基于DSP的多电飞机前轮转弯控制系统设计

2022-07-26张佳

自动化与仪表 2022年7期

张佳

（西安航空学院电子工程学院，西安 710077）

飞机起落架前轮转弯系统是飞机进行地面操纵的关键部件，飞机地面转弯的方法通常有：前（后）轮偏转、不对称刹车、不对称推力（多发飞机）及拖车或人工牵引[1]。在典型前三点式飞机上，通常使用前轮偏转实现飞机地面滑行时转弯。前轮转弯系统的功能是根据操纵要求令飞机起落架前轮发生角度偏移，从而实现对飞机地面滑行方向的控制。常见的前轮转弯系统结构分为机械式和液压式两类。机械传动式前轮转弯系统由方向舵脚蹬控制。液压传动式前轮转弯系统由操纵装置、传动装置、反馈装置和安全限动装置等环节构成，其中，操纵装置包含转弯手轮和方向舵脚蹬；反馈装置功能是检测前轮偏转的角度。目前主流中大型飞机的前轮转弯系统末端传动方式大部分为液压传动方式。然而，液压传动式前轮转弯系统存在许多值得研究改进的地方，比如，液压管路长、重量大增加了飞机的负荷，而且管路接头存在漏油、渗油风险等。随着飞机电传操纵系统的发展，目前已经出现了多电飞机前轮转弯系统[2]，多电飞机前轮转弯系统基于电机传动方式实现飞机前轮的角度偏转[3]。

本文针对多电飞机前轮转弯系统如何实现可靠稳定的转弯为研究内容，围绕设计有效的闭环前轮转弯系统为目标，讨论通过工程手段控制前轮转弯角度，从而为最终完成多电飞机前轮转弯控制系统的原理样机，为多电飞机的进一步工程化提供参考。

1 系统总体概述

多电飞机前轮转弯系统通过对电机的控制实现飞机前轮的转弯，本质上多电飞机前轮转弯系统是以角度为控制对象的伺服系统。自20世纪80年代以来，无刷直流电机（brushless DC motor，BLDC）依靠其优越的性能得到了迅速的发展并且广泛应用于诸多工程领域，目前，无刷直流电机已经成为运动控制领域应用最为广泛的电机类型。同时，伴随着半导体技术的发展，各类针对运动控制领域的控制器推陈出新，功能越来越丰富、运算速度越来越快。特别是美国德州仪器公司（TI）推出的C2000系列DSP 经过近25年的发展已经成为运动控制领域的经典控制核心元器件。C2000 系列DSP 具有PWM 输出模块、eQEP 采集模块、eCAP 采集模块、eCAN 通信模块和SCI 通信模块等丰富的外设功能模块，涵盖了运动控制领域所需的大部分功能。

前轮转弯控制系统的控制对象为飞机前起落架，其中转弯电机、减速器、离合器、角度传感器等用于实现前轮转弯的机电环节，安装于飞机前起落架本体上。控制系统独立于前轮起落架，通过供电电缆和通讯电缆经航空连接器与前起落架相连。多电飞机前轮转弯系统总体交联结构如图1所示。

图1 多电飞机前轮转弯系统总体交联结构图Fig.1 Cross-linking diagram of more electric aircraft nose wheel turning system

多电飞机前轮转弯系统中，以控制系统作为核心，电机及其附属机械结构作为执行机构，角度传感器作为反馈元器件，以上三部分为主体构成闭环控制的多电飞机前轮转弯系统。从本质上讲，闭环控制的多电飞机前轮转弯系统是一个以偏转角度为被控对象的伺服系统。多电飞机前轮转弯系统的结构示意图如图2所示。

图2 多电飞机前轮转弯系统的结构示意图Fig.2 Structural diagram of nose wheel turning system of more electric aircraft

2 硬件设计

多电飞机前轮转弯控制系统的硬件设计主要依据为安装于起落架本体上的各个被控对象，控制系统通过正向输出控制指令到电机，通过反馈回路采集角度传感器的数据构成一个闭环系统，并通过控制系统内部运行闭环算法实现以角度为控制对象的伺服控制。从控制系统原理来看，在开展控制系统硬件设计前首先应该明确安装于起落架本体上的被控对象的接口。在多电飞机前轮转弯系统中，与控制系统存在交联的被控对象主要有转弯电机、离合器和角度传感器。各被控对象的接口分析如下。

1）转弯电机

转弯电机选用Maxon 公司的EC90 flat 无刷直流电机，该电机自带霍尔传感器和冷却风扇，具有电子换向功能。该系列电机调节性能出色、转矩特性良好、功率高、转速范围大和使用寿命长久，可实现转弯角度的精确定位。EC90 flat 系列盘式电机是专门进行薄型设计的无刷DC 电机，特别适用于空间较为狭小的场合（额定功率600 W，厚度仅为52.4 mm），并且带有霍尔传感器和内置电子装置。电机具体参数如下：额定功率600 W；额定电压48 V；额定电流283 mA；额定转速1960 r/min；额定转矩1490 N·m；重量988 g。EC90 flat 无刷直流电机外观如图3所示。

