飞机数字化全电刹车系统的设计

施建洪，漆云海，李建海，辛庆伟

（1.海军航空工程学院a.控制工程系；b.基础实验部，c.接改装训练大队，山东烟台264001；2.海军装备部航订部，北京100841）

飞机数字化全电刹车系统的设计

施建洪1a，漆云海2，李建海1b，辛庆伟1c

（1.海军航空工程学院a.控制工程系；b.基础实验部，c.接改装训练大队，山东烟台264001；2.海军装备部航订部，北京100841）

设计的飞机全电刹车系统，以四无刷直流电机驱动四滚珠丝杠布局的机电作动机架，取代了原来液压刹车的活塞阀门作动机架，电机通过传动装置驱动滚珠丝杠松刹刹车盘实现飞机的刹车。在硬件设计上，刹车控制器的CPU采用TI公司的电机及运动控制专用DSP2407，以满足对控制系统的性能要求；4台无刷直流电机的换相信号由可编程逻辑器件完成；对电机的驱动采用了MOSFET与栅极驱动芯片IR2130组成的功率驱动电路，实现了无刷直流电机的高效驱动。

全电刹车；无刷直流电机；数字化；电路设计

飞机刹车系统是飞机上具有相对独立功能的子系统，其作用是承载飞机的静态重量、动态冲击载荷以及吸收飞机着陆时的动能，实现飞机的起飞、着陆、滑行、转弯的制动和控制。全电飞机用机电设备代替飞机上的所有液压装置，具有系统重量减轻、易于维修、效率提高、利用性更强等优点。全电刹车系统是一个至关重要的子系统。相对于传统液压刹车系统，全电刹车系统具有诸多优点：电作动机构取代液压作动机构，避免液压油泄漏、燃烧的危险，提高了安全性，同时减轻了飞机的重量；增加刹车力矩反馈控制，显著改善防滑性能，延长轮胎和刹车装置的使用寿命；系统的模块化和实时检测功能使飞机易于维修，提高飞机的生存能力；电刹车系统的刹车作动频率高于液压刹车系统的刹车作动频率，刹车效率也高于液压刹车系统的刹车效率[1-4]。

本文对全电刹车系统结构组成进行了分析，总结了全电刹车控制器的特点，给出了全电刹车系统的实现方案，包括数字式刹车控制器、无刷直流驱动电机、传感器、PWM驱动与隔离电路、飞机与机轮速度处理电路等。

1 全电刹车系统的组成分析

全电刹车系统的组成与原理框图如图1所示。

图1 全电刹车系统的组成Fig.1 Structure of all electrical aircraft braking system

整个刹车系统主要由数字式刹车控制器、功率驱动电路、机电作动器（EMA）刹车机架和受刹机轮组成，EMA刹车机架则由无刷直流电机、滚珠丝杠构成（图1中虚线部分）。系统的大体运作流程为：飞机速度信号、机轮速度信号和刹车力矩信号经速度传感器和力矩传感器反馈送入数字式防滑刹车控制盒，产生相应的控制信号输入到电机的功率驱动电路，由功率驱动电路控制电机运转，进而驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠输出刹车压力到刹车盘，产生相应的刹车力矩。因此，全电刹车系统形成了以机轮速度、飞机速度和刹车力矩为负反馈的闭环控制系统[5-7]。

数字式刹车控制器是整个系统的核心部件，它以高性能DSP为核心，实现了整个刹车系统的协调控制。机电作动机构中电机的旋转运动减速后被转换为压紧刹车盘的轴向运动，这里采用高性能的无刷直流电机作动力以及低惯性的部件滚珠丝杠作执行机构，使得机电作动器的频率响应可以达到20～30 Hz，比之液压刹车系统提高了2～3倍。由于增加了力矩反馈控制系统，解决了刹车摩擦变化的问题，可提供准确的刹车响应，显著改善了刹车力矩的控制和防滑性能，缩短了刹停距离，提高了轮胎和刹车装置的使用寿命。

2 全电刹车系统的实现方案

2.1 数字式刹车控制器

数字式刹车控制器是系统的核心。由于每个受刹机轮需要4台作动器，控制任务较为繁重，这就要求采用高性能的处理器作为核心处理器。本文采用TI公司开发的TMS320LF2407电机专用数字信号处理器，该处理器具有30 MIPS的执行速度，由4个比较单元产生PWM波可为4台电机提供斩波信号，实现对电机的控制[8]。电机的驱动信号和其他一些逻辑由复杂可编程逻辑器件EPM7128产生。数字式控制器的结构如图2所示。

图2 数字式刹车控制器Fig.2 Controller of digital braking

2.2 驱动电机

驱动电机是全电刹车系统的关键执行机构。无刷直流电动机是随着电力电子技术的发展而出现的一种新型直流电动机，它是以电子换向装置代替传统的直流电动机的由电刷和换向器组成的机械换向装置，由于取消了电刷、换向器、因而具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具有直流电动机的调速性能，无励磁损耗、效率高等诸多优点。因此，本文的驱动电机选用无刷直流电机。

