飞机电刹车驱动器设计与研究

2012-02-22谢世杰戴志勇

微特电机 2012年5期

谢世杰，林辉，戴志勇

(西北工业大学，陕西西安710129)

0 引言

随着我国航空事业的迅速发展，飞机全电刹车系统越来越受到各个研究部门的重视。一个效率高、可靠性好的刹车系统对于飞机的安全性而言有着举足轻重的意义。全电刹车以其可靠性高、体积小、重量轻、响应速度快等优点成为飞机刹车的新宠。而作为刹车系统的重要组成部分，刹车驱动器的设计成为飞机全电刹车的前沿课题。

1 飞机刹车系统概述

飞机电刹车系统由输入、全电刹车防滑控制盒、机轮刹车驱动盒和机电作动机构及受刹机轮四部分组成。图1是飞机电刹车系统的整体架构。

图1 飞机电刹车系统的整体架构

输入:输入是驾驶舱踏板信号，也就是驾驶员脚踩的刹车指令给定信号。

全电刹车防滑控制盒:当飞机在刹车过程中，机轮可能抱死而威胁飞机的安全。防滑控制盒通过控制机轮松刹指令，解除机轮抱死，它接收刹车指令给定信号和机轮控制信号，经过偏压调制算法控制，输出综合刹车指令信号。

机轮刹车驱动盒:以270 V直流电源作为驱动电源(即:航空中的高压直流电)，驱动无刷直流电动机，从而控制机电作动机构和受刹机轮，使输出的刹车力矩跟随防滑控制盒输出的综合刹车指令信号。

机电作动机构及受刹机轮:其实物图如图2所示，它由一个无刷直流电动机连接一个减速器和滚珠丝杠，最终作用于触头，对刹车盘施加压力，完成整个刹车过程。

图2 机电作动机构实物图

2 驱动器设计

2.1 驱动器仿真验证

2.1.1 无刷直流电动机数学模型

假设无刷直流电动机三相绕组对称，连续均匀分布，忽略换向过程、齿槽效应和电枢反应等非线性因素的影响，且磁路不饱和。可得电机模型:

式中:T为电磁转矩;f为摩擦系数 (粘滞系数);ω为角速度;TL负载转矩;J为转动惯量。

2.1.2 系统整体模型

驱动器系统整体仿真模型如图3所示，通过信号源模拟综合给定电流信号，经过压力环、速度环、位置环三环控制，控制逆变器，而控制无刷直流电动机。检测无刷直流电动机的速度信号和电流信号，分别作为三环控制的速度反馈和电流反馈。将电机的速度积分，转换成电机的位置，由于电机经减速器和滚珠丝杠通过活塞作用于刹车盘，电机转过的相对位置与活塞距离刹车盘的相对位置成正比，活塞挤压刹车盘的形变量即为活塞距离刹车盘的相对位置，它正比于刹车盘的压力，将电机转过的相对位置乘以系数K即压力环的压力反馈。从而实现驱动器的三环闭环控制。

图3 驱动器系统整体仿真模型

2.2 驱动器实物设计

图4是驱动器的硬件结构。

刹车驱动器分为刹车给定调理电路、压力反馈调理电路、DSP+CPLD单元、电流采样点路、隔离电路、功率驱动电路。驱动器接收刹车压力给定信号，经压力给定调理电路调理，输入DSP的AD端口，DSP经算法控制，产生控制无刷直流电动机的控制信号(转向信号和占空比信号)，CPLD接收电机控制信号和霍尔位置信号，经逻辑运算，通过隔离电路和功率驱动电路，驱动无刷直流电动机工作。压力传感器实时反馈刹车压力信号，经压力反馈调理电路输入DSP的AD端口，完成压力闭环控制。电流采集电路采集无刷直流电动机的母线电流，用作电机电流环控制。

图4 驱动器硬件结构

图5是驱动器控制策略。驱动器接收刹车力矩给定，经过电流环、速度环、压力环的三环控制，控制无刷直流电动机，从而对刹车盘施加压力，达到压力反馈跟随力矩给定的刹车效果。

图5 刹车驱动器控制策略

其中，电流环为控制策略的内环，设计采用经典的PID控制策略，通过调节电机母线电流从而控制电机刹车性能。转速环采用经典的PID控制策略，通过调节电机的转速从而控制压力环的超调量，提高整体刹车性能。

压力环为控制策略的外环，其性能的优劣直接影响着刹车效果。流程图如图6所示。

驱动器在接收到刹车压力给定信号后首先对指令信号进行分析，并将驱动器的工作状态划分为“停刹”、“预刹”、或“正常刹车”。“停刹”状态要保证机电作动器和刹车盘要有足够的距离，以防刹车盘产生不应有的刹车动作。当处于“预刹”状态时，机电作动器和刹车盘之间的间隙非常小，0.5 mm，它一方面要防止处于误刹以致“抱死”，同时还要让刹车过程的空行程尽量小，以提高刹车防滑性能。首先，驱动器采集刹车压力给定信号并作相应判断。若刹车压力给定小于停刹刹车门限，此时，驱动器工作在停刹状态，电机以20%占空比开环反转，并实时检测电机位置。当电机位置为停刹位置时，电机停止运行。若刹车压力给定大于停刹刹车门限且小于预刹车门限，此时，驱动器工作在预刹状态，电机以20%占空比开环反转，并实时检测电机位置。当电机位置为预刹位置时，电机停止运行。若刹车压力给定大于预刹车门限，此时，系统进入正常刹车状态，系统通过刹车压力给定和刹车压力反馈的PID调节，控制电机的刹车压力跟随刹车压力给定。