飛機(jī)雙余度全電剎車驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)與研究

戴志勇，林 輝，郭 皓

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安，710129)

0 引 言

隨著全電飛機(jī)技術(shù)研究的日益升溫，作為全電飛機(jī)關(guān)鍵技術(shù)之一，全電剎車取代傳統(tǒng)的液壓剎車已是大勢(shì)所趨。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究［1-3］。文獻(xiàn)中，剎車作動(dòng)器采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，取得了不錯(cuò)的剎車性能。然而，飛機(jī)剎車過(guò)程干擾大、工作環(huán)境惡劣，全電剎車驅(qū)動(dòng)控制器故障率相對(duì)較高。為了提高飛機(jī)剎車系統(tǒng)的可靠性，保證飛機(jī)安全著陸，本文以雙余度無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為作動(dòng)器本體，采用冗余技術(shù)，設(shè)計(jì)了飛機(jī)雙余度全電剎車驅(qū)動(dòng)控制器。

1 驅(qū)動(dòng)控制器整體設(shè)計(jì)

為了提高飛機(jī)剎車系統(tǒng)的可靠性，本文將無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)繞組、霍爾傳感器、壓力傳感器、驅(qū)動(dòng)主電路、驅(qū)動(dòng)電源和控制電源采用了余度設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)控制器整體設(shè)計(jì)如圖1所示。在剎車系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)控制器由兩個(gè)獨(dú)立的直流28 V控制電源和兩個(gè)獨(dú)立的直流270 V驅(qū)動(dòng)電源供電。其接收剎車壓力給定信號(hào)和雙余度壓力傳感器反饋的兩路剎車壓力反饋信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路輸入控制電路?？刂齐娐凡扇毫Ω櫤陀喽裙芾淼瓤刂撇呗裕謩e通過(guò)兩路電氣隔離的驅(qū)動(dòng)主電路控制雙余度無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)繞組。

圖1 剎車驅(qū)動(dòng)控制器整體結(jié)構(gòu)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)控制器硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。硬件整體可分為剎車壓力反饋調(diào)理電路、剎車壓力給定接收電路、DSP最小系統(tǒng)、CPLD最小系統(tǒng)、隔離電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、電流采集電路、過(guò)流保護(hù)輔助電路和電源系統(tǒng)9個(gè)部分。剎車壓力給定信號(hào)和剎車壓力反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)各自的調(diào)理電路，輸入DSP的AD端口，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，DSP接收到剎車開機(jī)指令后，通過(guò)控制程序調(diào)節(jié)，經(jīng)DSP的事件管理器，輸出分別控制電機(jī)兩個(gè)繞組的占空比信號(hào)。CPLD將占空比信號(hào)和電機(jī)霍爾信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，分別輸出控制兩個(gè)電機(jī)繞組運(yùn)轉(zhuǎn)的調(diào)制換相信號(hào)，經(jīng)隔離電路和功率驅(qū)動(dòng)電路，控制雙余度無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)過(guò)流故障時(shí)，過(guò)流保護(hù)輔助電路輔助程序關(guān)斷占空比信號(hào)，從而排除過(guò)流故障。電流采集電路采集每個(gè)繞組的母線電流，從而實(shí)現(xiàn)均流策略。

圖2 驅(qū)動(dòng)控制器硬件設(shè)計(jì)

1.2 控制策略設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)控制器控制策略設(shè)計(jì)如圖3所示?？刂撇呗圆捎脡毫ν猸h(huán)和均流內(nèi)環(huán)控制。當(dāng)系統(tǒng)在雙余度工作模式下運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制器接收壓力給定和壓力反饋信號(hào)，經(jīng)壓力PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輸出，為了使雙余度電機(jī)的兩套繞組出力相同，將壓力環(huán)輸出平分作為兩個(gè)均流環(huán)的給定，通過(guò)經(jīng)典的PID調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)繞組電流均衡，最終實(shí)現(xiàn)剎車壓力給定跟蹤剎車壓力反饋。

圖3 驅(qū)動(dòng)控制器控制策略

2 剎車驅(qū)動(dòng)器仿真模型

為了驗(yàn)證飛機(jī)剎車驅(qū)動(dòng)控制器的整體性能，本文利用MATLAB/Simulink，建立了雙余度無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)本體和系統(tǒng)整體的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

2.1 雙余度無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

在本系統(tǒng)中，雙余度無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的額定電壓U=270 V，額定功率P=270×2 W，額定轉(zhuǎn)速n=9 000 r/min。電機(jī)的定子由兩個(gè)在空間上互差30°電角度的Y型連接的繞組構(gòu)成，兩套繞組彼此電氣隔離，且共用一個(gè)永磁體轉(zhuǎn)子。為了建立電機(jī)數(shù)學(xué)模型，做以下假設(shè)［4-6］。

(1)電機(jī)磁路不飽和;

(2)氣隙磁場(chǎng)為方波;

(3)電機(jī)繞組、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布均勻;

