基于F28335的飞机防滑刹车控制系统设计

容晨峰，刘文胜，陈梦樵，马运柱

(中南大学 粉末冶金国家重点实验室，湖南 长沙 410083)

基于F28335的飞机防滑刹车控制系统设计

容晨峰，刘文胜，陈梦樵，马运柱

(中南大学 粉末冶金国家重点实验室，湖南 长沙 410083)

采用数字信号处理器(TMS320F28335)和高精度线性频幅转换芯片(LM131)等集成芯片搭建了飞机防滑刹车系统的硬件电路，并采用基于跑道识别技术的PD+PBM复合控制算法，结合MATLAB代码自动生成技术进行软件设计。系统实现了机轮速度信号的采集、跑道辨识以及防滑控制等功能。为了验证系统设计方案的可行性，将防滑控制系统结合半物理仿真台进行仿真实验。实验结果表明，系统能够适应不同跑道状态，具有良好的防滑刹车性能。

DSP;防滑刹车；复合控制；自动代码生成

0 引言

飞机防滑刹车系统是飞机控制系统的关键组成部分，其主要作用是在飞机终止起飞和降落过程中确保飞机的安全制动[1]。随着计算机技术和微电子技术的发展，飞机刹车系统的防滑控制技术已逐渐由模拟式向数字式发展，数字式刹车系统均采用微处理器作为控制核心，比传统模拟式控制器的数据处理能力及实时响应能力更强，具有更高的集成度，且体积小、重量轻，给设计工作提供了便利的同时提高了刹车效率[2]。

模拟式电子防滑刹车控制系统主要由模拟器件构成，只能实现PID等简单的控制率，这就限制了其在刹车性能上的进一步提高。针对此问题，本文以TMS320F28335DSP作为主控芯片，结合频率/电压转换芯片LM131搭建了系统的数字式刹车系统的硬件控制电路；在此基础上，利用模型设计方法完成了防滑控制系统的软件设计，并采用自动代码生成技术代替复杂的手工代码编写，与传统编码方法相比，该方法便于系统模块的调试与优化，提高了设计效率，加快了系统的开发速度。

1 系统的组成分析及硬件设计

飞机防滑刹车控制系统的组成与原理框图如图1所示。系统主要控制电路由信号调理电路(F/V模块)、DSP最小系统、V/I模块、功率驱动电路等模块组成。其工作机理是： F/V信号调理模块将速度传感器输出的正弦速度信号转换为0～3 V的直流电压信号，进而由主控单元(TMS320F28335DSP)的A/D转换单元进行采集处理，然后将其转化为数字信号，并通过内部程序换算得到相应的机轮速度。若主控单元接到刹车指令，DSP对机轮速度进行综合处理得到防滑电流，其内部EPWM单元根据防滑电流值输出相应的PWM电压信号，PWM电压信号经过V/I模块后得到电流信号，再经过功率驱动电路得到伺服阀所需电流，最后通过驱动刹车装置进行刹车动作。

1.1 信号调理电路

由于TMS320F28335模拟电压输入范围为0～3 V，在其A/D端口对速度信号进行采样前，需要对输入的速度信号进行整形处理[3]。本文基于LM131设计了F/V信号调理电路，将正弦速度信号转换为TMS320F28335可以采集的直流电压信号，如图2。LM131是高线性频率/电压转换芯片，所需外围分立器件较少，分布参数影响小，高频特性好[4]。该电路的输入输出表达式为：

U0=2.09fiRLRtCt/Rs

(1)

式中，fi为速度信号频率，U0为输出电压。由式(1)可知，该电路模块的输出电压与输入信号频率呈线性关系，在外围电阻、电容值一定的情况下，输出电压信号与速度信号的频率成正比。相比传统由纯分立器件构成的信号转换电路，该电路体积更小，高频特性更好，简化了设计和调试工作。

此外，为了防止DSP的输入信号过高损坏内部的A/D模块，在LM131输出端连接一个线性隔离模块。该电路对DSP的输入信号进行滤波和幅值调整，将其调整为0～3.3V范围内的信号，并减少其中掺杂的干扰信号，以便DSP的A/D口采集。线性隔离电路如图3所示。

1.2 功率驱动电路

刹车系统中采用的伺服阀是反向电流型伺服阀，阀门的开度与阀电流的大小成反比，以此来控制刹车装置的刹车压力。由于DSP经防滑运算后输出的控制信号是电压信号，这里需要通过一个V/I转换电路将电压信号转换为电流信号，并增大驱动电流以驱动伺服阀。电路设计如图4所示。

2 系统的控制算法设计

飞机刹车主要依靠刹车时轮胎与地面之间产生的结合力进行制动[5]。在飞机重量一定的情况下，影响结合力的主要因素是结合系数，而结合系数是由跑道路面状态决定的[6]。本文利用非线性跑道辨识观测器来估计跑道状态[7]，该观测器能够在机轮速度ω已知的条件下快速准确地获得跑道状态值θ(分别对应干、湿、冰状态)。根据所得的跑道状态值计算得到最佳滑移率s以及PD+PBM控制器参数，从而使机轮与

跑道路面的结合系数维持在最佳值，提高刹车效率，缩短刹车距离。已知轮胎/路面的LuGre模型和系统动力学模型分别如式(2)和式(3)：

(3)

引入式(4)形式的变形可得到飞机纵向动态模型如式(5)：

(4)

