飛機(jī)數(shù)字化全電剎車系統(tǒng)的設(shè)計

施建洪，漆云海，李建海，辛慶偉

（1.海軍航空工程學(xué)院a.控制工程系；b.基礎(chǔ)實驗部，c.接改裝訓(xùn)練大隊，山東煙臺264001；2.海軍裝備部航訂部，北京100841）

飛機(jī)數(shù)字化全電剎車系統(tǒng)的設(shè)計

施建洪1a，漆云海2，李建海1b，辛慶偉1c

（1.海軍航空工程學(xué)院a.控制工程系；b.基礎(chǔ)實驗部，c.接改裝訓(xùn)練大隊，山東煙臺264001；2.海軍裝備部航訂部，北京100841）

設(shè)計的飛機(jī)全電剎車系統(tǒng)，以四無刷直流電機(jī)驅(qū)動四滾珠絲杠布局的機(jī)電作動機(jī)架，取代了原來液壓剎車的活塞閥門作動機(jī)架，電機(jī)通過傳動裝置驅(qū)動滾珠絲杠松剎剎車盤實現(xiàn)飛機(jī)的剎車。在硬件設(shè)計上，剎車控制器的CPU采用TI公司的電機(jī)及運動控制專用DSP2407，以滿足對控制系統(tǒng)的性能要求；4臺無刷直流電機(jī)的換相信號由可編程邏輯器件完成；對電機(jī)的驅(qū)動采用了MOSFET與柵極驅(qū)動芯片IR2130組成的功率驅(qū)動電路，實現(xiàn)了無刷直流電機(jī)的高效驅(qū)動。

全電剎車；無刷直流電機(jī)；數(shù)字化；電路設(shè)計

飛機(jī)剎車系統(tǒng)是飛機(jī)上具有相對獨立功能的子系統(tǒng)，其作用是承載飛機(jī)的靜態(tài)重量、動態(tài)沖擊載荷以及吸收飛機(jī)著陸時的動能，實現(xiàn)飛機(jī)的起飛、著陸、滑行、轉(zhuǎn)彎的制動和控制。全電飛機(jī)用機(jī)電設(shè)備代替飛機(jī)上的所有液壓裝置，具有系統(tǒng)重量減輕、易于維修、效率提高、利用性更強(qiáng)等優(yōu)點。全電剎車系統(tǒng)是一個至關(guān)重要的子系統(tǒng)。相對于傳統(tǒng)液壓剎車系統(tǒng)，全電剎車系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點：電作動機(jī)構(gòu)取代液壓作動機(jī)構(gòu)，避免液壓油泄漏、燃燒的危險，提高了安全性，同時減輕了飛機(jī)的重量；增加剎車力矩反饋控制，顯著改善防滑性能，延長輪胎和剎車裝置的使用壽命；系統(tǒng)的模塊化和實時檢測功能使飛機(jī)易于維修，提高飛機(jī)的生存能力；電剎車系統(tǒng)的剎車作動頻率高于液壓剎車系統(tǒng)的剎車作動頻率，剎車效率也高于液壓剎車系統(tǒng)的剎車效率[1-4]。

本文對全電剎車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行了分析，總結(jié)了全電剎車控制器的特點，給出了全電剎車系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，包括數(shù)字式剎車控制器、無刷直流驅(qū)動電機(jī)、傳感器、PWM驅(qū)動與隔離電路、飛機(jī)與機(jī)輪速度處理電路等。

1 全電剎車系統(tǒng)的組成分析

全電剎車系統(tǒng)的組成與原理框圖如圖1所示。

圖1 全電剎車系統(tǒng)的組成Fig.1 Structure of all electrical aircraft braking system

整個剎車系統(tǒng)主要由數(shù)字式剎車控制器、功率驅(qū)動電路、機(jī)電作動器（EMA）剎車機(jī)架和受剎機(jī)輪組成，EMA剎車機(jī)架則由無刷直流電機(jī)、滾珠絲杠構(gòu)成（圖1中虛線部分）。系統(tǒng)的大體運作流程為：飛機(jī)速度信號、機(jī)輪速度信號和剎車力矩信號經(jīng)速度傳感器和力矩傳感器反饋送入數(shù)字式防滑剎車控制盒，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號輸入到電機(jī)的功率驅(qū)動電路，由功率驅(qū)動電路控制電機(jī)運轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動滾珠絲杠，滾珠絲杠輸出剎車壓力到剎車盤，產(chǎn)生相應(yīng)的剎車力矩。因此，全電剎車系統(tǒng)形成了以機(jī)輪速度、飛機(jī)速度和剎車力矩為負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)[5-7]。

