大型民航客機(jī)油門裝置驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)*

楊家興，陳永琴，蘇三買，李 儀

（1.西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710071；2.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西西安 710072）

引 言

現(xiàn)代大型民航客機(jī)上，油門裝置是油門控制系統(tǒng)的重要操縱裝置，用于發(fā)動(dòng)機(jī)推力控制。油門裝置是一套可同時(shí)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作和自動(dòng)操作（在油門伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下使油門桿轉(zhuǎn)動(dòng)）的機(jī)械電子裝置。

飛機(jī)自動(dòng)飛行時(shí)，飛行控制系統(tǒng)將飛機(jī)所需的推力轉(zhuǎn)換為油門桿角度指令并產(chǎn)生一個(gè)油門驅(qū)動(dòng)信號(hào)以驅(qū)動(dòng)油門裝置的伺服電機(jī)，從而使油門裝置帶動(dòng)油門桿轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度。

為了將油門桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的物理角度變化轉(zhuǎn)換為發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制器（Electronic Engine Control,EEC）可接收的電信號(hào)，在油門裝置中設(shè)置有油門角度解算器。該解算器通常為與油門桿通過連桿連接的旋轉(zhuǎn)可變差動(dòng)變壓器（Rotary Variable Differential Transformer,RVDT）型角度傳感器，其將油門桿物理角度轉(zhuǎn)換為一個(gè)表征角位移的解算器角度電信號(hào)，并通過硬件接口直接傳送到EEC用于發(fā)動(dòng)機(jī)推力控制。

隨著技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)大型民航客機(jī)實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)飛行功能也越來越多，例如飛行過程中的姿態(tài)保持、高度保持、高度層改變、垂直導(dǎo)航、水平導(dǎo)航、航向/航跡保持等，而對(duì)油門的良好控制是這些的基礎(chǔ)[1]。

飛行控制系統(tǒng)發(fā)出油門角度控制指令后，油門裝置是否實(shí)現(xiàn)實(shí)際油門旋轉(zhuǎn)角度與指令角度的一致性，直接影響飛機(jī)飛行控制品質(zhì)。在油門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，非常重要的技術(shù)要求是保證油門桿角度的快速與準(zhǔn)確控制[2]。

油門控制系統(tǒng)在大型民航客機(jī)上應(yīng)用廣泛，國內(nèi)外相關(guān)理論研究文獻(xiàn)較多，主要為基于油門的飛行控制研究。文獻(xiàn)[3]對(duì)某噴氣式商用飛機(jī)的油門裝置進(jìn)行了系統(tǒng)化建模和仿真分析。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)油門控制系統(tǒng)的模糊比例積分微分（Proportional Integral Derivative, PID）控制器。文獻(xiàn)[5]分析了飛機(jī)自動(dòng)油門的工作模式以及控制律算法。文獻(xiàn)[6]介紹了某型民用飛機(jī)的自動(dòng)油門控制系統(tǒng)的組成、原理和工作模式。文獻(xiàn)[7]應(yīng)用雙冗余技術(shù)和故障檢測算法設(shè)計(jì)了油門控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[8]針對(duì)民用飛機(jī)控制律優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了一種適用于控制律設(shè)計(jì)和飛行員在環(huán)評(píng)估飛行品質(zhì)的試驗(yàn)方案。文獻(xiàn)[9]研究了飛機(jī)自動(dòng)推力系統(tǒng)的基本原理、與其他系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)以及自動(dòng)油門工作基本原理和邏輯設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[10]進(jìn)行了油門臺(tái)設(shè)計(jì)。

在飛行控制系統(tǒng)中，油門控制類似于飛行姿態(tài)控制的升降舵與方向舵控制，屬于發(fā)動(dòng)機(jī)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。從自動(dòng)控制原理的角度來看，飛機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的控制屬于控制外環(huán)，而作為發(fā)動(dòng)機(jī)推力控制中介的油門角度控制屬于控制內(nèi)環(huán)?，F(xiàn)有研究文獻(xiàn)多為基于自動(dòng)油門的推力控制，也即上述的外環(huán)控制，而對(duì)油門裝置中油門角度本身的驅(qū)動(dòng)控制研究較少。

近年來，我國設(shè)計(jì)的大型客機(jī)的油門裝置采用國外成套產(chǎn)品，關(guān)于油門裝置的驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)及理論研究開展得不多，制約了設(shè)計(jì)能力及自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的提升。基于上述背景，本文開展了油門裝置的結(jié)構(gòu)分析，并進(jìn)行了油門裝置驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)與仿真研究。

1 油門裝置結(jié)構(gòu)分析

油門裝置是飛機(jī)自動(dòng)油門系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的中介裝置，位于飛機(jī)駕駛艙的中央操作臺(tái)。以B737飛機(jī)為例，油門裝置在駕駛艙的位置如圖1所示，其中的油門桿（包括正推力桿和反推力桿）實(shí)物如圖2所示。整個(gè)油門裝置實(shí)物如圖3所示。

