余 健 聶振金 王 鑫 王曉露 李 林

?

飛機貨艙門電作動系統(tǒng)負載匹配設(shè)計

余 健 聶振金 王 鑫 王曉露 李 林

（北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京 100076）

為了降低飛機貨艙門開關(guān)過程中系統(tǒng)的功率需求，抑制由于電機制動產(chǎn)生的泵升電壓，建模仿真飛機貨艙門電作動系統(tǒng)及開關(guān)艙門過程，研究貨艙門開關(guān)門過程中的負載變化，根據(jù)負載特性優(yōu)化貨艙門開關(guān)門的速度曲線，使開關(guān)門速度與實際負載相匹配，盡量使功率平穩(wěn)。經(jīng)過仿真和試驗分析，該方法可以明顯地降低系統(tǒng)的功率需求，也能夠起到抑制泵升電壓的作用。

飛機貨艙門；負載匹配；泵升電壓；仿真

1 引言

目前，國外飛機貨艙門作動系統(tǒng)已經(jīng)由純手動、輔助動力及液壓驅(qū)動向電動作動發(fā)展，如波音777飛機貨艙門實現(xiàn)電動作動。國內(nèi)飛機貨艙門作動系統(tǒng)還處于輔助動力作動階段，新舟60、ARJ21艙門均為機械作動，與國外相比貨艙門電作動技術(shù)成熟度較低。同時，對負載特性的計算及設(shè)計速度與負載相匹配，也一直是電氣、機械等領(lǐng)域研究的熱點問題[1～4]。因此本文以飛機貨艙門電作動系統(tǒng)為研究對象研究負載匹配設(shè)計。

由于飛機總體設(shè)計要求，貨艙門作動系統(tǒng)接收飛機上電源總線提供的+28V電源，給相應(yīng)的控制電路和功率電路供電，開關(guān)門時間不超過30s。飛機貨艙門設(shè)有開門和關(guān)門兩種工作狀態(tài)，需要綜合考慮兩種工作狀態(tài)的負載特性，確定系統(tǒng)的功率需求。貨艙門處于開門狀態(tài)時，貨艙門開啟的角度大，工程上估算功率需求采用的是最大負載力矩與最大速度的乘積，設(shè)計速度曲線匹配負載特性可以降低系統(tǒng)的功率需求，同時以實時的負載力矩和實時速度乘積計算系統(tǒng)功率需求更加準確。貨艙門處于關(guān)門狀態(tài)時，貨艙門推著電機運動，電機處于制動發(fā)電狀態(tài)，如果關(guān)門速度過大，會產(chǎn)生較大的制動功率，主電路電容器容量有限，兩端電壓升高，從而造成泵升電壓。因此設(shè)計負載匹配性系統(tǒng)，使開關(guān)門速度與負載特性相匹配。貨艙門作動系統(tǒng)的功率需求與負載力矩和電機轉(zhuǎn)速有關(guān)，不優(yōu)化速度曲線會導致系統(tǒng)功率需求過大，而且會產(chǎn)生較大的泵升電壓損壞系統(tǒng)。

采用理論分析、建模仿真和利用模擬負載臺試驗驗證的方式，識別貨艙門的負載機械特性，再根據(jù)負載特性設(shè)計貨艙門電作動系統(tǒng)全行程的開關(guān)門速度曲線，使開關(guān)門速度與負載特性相匹配，盡量使功率平穩(wěn)，從而達到系統(tǒng)與貨艙門負載的匹配設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計的速度曲線通過樣機試驗測試，證明達到了預(yù)期的效果。

2 貨艙門電作動系統(tǒng)方案

貨艙門電作動系統(tǒng)控制貨艙門的開啟和關(guān)閉，每一個貨艙門電作動系統(tǒng)包含3個可更換單元：線性作動器、控制面板和傳動軟軸，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 貨艙門電作動系統(tǒng)示意圖

正常情況下，地勤人員通過控制面板發(fā)送開門和關(guān)門指令，控制貨艙門的開啟和關(guān)閉。在喪失電源和其他特殊情況下，利用驅(qū)動工具，通過傳動軟軸實現(xiàn)貨艙門開啟關(guān)閉。本文研究正常情況下的電動過程負載匹配。