數(shù)字式剎車控制器是整個系統(tǒng)的核心部件，它以高性能DSP為核心，實現(xiàn)了整個剎車系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。機(jī)電作動機(jī)構(gòu)中電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動減速后被轉(zhuǎn)換為壓緊剎車盤的軸向運動，這里采用高性能的無刷直流電機(jī)作動力以及低慣性的部件滾珠絲杠作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使得機(jī)電作動器的頻率響應(yīng)可以達(dá)到20～30 Hz，比之液壓剎車系統(tǒng)提高了2～3倍。由于增加了力矩反饋控制系統(tǒng)，解決了剎車摩擦變化的問題，可提供準(zhǔn)確的剎車響應(yīng)，顯著改善了剎車力矩的控制和防滑性能，縮短了剎停距離，提高了輪胎和剎車裝置的使用壽命。

2 全電剎車系統(tǒng)的實現(xiàn)方案

2.1 數(shù)字式剎車控制器

數(shù)字式剎車控制器是系統(tǒng)的核心。由于每個受剎機(jī)輪需要4臺作動器，控制任務(wù)較為繁重，這就要求采用高性能的處理器作為核心處理器。本文采用TI公司開發(fā)的TMS320LF2407電機(jī)專用數(shù)字信號處理器，該處理器具有30 MIPS的執(zhí)行速度，由4個比較單元產(chǎn)生PWM波可為4臺電機(jī)提供斬波信號，實現(xiàn)對電機(jī)的控制[8]。電機(jī)的驅(qū)動信號和其他一些邏輯由復(fù)雜可編程邏輯器件EPM7128產(chǎn)生。數(shù)字式控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)字式剎車控制器Fig.2 Controller of digital braking

2.2 驅(qū)動電機(jī)

驅(qū)動電機(jī)是全電剎車系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)。無刷直流電動機(jī)是隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型直流電動機(jī)，它是以電子換向裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流電動機(jī)的由電刷和換向器組成的機(jī)械換向裝置，由于取消了電刷、換向器、因而具有交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點，又具有直流電動機(jī)的調(diào)速性能，無勵磁損耗、效率高等諸多優(yōu)點。因此，本文的驅(qū)動電機(jī)選用無刷直流電機(jī)。

EMA剎車機(jī)架是4電機(jī)4滾珠絲桿作動機(jī)構(gòu)布局，電機(jī)選用重量輕、體積小的稀土永磁無刷直流電機(jī)，每個電機(jī)通過2級齒輪傳動裝置，獨立控制一個滾珠絲桿作動器。其中，第1級齒輪傳動為直角減速齒輪，第2級為圓柱減速齒輪，齒輪系的傳動比由電機(jī)功率、滾珠絲杠參數(shù)及剎車性能要求共同決定。正常剎車時使用其中的2套作動裝置，就能完成飛機(jī)的安全剎停，另外2套電機(jī)作動裝置作為應(yīng)急備用[4-5]。

2.3 傳感器

傳感器本系統(tǒng)要使用4個傳感器：機(jī)輪轉(zhuǎn)速傳感器、飛機(jī)速度傳感器、剎車力矩傳感器、電機(jī)速度傳感器。其中，機(jī)輪轉(zhuǎn)速傳感器和飛機(jī)速度傳感器均采用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器，飛機(jī)速度傳感器裝在飛機(jī)的前輪，基本反映了飛機(jī)的實際速度。電機(jī)速度傳感器采用裝設(shè)在電機(jī)內(nèi)部的光電式轉(zhuǎn)速傳感器，產(chǎn)生的輸出信號是標(biāo)準(zhǔn)的方波信號，處理電路和機(jī)輪轉(zhuǎn)速傳感器相同。剎車力矩傳感器輸出一個頻率和剎車力矩成正比的正弦信號[4]。

2.4 PWM信號驅(qū)動隔離電路

為保證系統(tǒng)運行的可靠性，應(yīng)盡可能減小主電路干擾對CPU工作產(chǎn)生影響。因此，本系統(tǒng)將控制電路部分和電機(jī)驅(qū)動電路相互隔離。將CPLD產(chǎn)生的驅(qū)動信號經(jīng)過驅(qū)動電路74HCO4提高信號的驅(qū)動能力，然后再經(jīng)過光電隔離后驅(qū)動IR2130電機(jī)驅(qū)動電路。

