式计算： f ：2 f i + f l _ i i l 3 所以，丝杠上的轴向平均载荷可近似计算为： f ：= 2 x 4 2 2 3 3 ：2 8 1 5 5 n 3 由前述知，当两台电机驱动两个滚珠丝杠，系统就可以完成刹车，可知单根丝杠 上的轴向平均载荷应为： f p i 专= 1 4 0 7 7 n 其次确定丝杠的计算动载荷： c _ = k ck = k h k p k h q 墨一寿命系数。 k h = 愕- 半乩粥 n 一丝杠送进时的转速。 厶一工作寿命小时数。对航空机械，取1 0 0 0 h 。 k 。一载荷系数。取1 2 。 “一一硬度系数。取1 0 。 g 一工作行程系数。这里取1 0 。 由此可计算出g = 3 2 6 0 2 n 所选丝枉的额定动载荷e 应该大于其计算动载 荷c 。 初选滚珠丝杠为：矗= 3 2 m m ，l o = 8 嘲螺旋角卢= 4 。3 3 ，额定动载荷 c = 3 3 3 4 3 n 。取当量摩擦系数= 0 0 0 5 ，则当量摩擦角p d = a r c t g l d = 1 7 。1 1 “，所 以： 西北工业大学硕十学位论文 第二章系统总体方案 传动效率叩= 否历t g 再# 历= 9 3 若丝杠是无预紧的，且忽略轴承的摩擦力矩，则丝杠的驱动力矩为 r ：f p _ 丝l ：婴：1 9 2 8 2 2 n 埘脚。1 9 2 m 2 n r 2 万0 9 3 佬拍骈垂曲讳袁柏p ：马；o 2 4 l 加 传动所需的功率为 2 i 五丽2 o 2 4 1 加 折算到电机轴上的功率为p 。：l ：0 268k ，仇为各级传动效率的 叩。 乘积，取仉= o 9 。 折算到电机上的负载转矩为m2 嘉2 蒜3 3 n m 2 ) 无刷直流电机的选用： 由上面计算可知负载转矩为3 ，3 n m ，可在电机中安装减速比为8 的谐波减速 装置，将电机的转速减小8 倍，而将转矩增大8 倍，这样，要得到3 3 n m 的转 矩只需要输出转矩为o 4 n 。m 的电机，大大减小了电机的尺寸。又丝杠的转速为 1 2 0r m i n ，又传动比为6 5 ，则带有谐波减速的电机输出转速为7 8 0r m i n ，电机 的实际输出转速约为6 2 4 0r r a i n 。本系统选用的无刷直流电机为2 8 5 v1 0 a 双极 方波电机。 2 2 3 数字化刹车控制器 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 内外设太大简化硬件电路，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，结合外部信号戆彤电路，可以方便地处理飞机速度和机轮 西北工业大学硕士学位论文第二章系统总体方案 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 换指令由上位机发出。 本论文只针对l 2 系统进行介绍，即针对两台机电作动机构的控制系统。1 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。控制器硬件原理结构如图所示。 图2 - 5 全电刹车系统控制器原理结构 3 无刷直流电机的控制方案 2 3 1 无刷直流电动机的控制系统结构组成 ( 1 ) 总体结构 无刷直流电动机是一种自控变频的永磁同步电动机，就其基本组成结构而 言，可以认为是由电力电子开关逆变器、永磁同步电动机本体和转子磁极位置检 测电路三者组成的“电动机系统”“”“3 2 跏，如图2 - 6 所示。普通直流电动 机的电枢通过电刷和换向器与直流电源相连，电枢本身的直流是交变的，而无刷 直流电机用磁极位置检测电路和电力电子开关逆变器取代有刷直流电机中电刷 和换向器的作用，即用电子换向取代机械换向。由位置传感器提供电机转子磁极 的位置信号，在控制器中经过逻辑处理产生p w m 信号，经过隔离电路及驱动电 路，以定的顺序触发逆变器中的功率开关，使电源功率以一定的逻辑关系分配 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统总体方案 给电动机定子各相绕组，扶而电动机产生持续不断的转矩。 图2 6 无刷直流电动机的控制结构框图 ( 2 ) 转子磁极位置传感器 为了更清楚地分析无刷直流电机的工作原理，有必要简明的介绍一下转子位 置传感器。位置传感器在无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开 关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号。位置 传感器主要有以下几种：光电传感器、电磁式位置传感器、磁敏式位置传感器。 