圖2 系統(tǒng)控制框圖

電動過程，系統(tǒng)對關(guān)門精度有很高的要求，并且由于接近傳感器固有的信號延遲，貨艙門會在這段延遲時間產(chǎn)生一段滑移量，系統(tǒng)的控制精度要求很高。因此貨艙門電作動系統(tǒng)以28V直流無刷電機為基礎(chǔ)，采用位置轉(zhuǎn)速電流三閉環(huán)控制方式，實現(xiàn)對無刷直流電機的高精度控制，通過位置檢測提前減速，控制滑移量，從而實現(xiàn)對貨艙門開關(guān)門位置的高精度控制[5]。系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

試驗驗證的模擬負載臺采用全實物模擬負載臺仿真的形式，用慣量盤代替真實負載，模擬出作動器安裝在貨艙門上實際運行的工作狀態(tài)和過程，具有足夠高的響應(yīng)度和控制精度，設(shè)有接近傳感器和角位移傳感器，監(jiān)測負載移動位置。

3 負載特性計算

飛機貨艙門在開關(guān)門過程中的負載特性較為復(fù)雜，為簡化負載模型，選擇對貨艙門位能負載、摩擦負載及慣性負載進行建模，貨艙門運行示意圖及運動分析如圖3、圖4所示。

圖3 貨艙門運行示意圖

圖4 貨艙門運動分析

為貨艙門與豎直方向形成的夾角，由分析可得：

由式（1）和式（2）可得線性作動器實時長度l為：

為貨艙門重力，為線形作動器的直線負載力，BD為貨艙門折算的質(zhì)心距轉(zhuǎn)軸的距離。

由運動分析可知：

由式（2）、式（4）和式（5）可得由線性作動器的直線力公式為：

通過減速器換算，可以由作動器的直線負載力得到折合到電機軸上的位能負載T公式為：

式中，l為絲杠導程；為齒輪減速器減速比。

在貨艙門開關(guān)過程中，作動器所受到的摩擦力通過實驗測試為2000N，可計算得到摩擦負載T=0.08N·m。

式中，為貨艙門折算到電機軸的總轉(zhuǎn)動慣量；1為貨艙門繞轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量；為電機角速度；1為電機角速度。

1和可由仿真模型得到，則貨艙門折合到電機軸上的慣性負載T為：

由式（6）、式（7）和式（9）可得系統(tǒng)的負載力矩T為：

T=T+T+T（10）

系統(tǒng)的負載功率為：

式中，為電機轉(zhuǎn)速。由式（11）可知，系統(tǒng)的功率需求主要由負載力矩T和電機轉(zhuǎn)速決定。

模擬負載臺及作動器參數(shù)如表1所示。

表1 參數(shù)

4 貨艙門電作動系統(tǒng)仿真

利用Matlab中的Simulink建立飛機貨艙門電作動系統(tǒng)仿真模型[6～9]，整個模型主要由功率主回路、電機本體、控制器和負載計算四個部分組成，仿真系統(tǒng)的整體模塊框圖如圖5所示。

圖5 仿真系統(tǒng)整體模塊框圖

功率主回路為交-直-交變頻結(jié)構(gòu)，由三相交流電壓源、整流橋、逆變器和直流濾波電容組成，以此得到28V直流電供無刷直流電機使用。利用此方法可以實時觀測母線電壓的變化情況，便于觀察系統(tǒng)的泵升電壓。

控制器模塊主要包括了速度指令的生成模塊和位置、轉(zhuǎn)速和電流閉環(huán)模塊，模塊圖如圖6所示。

圖6 控制器模塊

5 負載匹配設(shè)計

5.1 開門過程

為了實現(xiàn)作動系統(tǒng)的整體性能優(yōu)化，需考慮系統(tǒng)的負載特性，設(shè)計與負載特性相匹配的速度曲線，使功率盡量平穩(wěn)。由式（11）可知，作動系統(tǒng)的功率需求與負載力矩和電機轉(zhuǎn)速有關(guān)。因此在滿足系統(tǒng)指標的情況下，負載較大的位置速度要相應(yīng)的小，負載較小的位置速度要相應(yīng)的大。因此根據(jù)貨艙門的實際負載特性設(shè)計開關(guān)門速度曲線，使負載和速度相匹配。