本系統(tǒng)中選擇的光電隔離器件為TLP521-4，這是一種高速光耦，其最高速度可達(dá)1 Mbit/s，其單路PWM信號連接的電路如圖3所示。

圖3 PWM信號驅(qū)動隔離電路Fig.3 PWMdriving and insulating circuit

當(dāng)CPLD輸出的電機(jī)觸發(fā)信號PWM11為低電平時，發(fā)光二極管不通，p11為高電平，當(dāng)PWM11為高電平時，輸入端的發(fā)光二極管導(dǎo)通，p11輸出為低電平，p11直接接到功率驅(qū)動電路，控制電機(jī)的換相。

2.5 驅(qū)動電路

功率元件驅(qū)動電路的特性在PWM控制系統(tǒng)中占有很重要的地位。在全橋電路中，主電路有6個功率開關(guān)器件。本文采用美國國際整流公司生產(chǎn)的專用驅(qū)動芯IR2130。IR2130使用1個電源即可驅(qū)動三相橋式電路的6個功率開關(guān)器件，可使驅(qū)動電路簡單可靠[9]。電機(jī)的驅(qū)動電路如圖4所示。

圖4 電機(jī)驅(qū)動電路Fig.4 Driving circuit for motor

2.6 飛機(jī)與機(jī)輪速度處理電路

本文用到的飛機(jī)速度以自由滾動的飛機(jī)前輪速度代替。在飛機(jī)前輪與受剎機(jī)輪上都裝有電磁感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器，當(dāng)機(jī)輪旋轉(zhuǎn)時傳感器會產(chǎn)生一個交流信號，交流信號的頻率與機(jī)輪的轉(zhuǎn)速成正比，交流信號的振幅隨輪速的變化而變化，峰峰值在0.5～1.5 V間，將此信號轉(zhuǎn)換成同頻率的方波后送入DSP的捕獲單元即可得到機(jī)輪的轉(zhuǎn)速值。電路如圖5所示。

圖5 機(jī)輪速度處理電路Fig.5 Aircraft wheel speed adjusting circuit

比較器MAX9039為+3.3 V供電，輸出高電平為3.3 V，低電平為0 V，因而比較器采用非零比較形式。利用電容耦合電路將輸入信號的電平抬高2.5 V，使得輸入電平在2.25～3.25 V之間。因機(jī)輪傳感器的輸出信號存在干擾，為提高電路的抗干擾能了將其接成遲滯比較器，通過調(diào)整POT1的阻值就可以改變門限的寬度。

3 結(jié)論

本文設(shè)計了基于DSP與CPLD的數(shù)字式全電剎車控制器，給出了全電剎車控制器的具體實現(xiàn)電路，以DSP2407作為系統(tǒng)的控制核心，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、容易實現(xiàn)較為復(fù)雜的控制律等優(yōu)勢，有利于提高了剎車系統(tǒng)的整體性能。

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Design of Aircraft Digital Electric Braking System

SHI Jian-hong1a,QI Yun-hai2,LI Jian-hai1b,XIN Qing-wei1c
（1.Naval Aeronautical and Astronautical University a.Department of Control Engineering;b.Department of Basic Experiment; c.Training Brigade of Equipemnt Acceptance and Modification,Yantai Shandong 264001,China; 2.Aviation Scientific Research Ordering Branch of NED,Beijing 100841,China）

The structure and aircraft electric braking system was presented.The piston and valve actuated housing for hydraulic braking system was replaced by electro-mechanical actuated housing,which consisted of four motors and four ball screws.The ball screw,driven by the motor through gearing,put pressure to braking carbon stack.The CPU of digital controller used DSP TMS320F2407,which was designed for motor and motion control applications.The control signal for brushless DC motor was produced by programmable logic device.The motor driving circuit comprised by MOSFET IR2130 was used to drive the motor efficiently.

electric braking;brushless DC motor;digital;circuit design

TM341

A

1673-1522（2014）04-0351-04

10.7682/j.issn.1673-1522.2014.04.011

2013-12-27；

2014-03-19

施建洪（1963-），男，副教授，碩士。