EMA刹车机架是4电机4滚珠丝杆作动机构布局，电机选用重量轻、体积小的稀土永磁无刷直流电机，每个电机通过2级齿轮传动装置，独立控制一个滚珠丝杆作动器。其中，第1级齿轮传动为直角减速齿轮，第2级为圆柱减速齿轮，齿轮系的传动比由电机功率、滚珠丝杠参数及刹车性能要求共同决定。正常刹车时使用其中的2套作动装置，就能完成飞机的安全刹停，另外2套电机作动装置作为应急备用[4-5]。

2.3 传感器

传感器本系统要使用4个传感器：机轮转速传感器、飞机速度传感器、刹车力矩传感器、电机速度传感器。其中，机轮转速传感器和飞机速度传感器均采用霍尔转速传感器，飞机速度传感器装在飞机的前轮，基本反映了飞机的实际速度。电机速度传感器采用装设在电机内部的光电式转速传感器，产生的输出信号是标准的方波信号，处理电路和机轮转速传感器相同。刹车力矩传感器输出一个频率和刹车力矩成正比的正弦信号[4]。

2.4 PWM信号驱动隔离电路

为保证系统运行的可靠性，应尽可能减小主电路干扰对CPU工作产生影响。因此，本系统将控制电路部分和电机驱动电路相互隔离。将CPLD产生的驱动信号经过驱动电路74HCO4提高信号的驱动能力，然后再经过光电隔离后驱动IR2130电机驱动电路。

本系统中选择的光电隔离器件为TLP521-4，这是一种高速光耦，其最高速度可达1 Mbit/s，其单路PWM信号连接的电路如图3所示。

图3 PWM信号驱动隔离电路Fig.3 PWMdriving and insulating circuit

当CPLD输出的电机触发信号PWM11为低电平时，发光二极管不通，p11为高电平，当PWM11为高电平时，输入端的发光二极管导通，p11输出为低电平，p11直接接到功率驱动电路，控制电机的换相。

2.5 驱动电路

功率元件驱动电路的特性在PWM控制系统中占有很重要的地位。在全桥电路中，主电路有6个功率开关器件。本文采用美国国际整流公司生产的专用驱动芯IR2130。IR2130使用1个电源即可驱动三相桥式电路的6个功率开关器件，可使驱动电路简单可靠[9]。电机的驱动电路如图4所示。

图4 电机驱动电路Fig.4 Driving circuit for motor

2.6 飞机与机轮速度处理电路

本文用到的飞机速度以自由滚动的飞机前轮速度代替。在飞机前轮与受刹机轮上都装有电磁感应式转速传感器，当机轮旋转时传感器会产生一个交流信号，交流信号的频率与机轮的转速成正比，交流信号的振幅随轮速的变化而变化，峰峰值在0.5～1.5 V间，将此信号转换成同频率的方波后送入DSP的捕获单元即可得到机轮的转速值。电路如图5所示。

图5 机轮速度处理电路Fig.5 Aircraft wheel speed adjusting circuit

比较器MAX9039为+3.3 V供电，输出高电平为3.3 V，低电平为0 V，因而比较器采用非零比较形式。利用电容耦合电路将输入信号的电平抬高2.5 V，使得输入电平在2.25～3.25 V之间。因机轮传感器的输出信号存在干扰，为提高电路的抗干扰能了将其接成迟滞比较器，通过调整POT1的阻值就可以改变门限的宽度。

3 结论

本文设计了基于DSP与CPLD的数字式全电刹车控制器，给出了全电刹车控制器的具体实现电路，以DSP2407作为系统的控制核心，具有结构简单、可靠性高、容易实现较为复杂的控制律等优势，有利于提高了刹车系统的整体性能。

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Design of Aircraft Digital Electric Braking System

SHI Jian-hong1a,QI Yun-hai2,LI Jian-hai1b,XIN Qing-wei1c
（1.Naval Aeronautical and Astronautical University a.Department of Control Engineering;b.Department of Basic Experiment; c.Training Brigade of Equipemnt Acceptance and Modification,Yantai Shandong 264001,China; 2.Aviation Scientific Research Ordering Branch of NED,Beijing 100841,China）

The structure and aircraft electric braking system was presented.The piston and valve actuated housing for hydraulic braking system was replaced by electro-mechanical actuated housing,which consisted of four motors and four ball screws.The ball screw,driven by the motor through gearing,put pressure to braking carbon stack.The CPU of digital controller used DSP TMS320F2407,which was designed for motor and motion control applications.The control signal for brushless DC motor was produced by programmable logic device.The motor driving circuit comprised by MOSFET IR2130 was used to drive the motor efficiently.

electric braking;brushless DC motor;digital;circuit design

TM341

A

1673-1522（2014）04-0351-04

10.7682/j.issn.1673-1522.2014.04.011

2013-12-27；

2014-03-19

施建洪（1963-），男，副教授，硕士。