圖7 開門速度曲線及功率曲線

以開門過程研究系統(tǒng)的功率需求，設(shè)計對比三種開門速度曲線，曲線1為簡單的正弦速度曲線，曲線2為工程上常用的S型速度曲線，曲線3為根據(jù)貨艙門實際負載優(yōu)化的開門速度曲線。利用Simulink仿真模型仿真比較三種速度曲線，得到開門速度曲線及其對應(yīng)的功率曲線如圖7所示。功率為負時電機處于制動發(fā)電狀態(tài)，此時功率屬于制動功率；功率為正時電機處于電動狀態(tài)，此時功率為負載功率。

由圖7中可知，S型速度曲線會使系統(tǒng)的功率曲線很不平穩(wěn)，開門負載功率在24s時達到最高值190W；正弦速度曲線開門負載功率在22s時達到最高值150W；優(yōu)化設(shè)計的開門速度曲線使系統(tǒng)的功率曲線較平穩(wěn)，明顯地降低系統(tǒng)的功率需求，在12s時最大負載功率為130W，相對于S型曲線，優(yōu)化的速度曲線可以使系統(tǒng)功率需求降低32%。

若采用最大負載力矩和最高轉(zhuǎn)速的乘積算系統(tǒng)的需求功率，最大負載力矩0.8N·m，最高轉(zhuǎn)速5000r/min，則負載功率為418.8W，明顯計算的比實際需求偏大。

因此，通過設(shè)計與貨艙門實際負載相匹配的速度曲線，可以實現(xiàn)作動系統(tǒng)的功率需求優(yōu)化，降低系統(tǒng)的功率需求。

5.2 關(guān)門過程

當貨艙門處于關(guān)門階段時，貨艙門有較大的機械慣性，貨艙門帶著電機轉(zhuǎn)動，此時電機處于制動狀態(tài)，這樣電機就產(chǎn)生了反電勢，使電機處于發(fā)電狀態(tài)，而且變頻器為交-直-交主電力AC/DC整流電路是不可逆的，因此無法回饋到電網(wǎng)上去，造成主電路電容器兩端電壓升高，這就是貨艙門作動系統(tǒng)產(chǎn)生泵升電壓的原因[10]。系統(tǒng)設(shè)計時已經(jīng)加入了泄放電路，當主電路電容器兩端電壓升高時，利用泄放電路吸收多余的能量，但是由于空間布局的限制，泄放功率有限。因此考慮優(yōu)化速度曲線，盡量減小制動功率，抑制泵升電壓，減少泄放電路的使用負荷。

當電機處于制動發(fā)電狀態(tài)時，關(guān)門運行速度應(yīng)減慢，設(shè)計三種關(guān)門速度曲線，利用仿真模型比較三種速度曲線，得到關(guān)門速度曲線和對應(yīng)的功率曲線如圖8所示，三種關(guān)門速度曲線對應(yīng)的母線電壓如圖9所示。

圖8 關(guān)門速度曲線及功率曲線

圖9 母線電壓

從圖8中可以看出，S型速度曲線負載功率波動很大，而且電機制動發(fā)電情況很嚴重，制動功率在6s時達到最高值160W，電機制動功率過大會使系統(tǒng)產(chǎn)生泵升電壓；正弦速度曲線制動功率在8s時達到最大值130W；優(yōu)化設(shè)計的關(guān)門速度曲線可以明顯降低電機制動功率，在4s時達到最大值90W，相對于S型關(guān)門曲線，優(yōu)化的速度曲線可以使制動功率降低44%。

從圖9中可以看出，曲線1正弦關(guān)門速度曲線在7～14s會產(chǎn)生泵升電壓；曲線2S型關(guān)門速度曲線在5～12s會產(chǎn)生泵升電壓；曲線3優(yōu)化設(shè)計的關(guān)門速度曲線對應(yīng)的母線電壓比較平穩(wěn)，沒有產(chǎn)生泵升電壓。

因此，通過設(shè)計與貨艙門實際負載相匹配的速度曲線可以起到抑制泵升電壓的作用。

6 試驗

試驗利用生產(chǎn)的作動器樣機及測試儀，采用FPGA數(shù)字控制，由測試儀發(fā)送速度指令，控制器根據(jù)收到的指令控制模擬貨艙門開關(guān)，并記錄試驗結(jié)果，作動器樣機及試驗設(shè)備如圖10所示。