磁敏式传感器的核心是电参数按一定规律随周围磁场变化的半导体敏感元件，其 基本原理为霍尔效应和磁阻效应。 在飞机刹车系统中，转子位置传感器的安装空间较为有限、工作环境恶劣。 霍尔传感器体积小、抗环境干扰能力强，输出信号信噪比高，故选用霍尔集成芯 片作为电机的转子位置传感器。本系统使用的霍尔集成芯片c s 3 0 2 0 就是霍尔式 磁敏位茕传感器。 霍尔元件是一种利用霍尔效应制成的半导体器件，其基本原理如图2 7 所 示，将矩形半导体薄片置于磁场中，在薄片两侧通以控制电流i ，则在薄片的另外 两侧就会产生一个电势e ，霍尔效应所产生的电势e 与控制电流i 的关系如下： 图2 7 霍尔效应 e ：k b l d 式中：r ，一霉尔常数，曰一磁通密度 ，一控制电流，d 一磁场方向的薄片厚度 上述霍尔元件所产生的电动势很低，在应用中常把霍 尔元件与放大器制作成霍尔集成电路，这样使得霍尔传 感器具有很好的输出特性。c s 3 0 2 0 霍尔开关集成电路由反向电压保护器、电压 调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、施密特触发器和集电极开路输出级组成， 西北工业人学硕士学位论文 第二章系统总体方案 能将变化的磁信号转换成数字电压输出。 磁电转换特性中的工作点为7 - 3 5 r o t ， 其结构和磁电转换特性如图2 - 8 所示。 回差= 2 m t 。 图2 - 8c s 3 0 2 0 传感器的结构和磁电转换特性 ( 3 ) 气隙磁场与反电动势 无刷电动机的转子上装有稀土永磁体，通常使用的是转予永磁面装式结构， 其气隙磁场强度可以达到0 7 - 0 9 t ，产生顶部大于或等于1 2 0 电角度的近似梯 形波磁通。定子绕组采用集中整距绕组时，产生与磁通密度相应的梯形波反电动 势。 2 3 2 无刷直流电机的导通方式及换相控制 以二相导通星形六状态单极无刷方波电机为例来说明电机的工作原理”“， 如图2 9 所示。当转子位置位于图2 9 ( a ) 所示位置时，检测到的磁极位置信号， 经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管t 1 、t 6 导通，即绕组a 、b 通电，a 进b 出，电枢绕组在空间合成磁势f a ，如图2 9 ( a ) 所示。此时定转子磁场 相互作用拖动转子顺时针方向转动。电流流通途径为：电源正极- - t 1 管一a 相绕 组一b 相绕组一t 6 管一电源负极。当转子转过6 0 。电角度，达到图2 9 ( b ) 中位置 时，位置传感器输出信号经逻辑变换后使开关管t 6 截止，t 2 导通，此时t 1 仍导 通，则绕组a 、c 通电，a 进c 出，电枢绕组在空间合成磁场如图2 9 ( b ) 中f a 。 此时定转子磁场相互作用使转子继续沿顺时针方向转动。电流流通路径为：电源 正极一t l 管一a 相绕组一c 相绕组一t 2 管一电源负极，依此类推。当转子继续沿顺 时针每转过6 0 。电角度时，功率开关管的导通逻辑为：t 3 t 2 、t 3 t 4 、t 5 t 4 、t 5 t 6 、 t 1 t 6 ，则转子磁场始终受到定子合成磁场的作用并沿顺时针方向连续转动。 在图2 9 ( a ) 到( b ) 的6 0 。电角度范围内，转子磁场顺时针连续转动，而定子合成 磁场在空间保持图2 9 ( a ) 中f a 的位置不动，只有当转子磁场转够6 0 。电角度到达 图2 9 ( b ) 中f f 的位置时，定子合成磁场才从图2 9 ( a ) 中f a 位置顺时针跃变至 2 - 9 ( b ) 中f a 的位置。可见定予合成磁场在空间不是连续旋转的磁场，而是种跳 西北工业大学硕十学位论文 第二章系统总体方案 跃式旋转磁场，每个步进角是6 0 。电角度。 图2 - 9 稀土永磁无刷直流电动机工作原理示意图 当转子每转过6 0 。电角度时，逆变器开关管之间就进行一次换流，定子磁 状态就改变一次。可见，电机有6 个磁状态，每一状态都是两相导通，每相导通 中流过电流的时间相当于转子旋转1 2 0 。，故该逆交器为1 2 0 。导通型逆变器。 每相电流、反电势、霍尔信号、m o f e t 触发信号的理想波形如图2 1 0 所示。 图2 一l o 反电势、电流、霍尔信号、t j o f e t 触发信号的对应关系 2 3 3 无刷直流电机的数学模型和转矩计算 亘! ! 王墼堂堡主堂垡笙壅 笙三童墨堑璺堡查壅 由于稀土永磁无刷直流电机的气隙磁场、反电势以及相电流都是非正弦 的，因此通常利用电动机本身的相变量来建立数学模型。假设磁路不饱和，不 计涡流和磁滞损耗，三相绕组完全对称，在此基础上来分析b l d c m 的电压平 衡方程和状态方程嘲1 7 们1 7 1 | 。 