飞机双余度全电刹车驱动控制器设计与研究

戴志勇，林 辉，郭 皓

(西北工业大学，陕西西安，710129)

0 引 言

随着全电飞机技术研究的日益升温，作为全电飞机关键技术之一，全电刹车取代传统的液压刹车已是大势所趋。近年来，国内外学者对此进行了大量的研究［1-3］。文献中，刹车作动器采用无刷直流电动机，取得了不错的刹车性能。然而，飞机刹车过程干扰大、工作环境恶劣，全电刹车驱动控制器故障率相对较高。为了提高飞机刹车系统的可靠性，保证飞机安全着陆，本文以双余度无刷直流电动机为作动器本体，采用冗余技术，设计了飞机双余度全电刹车驱动控制器。

1 驱动控制器整体设计

为了提高飞机刹车系统的可靠性，本文将无刷直流电动机绕组、霍尔传感器、压力传感器、驱动主电路、驱动电源和控制电源采用了余度设计。驱动控制器整体设计如图1所示。在刹车系统中，驱动控制器由两个独立的直流28 V控制电源和两个独立的直流270 V驱动电源供电。其接收刹车压力给定信号和双余度压力传感器反馈的两路刹车压力反馈信号，经信号调理电路输入控制电路。控制电路采取压力跟踪和余度管理等控制策略，分别通过两路电气隔离的驱动主电路控制双余度无刷直流电动机的两个绕组。

图1 刹车驱动控制器整体结构

1.1 硬件设计

驱动控制器硬件设计如图2所示。硬件整体可分为刹车压力反馈调理电路、刹车压力给定接收电路、DSP最小系统、CPLD最小系统、隔离电路、功率驱动电路、电流采集电路、过流保护辅助电路和电源系统9个部分。刹车压力给定信号和刹车压力反馈信号经过各自的调理电路，输入DSP的AD端口，进行模数转换，DSP接收到刹车开机指令后，通过控制程序调节，经DSP的事件管理器，输出分别控制电机两个绕组的占空比信号。CPLD将占空比信号和电机霍尔信号进行逻辑运算，分别输出控制两个电机绕组运转的调制换相信号，经隔离电路和功率驱动电路，控制双余度无刷直流电动机运行。当电机出现过流故障时，过流保护辅助电路辅助程序关断占空比信号，从而排除过流故障。电流采集电路采集每个绕组的母线电流，从而实现均流策略。

图2 驱动控制器硬件设计

1.2 控制策略设计

驱动控制器控制策略设计如图3所示。控制策略采用压力外环和均流内环控制。当系统在双余度工作模式下运行时，驱动控制器接收压力给定和压力反馈信号，经压力PID调节器调节输出，为了使双余度电机的两套绕组出力相同，将压力环输出平分作为两个均流环的给定，通过经典的PID调节器，实现绕组电流均衡，最终实现刹车压力给定跟踪刹车压力反馈。

图3 驱动控制器控制策略

2 刹车驱动器仿真模型

为了验证飞机刹车驱动控制器的整体性能，本文利用MATLAB/Simulink，建立了双余度无刷直流电动机本体和系统整体的数学模型，并进行了仿真验证。

2.1 双余度无刷直流电动机数学模型

在本系统中，双余度无刷直流电动机的额定电压U=270 V，额定功率P=270×2 W，额定转速n=9 000 r/min。电机的定子由两个在空间上互差30°电角度的Y型连接的绕组构成，两套绕组彼此电气隔离，且共用一个永磁体转子。为了建立电机数学模型，做以下假设［4-6］。

(1)电机磁路不饱和;

(2)气隙磁场为方波;

(3)电机绕组、转子磁场分布均匀;

(4)不考虑电机的电枢效应、换向过程、齿槽效应、涡流损耗和磁滞损耗。

可得电机的电压平衡方程：

式中：ea1(2)、eb1(2)、ec1(2)分别为余度 1(2)的 A、B、C相绕组的相反电动势;ia1(2)、ib1(2)、ic1(2)分别为余度1(2)的 A、B、C 相绕组的相电流;ua1(2)、ub1(2)、uc1(2)分别为余度1(2)的A、B、C相绕组相电压;L为每相绕组的自感;p为微分算子，

