飛機電傳剎車半實物仿真技術(shù)的研究

蘇田青，林 輝

(西北工業(yè)大學，陜西西安710129)

0 引 言

半實物仿真技術(shù)又稱為硬件在回路仿真技術(shù)，在條件允許的情況下盡可能在仿真系統(tǒng)中接入實物，以取代相應部分的數(shù)學模型，這樣更接近于實際情況，提高了仿真結(jié)果的置信度，是提高系統(tǒng)設(shè)計的可靠性和研制質(zhì)量的有效手段。

電傳剎車技術(shù)與傳統(tǒng)的液壓剎車技術(shù)相比，用機電作動器代替了傳統(tǒng)的液壓活塞，簡化了液壓系統(tǒng)中復雜的管路，極大減輕了飛機重量;同時，電傳系統(tǒng)具有完善的故障檢測能力，易于故障識別和隔離，飛機更易于維修;電傳剎車反饋閉環(huán)控制，剎車動態(tài)性能好，效率高，提高了飛機戰(zhàn)斗生存能力［1－2］。

1 飛機電傳剎車半實物仿真系統(tǒng)

1.1 半實物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

半實物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 中，飛機模型部分通過正確代入飛機參數(shù)計算得到飛機的滑跑距離、飛機速度、機輪速度、飛機俯仰角等關(guān)鍵物理量。防滑控制盒按基于給定飛機減速率的防滑剎車控制律計算得出給定剎車壓力。電機部分對剎車壓力實現(xiàn)閉環(huán)控制，通過剎車裝置輸出剎車力矩。

圖1 半實物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 MATLAB－DSP 自動代碼生成技術(shù)

MATLAB /Simulink 提供的Target Support Package TC2 軟件支持Taxes Instrument 公司C2000 系列DSP，提供DSP 所有功能接口模塊，運用該工具建立數(shù)字仿真Simulink 框圖;再利用MATLAB 實時工作平臺RTW 就可以由Simulink 框圖生成優(yōu)化的語言(如C 和Ada)代碼，產(chǎn)生的代碼既可以提高仿真的速度，又可以生成半實物仿真和實時控制與快速原型設(shè)計所需的代碼。RTW 建立起偏重軟件的系統(tǒng)設(shè)計和偏重硬件的產(chǎn)品開發(fā)之間的聯(lián)系［3］。

2 半實物仿真的設(shè)計

半實物仿真部分包括建立飛機模型、設(shè)計剎車控制律和代碼的自動生成技術(shù)。飛機電傳剎車半實物仿真系統(tǒng)數(shù)字仿真是應用MATLAB 2009a 的Simulink 框圖直接生成代碼程序于SEED－DEC28335中運行來實現(xiàn)的。

2.1 數(shù)字仿真部分的結(jié)構(gòu)

數(shù)字仿真結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)字仿真結(jié)構(gòu)圖

由圖2 可知，數(shù)字仿真的設(shè)計主要完成仿真模型的建立，代碼的自動生成和實驗結(jié)果的上傳。

2.2 防滑控制策略的設(shè)計

飛機在正常剎車的過程中，若剎車壓力過大，機輪會出現(xiàn)打滑甚至抱死的現(xiàn)象。這種情況是相當危險的，有可能導致機輪輪胎的磨損、爆胎，從而導致飛機滑出跑道，甚至機毀人亡［4］。

防滑控制策略結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 防滑控制策略結(jié)構(gòu)框圖

由圖3 可知，防滑控制盒采用PD + PBM 的防滑控制與給定減速率跟蹤控制相結(jié)合的控制策略。給定減速率與飛機速度的誤差作為分段PID 控制模塊的輸入，輸出部分作為剎車力的電流信號;PD +PBM 環(huán)節(jié)以機輪速度為輸入，計算出基準速度后，以兩者的誤差作為控制模塊的輸入，機輪跟蹤基準速度，輸出部分作為防滑力的電流信號;剎車力和防滑力相減，就得到實際剎車壓力。

