基于磁流變液的飛機起落架嵌入式緩沖控制器設(shè)計*

傅莉，李彬彬，胡為，陳新禹

（1.沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，沈陽110136；2.沈陽航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，沈陽110136）

基于磁流變液的飛機起落架嵌入式緩沖控制器設(shè)計*

傅莉1，李彬彬2，胡為1，陳新禹2

（1.沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，沈陽110136；2.沈陽航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，沈陽110136）

基于飛機著陸和滑行過程中，飛機起落架中磁流變阻尼器的阻尼力的不可控的問題。提出基于磁流變液的飛機起落架嵌入式緩沖控制器設(shè)計方法，設(shè)計了針對控制磁流變阻尼器阻尼力的緩沖控制系統(tǒng)，主要包括嵌入式數(shù)字信號處理器DSP的選擇，控制系統(tǒng)的原理設(shè)計，電源產(chǎn)生電路和復(fù)位電路模塊，JTAG仿真電路模塊，A/D采樣校正模塊，D/A轉(zhuǎn)換模塊，壓控電流源驅(qū)動模塊。通過電路模塊的仿真，由控制系統(tǒng)中壓控電流源出來的電流在阻尼器接受范圍之內(nèi)，證明了設(shè)計的磁流變緩沖控制器能對阻尼力的大小進行控制，對飛機起落架的緩沖系統(tǒng)起到調(diào)節(jié)作用。

飛機起落架，阻尼力，嵌入式，緩沖控制器，數(shù)字信號處理器

0　引言

飛機在著陸撞擊和不平坦的跑道上高速滑跑時會產(chǎn)生較大載荷。為了有效避免載荷過大，飛機起落架一般都有緩沖系統(tǒng)?，F(xiàn)代飛機起落架大部分采用油氣式緩沖器，如雙氣腔式、單氣腔式等緩沖器，此處選用磁流變阻尼器最為起落架的緩沖裝置。磁流變阻尼器由于其具有性能優(yōu)良、反應(yīng)迅速和能耗低、阻尼調(diào)節(jié)范圍大等特點，為緩沖裝置的實現(xiàn)提供了可能［1-2］。磁流變阻尼器是以磁流變液為工作介質(zhì)的阻尼器，利用磁流變液的流變特性，通過改變磁流變液周圍的磁場強度來控制阻尼力的大小。磁流變阻尼器可以有效地克服油氣式阻尼器阻尼不可調(diào)的缺點，有效改善起落架著陸緩沖性能［3］。Carlson JD［4］提出了一種用于陸地運輸?shù)钠嚧帕髯冏枘崞鲬壹芟到y(tǒng)；Gordaninejad F［5］開發(fā)出高速運行汽車多功能可控半主動磁流變阻尼器。針對磁流變阻尼器在汽車懸架上的應(yīng)用，把磁流變阻尼器應(yīng)用到飛機起落架上并通過DSP處理器進行控制，基于磁流變阻尼的緩沖器在飛行器著陸程中受到的沖擊載荷更小，而且需要的行程空間更?。?］。

與微控制器（MCU）和微處理器（ARM）相比，強大的數(shù)據(jù)處理能力和高速的運行速度是DSP處理器最突出的兩大特色，并且DSP處理器還具有可編程性，它的實時運行速度每秒能夠達到數(shù)以千萬條復(fù)雜的指令程序，遠遠超過通用微處理器［7］。

飛機起落架緩沖控制系統(tǒng)采用的是TI公司的TMS320F28XX系列。TMS320F28XX具有強大的數(shù)字信號處理能力、時間管理能力和嵌入式控制功能，因此，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，如工業(yè)自動化控制、電力電子技術(shù)應(yīng)用、智能儀器儀表、電機伺服控制系統(tǒng)等。

1　飛機起落架嵌入式緩沖控制系統(tǒng)原理

本文把磁流變液用到飛機起落架上，以磁流變緩沖系統(tǒng)作為飛機起落架的緩沖裝置，設(shè)計出一種以DSP處理器為核心的硬件電路控制系統(tǒng)，設(shè)計的性能和可行性都能達到要求［8］。在飛機著陸過程中，位移傳感器采集到機體運動的相對位移信號和壓力傳感器采集到的壓力信號傳給DSP控制器，經(jīng)過信息處理后把相應(yīng)的控制信號傳給磁流變阻尼器，從而控制磁流變阻尼器阻尼力的大小。