(4)不考慮電機(jī)的電樞效應(yīng)、換向過(guò)程、齒槽效應(yīng)、渦流損耗和磁滯損耗。

可得電機(jī)的電壓平衡方程：

式中：ea1(2)、eb1(2)、ec1(2)分別為余度 1(2)的 A、B、C相繞組的相反電動(dòng)勢(shì);ia1(2)、ib1(2)、ic1(2)分別為余度1(2)的 A、B、C 相繞組的相電流;ua1(2)、ub1(2)、uc1(2)分別為余度1(2)的A、B、C相繞組相電壓;L為每相繞組的自感;p為微分算子，

電機(jī)的電磁方程：

電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程：

式中：Te為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ω為機(jī)械角速度;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;B為粘滯摩擦系數(shù)。

根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/Simulink下，搭建雙余度無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的仿真模型。電機(jī)在雙余度開環(huán)下運(yùn)行，在0.05 s時(shí)，突加1 N·m負(fù)載的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 電動(dòng)機(jī)雙余度開環(huán)運(yùn)行0.05 s突加負(fù)載仿真結(jié)果

圖4(a)是電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，在0.05 s時(shí)，由于突加1 N·m負(fù)載，開環(huán)轉(zhuǎn)速下降。圖4(b)和圖4(c)分別是兩余度A相繞組反電勢(shì)局部放大波形和相電流局部放大波形。由于電機(jī)兩個(gè)余度繞組在空間上互差30°電角度，電機(jī)余度2繞組的相反電勢(shì)和相電流滯后余度1繞組30°電角度。

2.2 系統(tǒng)整體仿真模型

系統(tǒng)整體仿真模型如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)整體仿真模型

模型中采取壓力外環(huán)和均流內(nèi)環(huán)的控制策略，壓力給定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)作差，經(jīng)壓力環(huán)PID調(diào)節(jié)，結(jié)果平分輸入均流環(huán)，作為兩個(gè)均流環(huán)的給定信號(hào)。均流環(huán)將給定信號(hào)與各個(gè)余度母線電流信號(hào)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，輸出進(jìn)入PWM生成單元。PWM生成單元同時(shí)接收電機(jī)換相信號(hào)，生成換相調(diào)制信號(hào)分別觸發(fā)兩個(gè)獨(dú)立的逆變器的開關(guān)管動(dòng)作，從而控制電機(jī)，使系統(tǒng)對(duì)剎車盤施加的壓力跟蹤剎車壓力給定信號(hào)。

在MATLAB/Simulink下，對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行仿真，當(dāng)壓力給定為10 000 N的階躍信號(hào)時(shí)，其仿真結(jié)果如圖6所示。當(dāng)壓力給定為7 000+3 000sin 10t時(shí)，仿真結(jié)果如圖7所示。在圖6(a)和圖7(a)中，剎車壓力反饋曲線能夠很好跟蹤剎車壓力給定信號(hào)。圖6(b)和圖7(b)中，經(jīng)過(guò)均流控制，兩個(gè)余度繞組的母線電流達(dá)到均流效果。

仿真結(jié)果表明，剎車驅(qū)動(dòng)控制器超調(diào)小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)誤差小、性能優(yōu)良，能夠?qū)崿F(xiàn)均流效果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

系統(tǒng)整體實(shí)物圖如圖8所示。圖8(a)驅(qū)動(dòng)控制器實(shí)物圖，圖8(b)是剎車作動(dòng)器與受剎機(jī)輪實(shí)物圖。

剎車壓力實(shí)測(cè)跟蹤曲線如圖9所示。當(dāng)壓力給定為7 500+2 500sin 0.5t時(shí)，壓力跟蹤曲線如圖9(a)所示。其中，波形1為剎車壓力給定，1 V電壓代表5 000 N剎車壓力，波形2為剎車壓力反饋，1 V電壓代表1 000 N剎車壓力。壓力給定為5 000～10 000 N方波時(shí)，壓力跟蹤曲線如圖9(b)所示。其中，波形1為剎車壓力給定，1 V電壓代表5 000 N剎車壓力，波形2為剎車壓力反饋，1V電壓代表1 000 N剎車壓力。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，剎車壓力反饋能夠很好地跟蹤壓力給定。整個(gè)系統(tǒng)超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)精度高、性能優(yōu)良。

4 結(jié) 語(yǔ)

為了提高飛機(jī)剎車系統(tǒng)的可靠性，本文采用冗余技術(shù)，設(shè)計(jì)了雙余度剎車驅(qū)動(dòng)控制器。以雙余度無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為被控對(duì)象，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)控制器的軟件和硬件。利用MATLAB/Simulink，對(duì)雙余度無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)本體和系統(tǒng)整體進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在驅(qū)動(dòng)控制器的控制下，剎車壓力反饋能夠很好地跟蹤剎車壓力給定，整個(gè)系統(tǒng)超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)精度高、性能優(yōu)良。

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