i h 嘲摊黝 式中：“。，”。定子绕组相电压( v ) ； * 翻 p 。，p 。定子绕组相反电动势( v ) ； s 每相绕组的自感( h ) ： m 每两相绕组闻的互感( h ) ； ，微分算子尸：善。 讲 当三相绕组为y 型连接，且没有中线时，则有 + + f c = 0 m i n 七m c = 一m i 。 由以上三式可得到简化的电压平衡方程为： ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 其中= 三s m 。无刷直流电机理想状态下的等效电路，如图2 1 1 所示。 电磁转矩为 图2 - 11 无刷直流电机的等效电路图及主电路原理图 ，j 巳 _。l + 1，j lhkv，k 。，。，l p ，0，j o o o o 0 o l + 10，j 。，l。 -，。l1，j o d 足o 冠o 冠o o p。l = 1，j -。，l 西北工业大学硕士学位论文 第二章系统总体方案 m 。：三( p 。i 。+ p 6 屯+ p 。f c ) ( 2 7 ) 国一电机的机械角速度。 可见，在相电势和相电流幅值恒定的情况下，当相电流矩形波与向电势梯形 波平顶重合时，能够产生恒定的电磁转矩，如果要改变电磁专矩的大小只须改变 电流的大小。 电机的转子运动方程为 d 一m e m ml b ：一2 。：一 ( 2 8 ) m 。一负载转矩。曰一粘滞阻尼系数。 j - - 转子及负载转动惯量。 2 3 4 无刷直流电机的p w m 调制方式 永磁无刷直流电动机是通过改变p w m 的占空比来调节电压，引起电流大小 改变及电磁转矩大小改变，达到调节输出转矩的要求。对于采用三相六状态 1 2 0 。导通方式，p w m 调制方式分分为两大类型，一类是“双斩”方式，每个 导通状态控制器上下桥臂的功率管全部进行p w m 调制l 另一类是“单斩”方式， 即在三相六状态任意一个状态区间，只有上桥臂或下桥臂的一个功率管进行 p w m 斩波控制。两种斩波方式如图2 1 2 所示。如图2 - 1 2 b 所示的单斩方式降低 了三相桥下桥臂的开关损耗。用i r 2 1 3 0 做驱动蕊片非常适合于这种斩波方式。 li n n n n d n n n n a i r l l l n f l f l f l f l f l nr l i n n n n d n n n n li n n n n r ll i l f l f l l l f l f l n f l f l f l l l l l f l f l f l l l l f l l l f l l ii n n n f l a n f l f l n a i i ii i n n n n d n n n n d： 。一 lk i i l f l l l f l if l t l l l f l f i 图2 1 2 双斩方式( a ) 与单斩方式( b ) 两北工业大学硕士学位论文 第三章控制策略的研究 第三章控制策略的研究 飞机刹车系统控制存在三大困难：1 ) 系统的复杂性：2 ) 系统的非线性特性： 3 ) 系统的不确定性。复杂性和非线性来自于飞机机轮动态模型、刹车装置的 滞环特性以及轮胎和跑道的结合系数与滑移率关系等。不确定性则来自于跑道条 件的变化、机场环境变化、磨损轮胎性能的变化、刹车盘温度变化导致的刹车特 性的变化等。只有对飞机刹车过程进行透彻的研究，分析飞机刹车过程各参数的 变化，才能理解滑移率控制策略的动态过程，才能选择合适的控制策略。本章对 飞机机体、被刹机轮进行了动力学分析，对滑移率和结合力矩的关系进行了透彻 的研究，总结了飞机刹车系统的一些影响较大的非线性因素，最后提出了以控制 滑移率为目标的参数模糊自调整p 1 d 控制策略。 3 1 刹车过程中机体的动力学分析 对飞机机体进行动力学分析前，先作如下假设； ( 1 ) 将飞机视为理想刚体，不考虑弹性变形； ( 2 ) 由于飞机在地面着陆过程中，发动机呈慢车推力状态，所以不考虑发动机 转子产生的陀螺力矩，且认为发动机的慢车推力与飞机速度成线性关系； ( 3 ) 飞机沿地面滑跑有6 个方向的运动，假设飞机着陆滑跑时无侧风或侧风很 小，飞机两边跑道状态完全对称，飞机可简化为三自由度的运动体，即纵向、垂 直方向和俯仰运动； ( 4 ) 假设飞机接地滑跑时机轮不离开地面，忽略飞机起落架在竖直方向上的运 动，认为飞机和起落架是一刚性整体； ( 5 ) 假定所有受刹机轮的刹车机构性能一致，且同步控制，则所有机轮的刹车 控制就简化为单轮单通道机轮的控制。 图3 - 1 为飞机滑跑中的受力情况图。 两北1 ：业大学硕士学位论文 第三章控制策略的研究 图3 - 1 乜机刹车过程的受力分析 i 水平方向= o ，得 矿警m g +