本次設(shè)計的主要研究內(nèi)容是將DSP處理器用到飛機起落的磁流變阻尼器控制系統(tǒng)中，有效控制磁流變阻尼器的阻尼力的大小，主要設(shè)計原理如圖1所示。

圖1　飛機起落架磁流變阻尼器嵌入式控制系統(tǒng)原理框圖

原理框圖中所用的嵌入式DSP處理器為TI公司的TMS320F28XX系列，由檢測機構(gòu)（位移和信號傳感器）提出的位移信號和壓力信號通過模擬輸入通道給DSP中的A/D采樣校正電路進行采樣校正，由DSP進行控制算法和程序的實現(xiàn)，信號通過DSP進行處理后轉(zhuǎn)換為一系列的數(shù)字信號，這些數(shù)字信號通過DSP的I/O端口傳給外部設(shè)備D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成電壓信號，再將D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓信號給壓控電流源驅(qū)動電路，最后由壓控電流源輸出電流信號給磁流變阻尼器，從而控制磁流變阻尼器的阻尼力。JTAG電路用來下載程序、仿真測試，復(fù)位電路可以用來對控制系統(tǒng)進行復(fù)位，外擴RAM電路是存儲數(shù)據(jù)的高速緩存，晶振電路是保護程序且讓控制程序順利運行的保障。

2　飛機起落架嵌入式緩沖控制硬件電路系統(tǒng)設(shè)計

2.1JTAG仿真電路模塊

在設(shè)計JTAG仿真電路模塊時，考慮到JTAG電路的抗干擾性，在與DSP相連接的端口均需要采用上拉設(shè)計。上拉設(shè)計就是在設(shè)計過程中將不確定的信號通過一個電阻嵌位在高電平，電阻同時起限流作用。JTAG電路如圖2所示。

圖2　JTAG電路

2.2電源產(chǎn)生電路和復(fù)位電路模塊

TMS320F2812工作時所要求的電壓分為兩部分：3.3 V的Flash電壓和1.8 V的內(nèi)核電壓。TMS320F2812對電源很敏感，所以本控制系統(tǒng)所使用的是電壓精度比較高的電源芯片SPX1117。電源產(chǎn)生電路如圖3所示。

圖3　電源產(chǎn)生復(fù)位電路

電源插孔JACK1標識為內(nèi)正外負，+5 V穩(wěn)壓源的開關(guān)。SPX1117-3.3電源轉(zhuǎn)換芯片（U1）作為5 V轉(zhuǎn)3.3 V的高性能穩(wěn)壓芯片，為整個控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的主電源VCC（3.3 V）。SPX1117-3.3電源轉(zhuǎn)換芯片（U2）提供的3.3 VA是提供給AD使用的。SPX1117-1.8電源轉(zhuǎn)換芯片（U3）提供1.8 V給DSP內(nèi)核使用。SPX1117輸出后的47 uF的電容不能省略，這樣能更好地保證電源質(zhì)量。

SPX1117系列LDO芯片輸出電流最高可達800mA（注意后綴），輸出電壓的精度在±1%以內(nèi)，還具有電流限制和熱保護功能，并且價格低廉，廣泛應(yīng)用于手持儀表，數(shù)字家電和工業(yè)控制領(lǐng)域。使用時，輸出端通常接一個10 uF或者47 uF的電容來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。

使用專門復(fù)位芯片SP708R，保證DSP芯片可靠復(fù)位，并提供手工復(fù)位按鈕，方便調(diào)試。本控制系統(tǒng)中只采用了SP708R的7腳（/RST）對DSP進行復(fù)位。