圖10 樣機及試驗設(shè)備

優(yōu)化設(shè)計的速度曲線運行狀態(tài)良好，從測試儀觀察到正弦曲線關(guān)門時在6～20s會產(chǎn)生泵升電壓，S型曲線關(guān)門時在4～16s會產(chǎn)生泵升電壓，優(yōu)化曲線關(guān)門時在1～5s會產(chǎn)生泵升電壓，優(yōu)化的速度曲線可以抑制泵升電壓。泵升電壓情況如表2所示。實際試驗結(jié)果與仿真有一定差異，但數(shù)據(jù)基本吻合，滿足要求。

表2 試驗數(shù)據(jù)

通過試驗驗證，優(yōu)化的速度曲線能夠降低系統(tǒng)的功率需求，同時能夠起到抑制泵升電壓的作用。

7 結(jié)束語

通過對飛機貨艙門電作動系統(tǒng)的建模仿真和試驗，研究飛機貨艙門在開關(guān)門過程中的負載特性和功率需求，根據(jù)負載特性優(yōu)化設(shè)計開關(guān)門速度曲線，實現(xiàn)開關(guān)門速度與負載特性的匹配性設(shè)計，根據(jù)仿真及試驗結(jié)果，得出以下結(jié)論：

a. 以實時負載力矩和實時速度乘積計算系統(tǒng)功率需求更符合實際，能得到真實的系統(tǒng)功率需求；

b. 根據(jù)負載特性設(shè)計速度曲線能有效地降低作動系統(tǒng)的功率需求，優(yōu)化設(shè)計的開門速度曲線相對于S型開門速度曲線峰值功率能降低32%；

c. 該方法能有效地降低制動功率抑制系統(tǒng)泵升電壓。

1 張艷，王勇，佟力永，等. 一種基于負載匹配的伺服功率優(yōu)化方法[J]. 導彈與航天運載技術(shù)，2016(4)：72～74

2 潘岱松. 波輪洗衣機電機與實際負載的匹配性設(shè)計[C]. 2014年中國家用電器技術(shù)大會論文集，北京：中國家用電器協(xié)會《電器》雜志社，2014

3 張文文，王建偉，侯文，等. 電動舵機設(shè)計中直流電機選型新方法[J]. 自動化儀表，2016，37(9)：95～98

4 黃捷建，張靜，李浩，等. 伺服電機負載慣量比的合理取值[J]. 微電機，2017，50(11)：72～75

5 莫平華. 民用客機貨艙門電作動器設(shè)計研究[J]. 民用飛機設(shè)計與研究，2012(3)：66～69

6 夏長亮. 無刷直流電機控制系統(tǒng)[M]. 北京：科學出版社，2009

7 楊超凡，聶振金，郭鵬. 一種微小型電動舵機設(shè)計仿真與試驗[J]. 導彈與航天運載技術(shù)，2016(5)：87～91

8 侯虹，郭棟，李建軍. 一種數(shù)字無刷電動舵機的原理建模[J]. 電光與控制，2011，18(6)：74～78，84

9 謝少華，瞿遂春. 基于Matlab的無刷直流電機控制系統(tǒng)仿真研究[J]. 新型工業(yè)化，2015，5(3)：28～34

10 黃天太. 基于電機繞組能量自消耗的泵升電壓抑制研究[J]. 新型工業(yè)化，2018，8(9)：14～17

Cargo Door Electromechanical Actuation System Design on Load Matching

Yu Jian Nie Zhenjin Wang Xin Wang Xiaolu Li Lin

(Beijing Research Institute of Precision Mechatronics and Controls, Beijing 100076)

In order to reduce the power demand of the system in the process of cargo door switching, and suppress the pump voltage caused by the motor braking, by modeling and simulating the cargo door electromechanical actuation system and the process of cargo door switching, the load change during cargo door opening and closing is studied. According to the load characteristics, the speed curve of the cargo door is optimized to match the speed of the door with the actual load and make the power as stable as possible. Through simulation analysis and experimental verification, this method can significantly reduce the power demand of the system. At the same time, it can also suppress the pump voltage.

cargo door；load matching；pump voltage；simulation

余?。?994），碩士，機械工程專業(yè)；研究方向：機電伺服系統(tǒng)設(shè)計。

2019-01-09