該防滑控制策略的設(shè)計，既能夠?qū)崿F(xiàn)機輪防滑控制，也能夠滿足飛機速度減速率的要求，實現(xiàn)固定減速率不同檔位的自動剎車技術(shù)。

2.3 代碼自動生成前的程序框圖

代碼自動生成前的程序框圖如圖4 所示。

圖4 代碼自動生成前的程序框圖

由圖4 可知，系統(tǒng)在正確的飛機模型搭建基礎(chǔ)上，相應的接口利用Target Support Package TC2 中的功能模塊，其中，ADC 模塊共用9 路，8 路作為雙余度4 個電機壓力傳感器的壓力采集信號，1 路作為PWM 信號觸發(fā)ADC 采樣;GPIO 模塊共用4 個，通過4 位二進制編碼得到剎車選擇開關(guān)的檔位;硬件中斷和SCI 模塊以及定時器各用一個，定時器產(chǎn)生硬件中斷，利用SCI 模塊將包括幀頭幀尾、8 路壓力、飛機速度、機輪速度、滑跑距離、給定壓力和反饋壓力的15 路信號傳送給上位機;PWM 模塊共用2個，1 個作為上述ADC 采樣的觸發(fā)信號，另1 個通過相應的硬件濾波電路將剎車壓力信號傳給硬件部分。

3 電傳剎車系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件部分總體框架

系統(tǒng)硬件總體框架圖如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)硬件總體框架圖

由圖5 可知，硬件部分以DSP + CPLD 數(shù)字核心，利用DSP 強大的運算能力，完成給定壓力調(diào)節(jié)、SCI 串口通訊，雙余度無刷直流電動機的PWM 控制、電機位置和轉(zhuǎn)速的捕獲、故障信號的反饋等功能;利用CPLD 強大的邏輯運算能力，完成電機轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)、使能控制、三相全橋控制信號調(diào)理、以及邏輯故障檢測等功能。

3.2 CPLD 處理邏輯信號

CPLD 具有強大的邏輯運算能力，將DSP 輸出的電機使能信號、轉(zhuǎn)向信號、T1PWM 信號與轉(zhuǎn)子位置霍爾信號按照一定的邏輯運算，輸出用于控制無刷直流電動機開關(guān)電路(三相全橋逆變電路)中開關(guān)管導通、關(guān)斷的初始PWM 信號，這些PWM 信號經(jīng)過隔離和功率放大，控制開關(guān)電路，進而驅(qū)動無刷直流電動機按要求轉(zhuǎn)動。

利用QUARTUS II 軟件驗證的電機驅(qū)動信號時序圖如圖6 所示。

圖6 電機驅(qū)動信號時序圖

由于采用的是“上斬下不斬”的控制方法，所以輸出的APWM1、APWM3、APWM5 有斬波，APWM2、APWM4、APWM6 為高、低電平。

當DIR1 信號由 “0”變?yōu)?“1”后，在APWM1～APWM6 的作用下，開關(guān)電路上6 個開關(guān)管的開通順序發(fā)生變化，電機實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

當ENABLE1 信號由 “0”變?yōu)?“1”后，邏輯中“1”代表禁止電機轉(zhuǎn)動，則輸出的APWM1、APWM3、APWM5 變?yōu)楦唠娖?驅(qū)動電路對低有效)，APWM2、APWM4、APWM6 繼續(xù)為高、低電平，則開關(guān)電路的上橋臂均不導通，電機停止轉(zhuǎn)動。

3.3 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計

本系統(tǒng)中，應實現(xiàn)對反饋壓力信號和電流信號的采集處理。上位機需要實時記錄剎車壓力信號，在傳輸過程中若以電壓的形式傳送，導線上會產(chǎn)生明顯的衰減和引入大量的電磁干擾。解決方式為運用XTR111 芯片設(shè)計電壓轉(zhuǎn)電流電路。0～3 V 電壓信號轉(zhuǎn)換為0～20 mA 電流信號，對應0～15 000 N的剎車盤載荷壓力。電壓轉(zhuǎn)電流電路如圖7(a)所示。