2.3控制系統(tǒng)A/D采樣校正模塊

TMS320F2812中內(nèi)置有16通道、12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

圖4　A/D轉(zhuǎn)換電路

本控制系統(tǒng)A/D采樣校正模塊中A/D轉(zhuǎn)換電路與芯片LM358共同組成放大電路，位移傳感器和壓力傳感器輸出的電壓在0V～5 V之間，上位移信號、下位移信號、壓力信號通過ADCINA1'、ADCINA2'、ADCINA3'插針引到LM358運放進行電壓調(diào)理，為了保證模擬信號能在TMS320F2812可接受的電壓范圍內(nèi)，且防止外部干擾，本模塊還設(shè)計了鉗位保護電路，以保證輸入到TMS320F2812芯片的信號在0 V～3.3 V之間，如圖中DQ1、DQ2為兩個二極管，當經(jīng)過LM358放大電路出來的電壓信號略高于3.3 V時DQ2二極管被導(dǎo)通，輸入到A/D端口電壓直接為3.3 V，同理，當經(jīng)過LM358放大電路出來的電壓信號略低于3.3 V時DQ1二極管被導(dǎo)通，輸入到A/D端口電壓直接為0 V。這樣就通過這兩個二極管將ADC端口輸入電壓保持在其允許的范圍內(nèi)，使其正常工作。

2.4控制系統(tǒng)數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換模塊

當控制系統(tǒng)對傳感器提取的模擬信號由A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號變成數(shù)字信號，再經(jīng)過控制算法的分析運算，為了實時控制系統(tǒng)的能產(chǎn)生相應(yīng)的電流信號，所以必須再將分析后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，此時可以由SPI實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換。SPI是一個高速同步的串行輸入/輸出口，通常稱為串行外設(shè)接口，SPI的通信速率和通信數(shù)據(jù)長度都可編程。SPI實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換功能所選用的D/A轉(zhuǎn)換器為TI公司的TLC5620串行4通道8位D/A轉(zhuǎn)換器。DSP芯片TMS320F2812通過SPI口與TLC5620相連接。數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路圖如5所示。

圖5　D/A轉(zhuǎn)換器電路圖

本控制系統(tǒng)中D/A轉(zhuǎn)換器的4路D/A信號均經(jīng)過電壓跟隨器輸出，由于TLC5620的控制信號要求的VIH（輸入高電平）較高［9］，所以需要將DSP輸出的SPICLK、SPISIMO以及I/O口模擬的CS信號的電平提高。

2.5壓控電流源驅(qū)動模塊

圖6　壓控電流源驅(qū)動模塊

此驅(qū)動電路采用3個運算放大器型號為OP07CP，所用的場效應(yīng)管型號為IRF640，V1為可變電壓，R8為采樣電阻，這個電阻是可變的，運算放大器0P07采用雙電源供電，圖中P2為它的供電源，其中+12V是場效應(yīng)管IRF640的供電電源。由于D/A芯片TLV5620的最大輸出電壓為3.2 V，所以此電壓可調(diào)范圍為0 V～3.2 V，由D/A電壓轉(zhuǎn)化器輸出得到。設(shè)經(jīng)過第1個運算放大器和第2個運算放大器后所得到的電壓為U2，輸入電壓為最大值3.2 V時，可得出等式：20 KΩ千歐/10 KΩ=3.2 V/U2，得出U2=1.6 V，此時Id=U2/R8=1.6 V/0.8Ω=2 A。因此，當輸入電壓在0V～3.2V時可以使場效應(yīng)管漏極所產(chǎn)生的電流在0A～2A范圍之間，此電流直接給磁流變阻尼器，從而控制磁流變阻尼器阻尼力的大小，圖中的Relay1為接磁流變阻尼器的接線端子。

3　電路模塊控制仿真驗證

壓控電流源驅(qū)動電路采用Multisim模擬仿真得到的結(jié)果如圖7所示，其中仿真軟件給的電壓V1即D/A的輸出電壓，D/A的輸出電壓與壓控電流源驅(qū)動電路處理后所得到的輸出電流是成線性變化的。D/A輸出電壓為3.2 V，運放U2的輸出電壓為1.6 V（XMM2顯示的電壓），從場效應(yīng)管輸出的電流為2 A（XMM1顯示的電流），場效應(yīng)管出來的電流即為磁流變阻尼器的輸入電流，此電流為控制磁流變阻尼器的最大電流。

