戴志勇，林 輝，郭 皓

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安，710129)

0 引 言

隨著全電飛機(jī)技術(shù)研究的日益升溫，作為全電飛機(jī)關(guān)鍵技術(shù)之一，全電剎車取代傳統(tǒng)的液壓剎車已是大勢所趨。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究［1-3］。文獻(xiàn)中，剎車作動器采用無刷直流電動機(jī)，取得了不錯的剎車性能。然而，飛機(jī)剎車過程干擾大、工作環(huán)境惡劣，全電剎車驅(qū)動控制器故障率相對較高。為了提高飛機(jī)剎車系統(tǒng)的可靠性，保證飛機(jī)安全著陸，本文以雙余度無刷直流電動機(jī)為作動器本體，采用冗余技術(shù)，設(shè)計(jì)了飛機(jī)雙余度全電剎車驅(qū)動控制器。

1 驅(qū)動控制器整體設(shè)計(jì)

為了提高飛機(jī)剎車系統(tǒng)的可靠性，本文將無刷直流電動機(jī)繞組、霍爾傳感器、壓力傳感器、驅(qū)動主電路、驅(qū)動電源和控制電源采用了余度設(shè)計(jì)。驅(qū)動控制器整體設(shè)計(jì)如圖1所示。在剎車系統(tǒng)中，驅(qū)動控制器由兩個獨(dú)立的直流28 V控制電源和兩個獨(dú)立的直流270 V驅(qū)動電源供電。其接收剎車壓力給定信號和雙余度壓力傳感器反饋的兩路剎車壓力反饋信號，經(jīng)信號調(diào)理電路輸入控制電路?？刂齐娐凡扇毫Ω櫤陀喽裙芾淼瓤刂撇呗?，分別通過兩路電氣隔離的驅(qū)動主電路控制雙余度無刷直流電動機(jī)的兩個繞組。

圖1 剎車驅(qū)動控制器整體結(jié)構(gòu)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

驅(qū)動控制器硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。硬件整體可分為剎車壓力反饋調(diào)理電路、剎車壓力給定接收電路、DSP最小系統(tǒng)、CPLD最小系統(tǒng)、隔離電路、功率驅(qū)動電路、電流采集電路、過流保護(hù)輔助電路和電源系統(tǒng)9個部分。剎車壓力給定信號和剎車壓力反饋信號經(jīng)過各自的調(diào)理電路，輸入DSP的AD端口，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，DSP接收到剎車開機(jī)指令后，通過控制程序調(diào)節(jié)，經(jīng)DSP的事件管理器，輸出分別控制電機(jī)兩個繞組的占空比信號。CPLD將占空比信號和電機(jī)霍爾信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算，分別輸出控制兩個電機(jī)繞組運(yùn)轉(zhuǎn)的調(diào)制換相信號，經(jīng)隔離電路和功率驅(qū)動電路，控制雙余度無刷直流電動機(jī)運(yùn)行。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)過流故障時，過流保護(hù)輔助電路輔助程序關(guān)斷占空比信號，從而排除過流故障。電流采集電路采集每個繞組的母線電流，從而實(shí)現(xiàn)均流策略。

圖2 驅(qū)動控制器硬件設(shè)計(jì)

1.2 控制策略設(shè)計(jì)

驅(qū)動控制器控制策略設(shè)計(jì)如圖3所示。控制策略采用壓力外環(huán)和均流內(nèi)環(huán)控制。當(dāng)系統(tǒng)在雙余度工作模式下運(yùn)行時，驅(qū)動控制器接收壓力給定和壓力反饋信號，經(jīng)壓力PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輸出，為了使雙余度電機(jī)的兩套繞組出力相同，將壓力環(huán)輸出平分作為兩個均流環(huán)的給定，通過經(jīng)典的PID調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)繞組電流均衡，最終實(shí)現(xiàn)剎車壓力給定跟蹤剎車壓力反饋。

圖3 驅(qū)動控制器控制策略

2 剎車驅(qū)動器仿真模型

為了驗(yàn)證飛機(jī)剎車驅(qū)動控制器的整體性能，本文利用MATLAB/Simulink，建立了雙余度無刷直流電動機(jī)本體和系統(tǒng)整體的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

2.1 雙余度無刷直流電動機(jī)數(shù)學(xué)模型

在本系統(tǒng)中，雙余度無刷直流電動機(jī)的額定電壓U=270 V，額定功率P=270×2 W，額定轉(zhuǎn)速n=9 000 r/min。電機(jī)的定子由兩個在空間上互差30°電角度的Y型連接的繞組構(gòu)成，兩套繞組彼此電氣隔離，且共用一個永磁體轉(zhuǎn)子。為了建立電機(jī)數(shù)學(xué)模型，做以下假設(shè)［4-6］。

(1)電機(jī)磁路不飽和;