图3 EC90 flat 无刷直流电机外观示意图Fig.3 EC90 flat brushless DC motor

EC90 flat 无刷直流电机采用ESCON 70/10 作为配套驱动器。ESCON 70/10 驱动器是具有紧凑结构的大功率四象限PWM 伺服驱动器，可适配有效控制最大功率700 W 的BLDC。ESCON 70/10 驱动器具备完善的电机驱动功能以及模拟和数字输入、输出端，通信接口为USB 2.0/USB 3.0（全速）。

2）离合器

前轮转弯系统选用VMTT 公司的VM3 系列单摩擦片电磁离合器，该离合器利用电磁原理，通过直流电源控制动力传动的吸合与分离，通电吸合断电分离（被吸合端为法兰）。吸合/分离均可在高速旋转中进行，方便在任何适合实施或切断前轮转弯作动功能。此外，该离合器适用于干式无油环境，符合前轮转弯的实际需求。VM3 系列单摩擦片电磁离合器具体参数如下：传递扭矩动摩擦5 N·m，静摩擦5.5 N·m；输入电压24 VDC；工作电流0.46 A；功率11 W；最高转速3000 r/min；最大直径67.5 mm；最大高度33 mm；重量0.6 kg。

VM3 系列单摩擦片电磁离合器利用电磁铁原理，通过24 V 直流电源来控制动力传动的分离和吸合，通电状态时吸合，断电状态时分离。对于VM3系列离合器而言，其控制信号为24 V/开信号。VM3系列单摩擦片电磁离合器外观如图4所示。

图4 VM3 系列单摩擦片电磁离合器外观示意图Fig.4 VM3 series single friction plate electromagnetic clutch

3）角度传感器

前轮转弯系统角度传感器选用BM29-R 系列多圈绝对值角度传感器。BM29-R 系列角度传感器，采用变压器原理进行无触点测角，角度分辨率为14位。

BM29-R 系列角度传感器为多圈绝对角度输出。电子记忆记圈方式，适用于断电后旋转不超过半圈的场所，其具体参数如下：位数14 bit；单圈角度分辨率16384（1.3′）；精确度±2.6′；允许最大转速6750 r/min；测角范围最大±32767 圈；数据刷新速率＞10 kHz；输出接口串行口RS-485；通讯协议Fable协议；附加功能有清零功能和改变方向功能；传感器供电电压9～30 V；功耗＜2 W；工作温度-10～+70 ℃；防护等级IP65。BM29-R 系列角度传感器外观如图5所示。

图5 BM29-R 系列角度传感器外观示意图Fig.5 BM29-R series angle sensor

根据被控对象的接口及功能技术特点分析可知，前轮转弯控制系统需要提供以下接口：为转弯电机提供48 V 供电接口和USB 通讯接口，为电磁离合器提供24 V/开控制接口，为角度传感器提供9～30 V 供电接口和RS-485 通讯接口。此外，为实现上位机与控制系统的数据交换，控制系统还要为上位机提供RS-422 通讯接口。

多电飞机前轮转弯控制系统以TI 公司的C2000系列TMS320F28335 型DSP 作为控制核心，其提供了强大的运算控制性能和丰富的外设，完全能够满足前轮转弯控制系统所要求的各接口和控制功能。根据被控对象及外设功能需求，前轮转弯系统硬件设计分为以下几个部分。

2.1 电源设计

在前轮转弯控制系统工作现场，外部电源可以提供48 V 直流供电。而控制系统需要向各被控对象提供直流48 V、24 V 及9～30 V 供电接口。其中直流48 V 供电接口可由外部电源提供，控制系统仅负责其通断。直流24 V 及9～30 V 可以统一为24 V 供电，通过DC-DC 电源模块将外部电源提供的48 V调理为24 V 电源为被控对象供电。

2.2 USB 通讯接口设计

为实现与电机驱动器的通讯和控制，需要设计USB 通讯接口。DSP 提供了SCI 异步通讯接口，其无法直接与外部USB 设备相连，因此需要USB 协议接口芯片作为桥梁，实现DSP 与外部USB 设备之间的通讯。

为此选用USB 接口芯片CH375 实现USBHOST 功能，CH375 芯片拥有宽度为8 位的数据总线和输入、输出、使能控制线以及中断响应引脚[4]，能够和DSP 的系统总线对接通讯。

2.3 24 V/开控制接口设计

为实现对电磁离合器的控制，需要设计24 V/开控制接口。DSP 提供丰富的GPIO 接口，能够提供高/低电平信号输出，但GPIO 接口的驱动能力有限，只能提供3.3 V 电压和最大4 mA 的驱动电流，无法用DSP 直接驱动电磁继电器，因此需要设计功率放大电路将GPIO 引脚的高/低电平信号调理为24 V/开控制信号。

考虑到电源系统中已经设计了直流24 V 电源体制，可以将直流24 V 电压作为电磁离合器的控制电压，DSP 的GPIO 接口实现对直流24 V 输出的通断功能。为此，经过两级电路完成上述功能，第一级GPIO 接口输出的3.3 V 高/低电平经达林顿管放大后调理为5 V 高/低电平信号；第二级，直流24 V电压接至继电器的公共触点，5 V 高/低电平信号控制继电器的常开触点通断实现24 V/开控制信号的输出。