电机的电磁方程：

电机的机械运动方程：

式中：Te为电机的电磁转矩;J为转子的转动惯量;ω为机械角速度;TL为负载转矩;B为粘滞摩擦系数。

根据以上数学模型，在MATLAB/Simulink下，搭建双余度无刷直流电动机的仿真模型。电机在双余度开环下运行，在0.05 s时，突加1 N·m负载的仿真结果如图4所示。

图4 电动机双余度开环运行0.05 s突加负载仿真结果

图4(a)是电机转速曲线，在0.05 s时，由于突加1 N·m负载，开环转速下降。图4(b)和图4(c)分别是两余度A相绕组反电势局部放大波形和相电流局部放大波形。由于电机两个余度绕组在空间上互差30°电角度，电机余度2绕组的相反电势和相电流滞后余度1绕组30°电角度。

2.2 系统整体仿真模型

系统整体仿真模型如图5所示。

图5 系统整体仿真模型

模型中采取压力外环和均流内环的控制策略，压力给定信号和压力反馈信号作差，经压力环PID调节，结果平分输入均流环，作为两个均流环的给定信号。均流环将给定信号与各个余度母线电流信号进行PID调节，输出进入PWM生成单元。PWM生成单元同时接收电机换相信号，生成换相调制信号分别触发两个独立的逆变器的开关管动作，从而控制电机，使系统对刹车盘施加的压力跟踪刹车压力给定信号。

在MATLAB/Simulink下，对系统整体进行仿真，当压力给定为10 000 N的阶跃信号时，其仿真结果如图6所示。当压力给定为7 000+3 000sin 10t时，仿真结果如图7所示。在图6(a)和图7(a)中，刹车压力反馈曲线能够很好跟踪刹车压力给定信号。图6(b)和图7(b)中，经过均流控制，两个余度绕组的母线电流达到均流效果。

仿真结果表明，刹车驱动控制器超调小、动态响应快、稳态误差小、性能优良，能够实现均流效果。

3 实验结果分析

系统整体实物图如图8所示。图8(a)驱动控制器实物图，图8(b)是刹车作动器与受刹机轮实物图。

刹车压力实测跟踪曲线如图9所示。当压力给定为7 500+2 500sin 0.5t时，压力跟踪曲线如图9(a)所示。其中，波形1为刹车压力给定，1 V电压代表5 000 N刹车压力，波形2为刹车压力反馈，1 V电压代表1 000 N刹车压力。压力给定为5 000～10 000 N方波时，压力跟踪曲线如图9(b)所示。其中，波形1为刹车压力给定，1 V电压代表5 000 N刹车压力，波形2为刹车压力反馈，1V电压代表1 000 N刹车压力。

实验结果表明，刹车压力反馈能够很好地跟踪压力给定。整个系统超调量小、稳态精度高、性能优良。

4 结 语

为了提高飞机刹车系统的可靠性，本文采用冗余技术，设计了双余度刹车驱动控制器。以双余度无刷直流电动机为被控对象，设计了驱动控制器的软件和硬件。利用MATLAB/Simulink，对双余度无刷直流电动机本体和系统整体进行了仿真验证。仿真结果和实验结果表明，在驱动控制器的控制下，刹车压力反馈能够很好地跟踪刹车压力给定，整个系统超调小、稳态精度高、性能优良。

［1］ Pritchard J.Overview of Landing Gear Dynamics［J］.Journal of Aircraft，2001，38(1)：130-137.

［2］ Garrett T K，Newton K，Steeds W.The Motor Vehicle［M］.13rd ed.War-rendale，Pennsylvania：Society of Automotive Engineers，2001.

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［4］ Li Rong，Liu Weiguo，Ma Ruiqing，et al.Research on current balance in dual-redundancy BLDCM servo system［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2005，20(9)：77-81.

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［6］ 杨永亮.双余度无刷直流电机控制技术研究［D］.西安：西北工业大学，2007