圖1 油門裝置在駕駛艙操縱臺(tái)上的位置

圖3 油門裝置實(shí)物

現(xiàn)代大型客機(jī)通常安裝兩臺(tái)或以上的發(fā)動(dòng)機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)雙發(fā)同步控制并同時(shí)實(shí)現(xiàn)駕駛員手動(dòng)推動(dòng)油門桿和自動(dòng)飛行時(shí)對(duì)油門驅(qū)動(dòng)，圖3所示的油門裝置在結(jié)構(gòu)上包含兩套相同的傳動(dòng)裝置，主要包括推力連桿、油門伺服電機(jī)、摩擦離合器和油門角度解算器，其工作原理如圖4所示。

圖4 油門裝置工作原理圖

伺服電機(jī)與減速器連接，減速器的輸出連接油門角度解算器和摩擦離合器，然后通過位于離合器外殼的耳柄以鉸鏈方式與推力連桿連接，實(shí)現(xiàn)與油門桿（正、反推力桿）聯(lián)動(dòng)。

在自動(dòng)飛行模式下，飛行控制系統(tǒng)根據(jù)飛機(jī)推力需求產(chǎn)生油門桿角度指令并發(fā)送給伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)油門桿轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度。在手動(dòng)模式下，摩擦離合器切斷油門伺服電機(jī)的控制輸入，油門桿在手動(dòng)推動(dòng)下帶動(dòng)油門角度解算器旋轉(zhuǎn)。

2 油門裝置驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

油門伺服電機(jī)是油門裝置的動(dòng)力源，決定了油門桿的旋轉(zhuǎn)速度和角度。對(duì)油門裝置的驅(qū)動(dòng)控制的核心是飛機(jī)自動(dòng)飛行模式下對(duì)該伺服電機(jī)的控制。

大型客機(jī)油門裝置伺服電機(jī)通常使用三相直流無刷（Brushless Direct Current, BLDC）電機(jī)[11]，結(jié)構(gòu)上主要包括定子、轉(zhuǎn)子和位置傳感器。BLDC電機(jī)通過位置傳感器實(shí)時(shí)檢測轉(zhuǎn)子的位置，再根據(jù)此位置給定子繞組的不同相輸入對(duì)應(yīng)的電流，使定子產(chǎn)生方向均勻變化的旋轉(zhuǎn)磁場。該旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子上永磁體的磁場相互作用產(chǎn)生與定子旋轉(zhuǎn)磁場相同的電磁轉(zhuǎn)矩輸出，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

BLDC電機(jī)最常用的控制方法是矢量控制技術(shù)，其基本思想是：通過坐標(biāo)變換和轉(zhuǎn)子磁場定向，將電機(jī)定子電流矢量分解成直軸勵(lì)磁電流分量id和交軸轉(zhuǎn)矩電流分量iq兩個(gè)分量，二者相互垂直正交，互不影響，以此實(shí)現(xiàn)BLDC電機(jī)的解耦控制。BLDC電機(jī)通過控制id來控制勵(lì)磁大小，通過控制iq來控制轉(zhuǎn)矩大小，從而獲得與直流電機(jī)類似的控制性能[12]。針對(duì)油門裝置高精度、低負(fù)載的要求，采用id為0的控制方法來控制電機(jī)。通過霍爾裝置檢測相電流，進(jìn)行電機(jī)內(nèi)部的電流閉環(huán)控制；通過磁編碼器檢測電機(jī)角速度，進(jìn)行電機(jī)速度閉環(huán)控制；通過RVDT檢測油門桿角度，進(jìn)行電機(jī)位置閉環(huán)控制?；谠摲椒ǖ挠烷T裝置驅(qū)動(dòng)控制回路原理如圖5所示。驅(qū)動(dòng)及控制硬件的核心采用TMS320系列數(shù)字信號(hào)處理器，硬件原理框圖如圖6所示。

圖5 油門裝置驅(qū)動(dòng)控制回路原理圖

圖6 油門裝置驅(qū)動(dòng)及控制硬件原理框圖

3 油門裝置的數(shù)學(xué)模型

油門裝置在結(jié)構(gòu)上包括BLDC電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，建立油門裝置的數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行油門角度閉環(huán)控制設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

3.1 BLDC電機(jī)數(shù)學(xué)模型

為便于分析，做如下假設(shè)：不考慮定子齒槽的影響，不考慮摩擦，定子三相繞組分布均勻且完全對(duì)稱。則BLDC電機(jī)三相電壓方程為：

式中：下標(biāo)A,B,C表示三相；u為相電壓；R為相電阻；i為相電流；L為繞組自感；M為繞組互感；t為時(shí)間；e為相感應(yīng)電動(dòng)勢；UN為三相繞組中心點(diǎn)電壓。

電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為：

式中：p為電機(jī)極對(duì)數(shù)；ω為電機(jī)電氣角速度。電機(jī)的拖動(dòng)方程為：

式中：TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

BLDC電機(jī)的相感應(yīng)電動(dòng)勢波形為梯形時(shí)，采用三相對(duì)稱、互差120°的方波供電，穩(wěn)態(tài)下電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為：