電流采樣單元如圖7(b)所示。電流采樣芯片選用ACS712。ACS712 芯片串聯(lián)在逆變器的母線電流回路中，從而測得電機的母線電流。由于芯片采用了霍爾技術(shù)，較好地隔離了強電電路和弱電電路。

圖7 數(shù)據(jù)采集電路

3.4 雙余度無刷直流電機的設(shè)計

全電剎車系統(tǒng)要求機電作動機構(gòu)反應靈敏，能夠快速地起動、停止、加速和減速，且運行平穩(wěn)、到位準確。雙余度無刷直流電機轉(zhuǎn)矩響應快、控制特性好、運行效率高、任務可靠性高，能夠滿足系統(tǒng)要求。

本文設(shè)計的雙余度無刷直流電動機定子繞組為雙繞組，由兩套在空間上互差30°電角度且彼此電氣隔離的Y 型連接的繞組組成。兩套繞組彼此互為余度，在空間上有電磁耦合。輸出力矩是兩套繞組與電機磁場作用產(chǎn)生的合成輸出力矩。正常情況下，系統(tǒng)雙余度模式運行，兩套繞組各承擔一半負載。此時電機的機電常數(shù)小，動態(tài)性能高。當一套繞組出現(xiàn)故障，采用余度管理，將故障部分從系統(tǒng)內(nèi)切除，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成單通道模式下運行，從而實現(xiàn)容錯和提高系統(tǒng)可靠性的目的。

4 實驗結(jié)果分析

飛機電傳剎車系統(tǒng)可對飛機整個著陸剎車過程進行試驗。電傳自動剎車分為高、中、低三檔，分別對應3．05 m/s2、2．1 m/s2、1．5 m/s2的減速率。

選擇“高”檔時自動剎車的實驗結(jié)果如圖8 所示。

圖8 選擇“高”檔時自動剎車的實驗結(jié)果

選擇“高”檔3．05 m/s2減速率剎車時，飛機初始速度72 m/s，理想剎車結(jié)果:

如圖8(a)所示，剎車時間24 s，滑跑距離990 m，時間誤差0．4 s，距離誤差140．6 m?？紤]到實際剎車動作的執(zhí)行比給定信號延遲2～3s，開始時飛機以略小于初始速度(平均68 m/s)運行2～3 s(滑跑距離136～204 m)，才開始正常減速，距離誤差不可避免，在可以接受的范圍內(nèi)，所以實驗結(jié)果與實際相符，滿足剎車系統(tǒng)性能指標要求。

圖8(b)為飛機速度和機輪速度對比波形，兩條曲線基本重合，下降平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)較大的波動和機輪打滑，說明自動剎車過程平穩(wěn)，安全性高，可控性強。

圖8(c)為給定與反饋剎車壓力對比波形，除了壓力給定輸出開始階段出現(xiàn)瞬間較大的超調(diào)(控制律參數(shù)調(diào)節(jié)尚需完善)外，壓力反饋和壓力給定曲線一致性較好，穩(wěn)定值都在3 850 N 左右，壓力值基本恒定，過程平穩(wěn)，滿足自動剎車平穩(wěn)性能指標以及剎車系統(tǒng)設(shè)計要求。

［1］ 劉冠志．飛機全電剎車驅(qū)動器設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．計算機測量與控制，2010，18(2):326－328．

［2］ Lennon W K，Passino K M．Intelligent control for brake systems［J］．IEEE Transactions on control systems technology，1999，7(2):188－202．

［3］ 張祥，楊志剛，張彥生．MATLAB /Simulink 模型到C /C + + 代碼的自動生成［J］．重慶工學院學報，2006，20(11):111－113．

［4］ 蔡文舉．飛機全電防滑剎車控制器設(shè)計［D］．西安:西北工業(yè)大學，2007．