(2)氣隙磁場為方波;

(3)電機(jī)繞組、轉(zhuǎn)子磁場分布均勻;

(4)不考慮電機(jī)的電樞效應(yīng)、換向過程、齒槽效應(yīng)、渦流損耗和磁滯損耗。

可得電機(jī)的電壓平衡方程：

式中：ea1(2)、eb1(2)、ec1(2)分別為余度 1(2)的 A、B、C相繞組的相反電動勢;ia1(2)、ib1(2)、ic1(2)分別為余度1(2)的 A、B、C 相繞組的相電流;ua1(2)、ub1(2)、uc1(2)分別為余度1(2)的A、B、C相繞組相電壓;L為每相繞組的自感;p為微分算子，

電機(jī)的電磁方程：

電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動方程：

式中：Te為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量;ω為機(jī)械角速度;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;B為粘滯摩擦系數(shù)。

根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/Simulink下，搭建雙余度無刷直流電動機(jī)的仿真模型。電機(jī)在雙余度開環(huán)下運(yùn)行，在0.05 s時，突加1 N·m負(fù)載的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 電動機(jī)雙余度開環(huán)運(yùn)行0.05 s突加負(fù)載仿真結(jié)果

圖4(a)是電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，在0.05 s時，由于突加1 N·m負(fù)載，開環(huán)轉(zhuǎn)速下降。圖4(b)和圖4(c)分別是兩余度A相繞組反電勢局部放大波形和相電流局部放大波形。由于電機(jī)兩個余度繞組在空間上互差30°電角度，電機(jī)余度2繞組的相反電勢和相電流滯后余度1繞組30°電角度。

2.2 系統(tǒng)整體仿真模型

系統(tǒng)整體仿真模型如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)整體仿真模型

模型中采取壓力外環(huán)和均流內(nèi)環(huán)的控制策略，壓力給定信號和壓力反饋信號作差，經(jīng)壓力環(huán)PID調(diào)節(jié)，結(jié)果平分輸入均流環(huán)，作為兩個均流環(huán)的給定信號。均流環(huán)將給定信號與各個余度母線電流信號進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，輸出進(jìn)入PWM生成單元。PWM生成單元同時接收電機(jī)換相信號，生成換相調(diào)制信號分別觸發(fā)兩個獨(dú)立的逆變器的開關(guān)管動作，從而控制電機(jī)，使系統(tǒng)對剎車盤施加的壓力跟蹤剎車壓力給定信號。

在MATLAB/Simulink下，對系統(tǒng)整體進(jìn)行仿真，當(dāng)壓力給定為10 000 N的階躍信號時，其仿真結(jié)果如圖6所示。當(dāng)壓力給定為7 000+3 000sin 10t時，仿真結(jié)果如圖7所示。在圖6(a)和圖7(a)中，剎車壓力反饋曲線能夠很好跟蹤剎車壓力給定信號。圖6(b)和圖7(b)中，經(jīng)過均流控制，兩個余度繞組的母線電流達(dá)到均流效果。

仿真結(jié)果表明，剎車驅(qū)動控制器超調(diào)小、動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)態(tài)誤差小、性能優(yōu)良，能夠?qū)崿F(xiàn)均流效果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

系統(tǒng)整體實(shí)物圖如圖8所示。圖8(a)驅(qū)動控制器實(shí)物圖，圖8(b)是剎車作動器與受剎機(jī)輪實(shí)物圖。

剎車壓力實(shí)測跟蹤曲線如圖9所示。當(dāng)壓力給定為7 500+2 500sin 0.5t時，壓力跟蹤曲線如圖9(a)所示。其中，波形1為剎車壓力給定，1 V電壓代表5 000 N剎車壓力，波形2為剎車壓力反饋，1 V電壓代表1 000 N剎車壓力。壓力給定為5 000～10 000 N方波時，壓力跟蹤曲線如圖9(b)所示。其中，波形1為剎車壓力給定，1 V電壓代表5 000 N剎車壓力，波形2為剎車壓力反饋，1V電壓代表1 000 N剎車壓力。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，剎車壓力反饋能夠很好地跟蹤壓力給定。整個系統(tǒng)超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)精度高、性能優(yōu)良。

4 結(jié) 語

為了提高飛機(jī)剎車系統(tǒng)的可靠性，本文采用冗余技術(shù)，設(shè)計(jì)了雙余度剎車驅(qū)動控制器。以雙余度無刷直流電動機(jī)為被控對象，設(shè)計(jì)了驅(qū)動控制器的軟件和硬件。利用MATLAB/Simulink，對雙余度無刷直流電動機(jī)本體和系統(tǒng)整體進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在驅(qū)動控制器的控制下，剎車壓力反饋能夠很好地跟蹤剎車壓力給定，整個系統(tǒng)超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)精度高、性能優(yōu)良。

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