2.4 RS-485 通讯接口设计

RS-485 通讯接口总线由DSP 的SCI-B 模块引出，通过收发模块TD301M485 实现与上位机的通信。TD301M485 模块用于将DSP 的SCI 模块的逻辑电平与RS-485 协议的差分电平进行转换，并且提供信号隔离功能。TD301M485 具有自动切换收发功能，减少了运动控制板设计的复杂性。

2.5 RS-422 通讯接口设计

RS-422 通讯接口总线由DSP 的SCI-C 模块引出，通过收发器MAX3490，实现与上位机的通信。MAX3490是MAXIM 公司的全双工的RS-422 收发器，其使用单个3.3 V 电源供电，兼容+5 V 逻辑电平，最大边沿时间仅8 ns，无错误数据传输的转换速率限制，低电流关机模式下电流仅2 nA，支持-7 V～+12 V 共模输入电压范围，总线上最多允许32 个收发器。该通讯芯片主要用于驱动器过载保护的限流和热关机、工业控制局域网、集成服务数字网络、分组交换技术、电信、用于电磁干扰敏感应用的收发器。多电飞机前轮转弯控制系统的硬件结构如图6所示。

图6 多电飞机前轮转弯控制系统的硬件结构图Fig.6 Hardware structure diagram of nose wheel turning control system of more electric aircraft

3 软件设计

多电飞机前轮转弯控制系统的控制核心是TMS320F28335 型DSP 处理器，DSP 的嵌入式软件开发基于CCS 开发环境。控制系统软件实现的主要功能有：转弯角度闭环伺服控制、离合器通断控制、上位机请求响应。各软件功能模块的设计思路介绍如下。

3.1 转弯角度闭环伺服控制

转弯角度闭环伺服控制是控制系统的核心功能，该功能模块的主要作用是使前轮转弯角度能够跟随上位机下发的指令，并且前轮转弯角度在闭环伺服控制算法的作用下能够抵御外部的扰动，比如地面转弯静态摩擦力矩、侧向加速度动态转弯操纵力矩等。转弯角度闭环伺服控制算法采用PID 算法，由于对电机进行角度控制以及角度传感器反馈均为数字量，需要对PID 控制规律进行离散化处理，采用PID 算法中的增量式PID 算法。通过启用DSP 中的定时器Timer0，能够实现周期性循环的PID 运算控制、通过SCI-A 模块向电机下发控制指令以及通过SCI-B 模块采集角度传感器的数据。

在前轮转弯系统中，为增大转弯力矩在电机输出轴端增加了减速器，其减速比为36∶1。此外角度传感器通过齿轮与前轮转弯机构连接，减速比为6∶1。为保持统一，将角度传感器的反馈值和电机的控制值换算为以前轮转弯的真实角度为基准，即角度传感器的反馈值除以6 作为前轮的真实转弯角度，对电机下发的期望转弯角度乘以36 作为电机的角度控制值。伺服控制算法中，以角度传感器的反馈量除以6 所得前轮的真实转弯角度作为被控对象。转弯角度闭环伺服控制算法原理图如图7所示。

图7 转弯角度闭环伺服控制原理图Fig.7 Schematic diagram of closed loop servo control of turning angle

增量型PID 控制算法中由于DSP 输出增量，所以误动作影响小[5]，必要时可用逻辑判断的方法去掉。增量式算法仅受当前偏差值的影响，与起落架之前的转弯角度无关，所以增量控制适用于手动/自动无扰动切换。此外增量算法不产生积分失控，所以容易获得较好的调节品质。

3.2 离合器通断控制

离合器主要用于接通或断开电机与前轮之间的力矩传递。离合器的通断受24 V/开信号控制，24 V/开信号经由达林顿管最终由DSP 的GPIO 引脚控制。TMS320F28335 共包含89 个GPIO 引脚，选用DSP 中的GPIO35 引脚作为24 V/开信号控制引脚。对GPIO35 引脚的初始化分为两步，首先GPBMUX1中的GPIO35 设置为0，即GPIO35 引脚的复用功能选择为GPIO 功能；第二步将GPBDIR 中的GPIO35设置为1，即GPIO35 引脚的方向设置为输出。完成初始化后，只需要对GPBDAT 的GPIO35 位设置1或者0 即可完成24 V/开信号的切换。

3.3 上位机请求响应

上位机与控制系统直接通过RS-422 通讯。在嵌入式软件中，配置DSP 的SCI-C 模块为RS-422 接口。SCI-C 模块各通讯参数设置：波特率115200 bps，停止位1 位，无校验位，数据位8 位。同时使用SCI-C模块的FIFO 功能接收上位机下发的数据，启用FIFO 接收中断，中断接收级别为8。每当控制系统接收到上位机发来的8 字节请求指令时，DSP 响应一次接收中断，并对数据进行判断处理。数据处理依据为事先约定的通讯协议，其格式如表1所示。