圖7　壓控電流源驅(qū)動電路仿真圖

A/D信號采樣電路仿真圖如圖8所示，A/D采樣進入處理器的電壓是3.003 V（XMM1顯示的電壓）。由于本控制系統(tǒng)采用的傳感器輸入電壓范圍在0 V～5 V，而TMS320F2812所能承受的最大電壓為3.3 V，所以在傳感器采集的信號輸入到TMS320F2812中的電壓信號必須通過信號調(diào)理，使輸入信號在DSP所能承受的電壓范圍之內(nèi)，此信號采樣電路可以將信號控制到DSP所能接受的范圍，而且還能將處理后的信號與處理前的信號成線性關(guān)系變化。

4　結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于磁流變阻尼器的飛機起落架嵌入式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以TI公司的一款高性能、多功能、高性價比的32位定點DSP處理器F2812為核心，將磁流變技術(shù)應(yīng)用于起落架緩沖器上，針對某型號飛機起落架緩沖控制系統(tǒng)提出其緩沖控制方案，以及外圍擴展電路等的設(shè)計。通過模塊電路的仿真，能夠?qū)崿F(xiàn)對磁流變阻尼器的阻尼力的大小進行控制，從而對飛機起落架的緩沖系統(tǒng)起到調(diào)節(jié)作用，設(shè)計達到了期望的效果。

圖8　A/D采樣電路仿真圖

［1］YANG G S.Large-scale MR fluidsDampers：modeling and dynamic performance consideration［M］.OXford：Engineering Structures，2004.

［2］PAN GY，HIROSHIM，YOSHIHISH H.Analyticalmodelof amagneto rheological damper and its application to the vibration control［C］//PROCOf System Integrity and Maintenance，Kyoto，2000，1850-1855.

［3］姜哲珠.基于磁流變減震器的輕型起落架設(shè)計及其減震特性研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

［4］CARLSON J D.Commercial magneto-rheological fluid devices［C］//Proceeding of the 5th internationalConference on ER Fluids，MR Suspensions and Associated Technology，1995：20-28.

［5］GORDANINEJAD F，KELSO S P.Magnet-rheological fluid shock absorbers for HMMWV［C］//Proceedings of SPIE，2000：266-273，506.

［6］BATTERBEE D C，SIM N D，STANWAY R，et al.Magnetorheological landinggear：I.a designmethodology［J］.Smart Materialsand Structures，2007，16（6）：2429-2440.

［7］MEYER B U.Digital signal processing with field programmable Gate Array［J］.Springer，2001，33（8）：53-59.

［8］CETIN S，ZERGEROGLU E，SIVRIOGLU S，et al.A new semiactive nonlinear adaptive controller for structures using MR damper：Design and experimental validation［J］.Nonlinear Dynamics2011，66（4）：731-743.

［9］康華光，陳大欽，張林，等.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.5版.北京：高等教育出版社，2008.

Aircraft Landing Gear Embedded Buffer Controller Design Based on M agneto-rheological Fluid

FU Li1，LIBin-bin2，HUWei1，CHENXin-yu2
（1.School of Aerospace Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China；2.School of Automation，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China）

Based on problem that themagneto rheological damper damping force of aircraft landing gear is not controllable in the process of aircraft landing and taxiing.A method of embedded buffer controller of aircraft landing gear based on magneto rheological fluid is presented and buffer control system is designed to control themagneto rheological damper damping force，whichmainly includes the selection of embedded digital signal processor（DSP）and the principle design of control system，power generation and reset circuitmodules，JTAG emulation circuitmodule，A/D sampling correction module，D/A converter module，voltage controlled current source driver module.Through the simulation of circuit module，the current in the magneto rheological buffer controller is accepted by the control system，the magneto rheological buffer controller designed can control damping force and play a regulatory role in the aircraft landing gear.

aircraft landing gear，damping force，embedded，buffer controller，digital signal processor（DSP）

V226

A

1002-0640（2016）09-0128-04

2015-07-05

2015-08-07

國家自然科學(xué)基金（61074090）；中航創(chuàng)新基金（cxy2013SH 16）；遼寧省自然科學(xué)基金聯(lián)合資助項目（2015020061）作者簡介：傅莉（1968-），女，遼寧沈陽人，博士，教授。研究方向：模式識別與智能系統(tǒng)。