式中：E為相感應(yīng)電動(dòng)勢幅值；I為相電流幅值；Ψm為最大磁鏈。選定電機(jī)型號(hào)，則Ψm為常數(shù)，電機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩與I成正比。

3.2 油門角度解算器及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

油門裝置需將油門桿旋轉(zhuǎn)的物理角度轉(zhuǎn)換為EEC可接收的電信號(hào)，通常采用RVDT型角度傳感器來實(shí)現(xiàn)，也稱為油門角度解算器，其工作原理如圖7所示，內(nèi)部含有兩個(gè)次級(jí)線圈和一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的初級(jí)線圈。EEC為初級(jí)線圈提供勵(lì)磁電壓，當(dāng)初級(jí)線圈在油門桿帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)次級(jí)線圈因磁場的變化產(chǎn)生不同的感應(yīng)電壓V1和V2并輸入到EEC，每組電壓值都對(duì)應(yīng)不同的旋轉(zhuǎn)角度，從而實(shí)現(xiàn)油門桿物理角度向解算器角度電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

圖7 油門角度解算器工作原理

在油門裝置中，為了提高油門伺服電機(jī)的角度控制精度，伺服電機(jī)與解算器之間設(shè)置有齒輪及蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)，其傳動(dòng)原理如圖8所示。結(jié)合圖4可知，油門角度解算器輸出的角度與油門桿轉(zhuǎn)動(dòng)的角度并不相同，但傳動(dòng)機(jī)構(gòu)確定，因此油門桿角度或油門伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度與解算器輸出角度滿足確定的代數(shù)關(guān)系。

圖8 油門電機(jī)到角度解算器的傳動(dòng)關(guān)系

根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)關(guān)系（圖4與圖8），經(jīng)推導(dǎo)可得油門桿角度θ1與解算器輸出角度θ2近似為線性關(guān)系：

式中，k1為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比。伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度θ3與θ2的關(guān)系為：

式中：i1為直齒輪減速比；i2為蝸輪蝸桿減速比。

4 油門裝置角度閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

考慮油門桿到伺服電機(jī)的傳動(dòng)關(guān)系，綜合式（3）到式（6），得到油門桿的速度響應(yīng)傳遞函數(shù)：

式中，s為拉普拉斯算子。

在圖5所示的油門裝置驅(qū)動(dòng)控制回路中，采用油門角度解算器和磁編碼器的輸出分別作為電機(jī)閉環(huán)控制的反饋位移和速度信號(hào)，由電機(jī)內(nèi)部的電流環(huán)和外部的速度環(huán)、位置環(huán)構(gòu)成三閉環(huán)控制系統(tǒng)，按照式（7）模型，采用PID控制方法在Simulink下設(shè)計(jì)控制器，如圖9所示。

圖9 油門裝置驅(qū)動(dòng)控制Simulink模型

在圖9所示模型中，參考波音737手冊[13]，以圖10曲線所示的角度信號(hào)作為油門裝置位置的期望變化曲線，并以此作為輸入進(jìn)行油門裝置驅(qū)動(dòng)控制仿真。

圖10 油門桿目標(biāo)角度

設(shè)置仿真時(shí)間為2 s，在0.5 s時(shí)開始對(duì)該系統(tǒng)施加3 N·m負(fù)載，位置環(huán)和速度環(huán)的目標(biāo)值與反饋值對(duì)比曲線見圖11和圖12。

圖11 位置環(huán)對(duì)比曲線

圖12 速度環(huán)對(duì)比曲線

由圖11和圖12可知，位置環(huán)和速度環(huán)的跟蹤性能良好，實(shí)現(xiàn)了油門桿位置的準(zhǔn)確控制。在0.5 s時(shí)受到3 N·m負(fù)載，速度環(huán)中速度信號(hào)出現(xiàn)了略微波動(dòng)，但隨后很快就回復(fù)到正常值，說明該系統(tǒng)有較好的魯棒性。

為了分析該控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，以階躍信號(hào)為輸入對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，將仿真時(shí)間改為1 s，油門桿角度響應(yīng)如圖13所示。該控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為0.01 s，響應(yīng)快速。

圖13 油門桿階躍信號(hào)角度響應(yīng)

5 結(jié)束語

通過對(duì)油門裝置的分析，開展油門裝置驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)。以油門桿目標(biāo)角度為閉環(huán)控制的期望輸入，進(jìn)行油門角度控制仿真，得到以下結(jié)論：

1）油門裝置在結(jié)構(gòu)上包括油門伺服電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和油門角度解算器。

2）采用三閉環(huán)控制方法設(shè)計(jì)的油門角度控制器具有良好的控制性能，能夠較好地對(duì)位置和速度信號(hào)進(jìn)行跟蹤，且響應(yīng)速度快。

本文對(duì)油門裝置驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法可為大型客機(jī)自動(dòng)油門系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。