(5)

输出选为：

(6)

ζ=[η,χ,z]T

(7)

综上，得到跑道状态观测器模型如下式：

(8)

其中:

(9)

式中,FX是轮胎/路面结合力，Fn是地面支持力，J是机轮转动惯量，m是飞机质量，μ是结合系数，ω是机轮速度，vr是相对速度，r是机轮半径，u是刹车力矩，σ0是刚度系数，σ1是衰减系数，σ2是与相对速度成正比的系数。

由式(6)及式(8)可知，只需测量机轮速度ω就可以正确估计出对应干、湿、冰三种情况的跑道状态值θ。

为了减小系统稳态误差，缩短系统调整时间，防止系统长时间处于浅打滑状态或频繁解打滑，本文在PD算法基础上进行改进设计，通过引入偏压调节模块构成PBM+PD复合控制算法。根据跑道状态观测器得到的跑道状态值θ可以实时调整最佳滑移率s和机轮角速度目标值ωr，同时PBM+PD复合控制器能够根据不同的跑道状态值θ来改变控制参数，使飞机机轮速度ω能够迅速跟踪目标角速度ωr，以提高系统的刹车效率。系统控制框图如图5所示。

PBM级的主要设计思想是：当比较级输出大于某一门限时，PBM的输出应逐步增大，且误差小时增长率小，误差大时增长率大，有利于快速消除误差；当比较级输出小于某一门限时，PBM的输出按某一速率减小，防止系统长时间处于浅打滑状态，提高系统刹车效率。PBM级公式如下：

(10)

3 基于自动代码生成的软件设计

通常情况下，在防滑控制算法应用于飞机刹车系统前，先用MATLAB进行模拟验证，再把算法修改成C语言或者汇编语言写入DSP。随着对飞机刹车系统控制要求的逐渐提高，控制代码的复杂程度也不断提高，为了提高工作效率以及代码的可靠性，本文采用自动生成代码的方法完成飞机刹车系统的程序设计，避免了手工编程容易出现错误的问题。其具体实现流程如图6所示。

首先根据系统需求进行模型搭建，然后对系统各个模块和系统整体进行仿真调试，并调整控制参数及优化算法。系统仿真模型包含控制器模型和被控对象模型。系统模型经仿真验证满足设计需求后，使用MATLAB/Simulink中的Target Support Package工具包将控制器模型转换成基于F28335的嵌入式模型(如图7)。嵌入式模型包括以下几个功能模块：F28335 eZdsp模块、A/D采集模块、防滑控制模块以及伺服阀驱动模块，其中防滑控制模块为控制算法模块。该模型经过MATLAB/Simulink编译后，可生成面向TMS320F28335 DSP的C代码，将其写入控制芯片。被控对象模型在环测试时被实际硬件系统代替，最后进行软硬件联合实验。

4 实验设计及结果分析

为了验证算法的可靠性及优越性，本文对飞机防滑刹车系统在具有干、湿、冰三种状态的混合跑道上进行仿真实验，分别对采用传统PID控制算法的控制系统，以及采用基于跑道识别观测器的PD+PBM复合算法的控制系统得到的结果进行对比分析。

混合跑道设置为飞机着陆刹车开始的前8 s为干跑道，8～15 s飞机由干跑道进入湿跑道，后段则为冰跑道。数字仿真结果如图8所示，由图可见，在切换跑道的瞬间，两种控制方式都会出现不同程度的打滑现象，这主要是由于轮胎与地面的结合系数骤变影响了结合力矩而产生的。可以看出，采用传统PID控制算法的控制系统的打滑程度更为严重，且调节时间更长，刹车时间为35 s；而采用基于跑道识别观测器的PD+PBM复合算法的控制系统调节速度更快，在经过跑道辨识计算后防滑控制算法能够迅速调节刹车压力的大小，减小机轮打滑程度，轮速能迅速跟踪预定速度，刹车23.3 s后达到失效速度。

通过分析两种控制算法在混合跑道上的仿真结果可知，本文所设计的控制算法具有响应更快和效率更高的优点，能满足各种跑道下的防滑刹车控制要求。

为了进一步验证控制系统性能以及自动生成代码的有效性，本文结合半物理仿真台对所设计的防滑刹车系统进行半物理仿真试验。由于受到实验条件和环境的限制，仅将液压模拟系统和控制单元部分用实物系统来代替模型接入仿真回路，而飞机机体、起落架、机轮、刹车装置等用物理实现比较困难的部分采用数学模型，通过仿真计算机接入仿真回路[8]。实验设置飞机初始速度为70 m/s，半物理仿真结果图如图9所示。

实验结果显示，刹车时间为23.484 s，与MATLAB全数字仿真结果基本一致，验证了自动生成代码的有效性，且该防滑刹车控制系统可有效快速地完成防滑刹车工作。

5 结论

本文基于F28335 DSP与LM131完成了飞机防滑刹车系统的设计，给出了刹车控制器的具体硬件电路，实现了信号调理、速度采集及驱动控制等功能。文中采用PD+PBM控制算法，在跑道识别技术的基础上，结合MATLAB自动生成代码技术进行软件设计，极大地简化了代码设计工作，提高了设计效率，在缩短系统开发周期的同时保证了系统的高效和稳定。

[1] CHANG K L, JEON J W. Development of antiloc-k braking controller using hardware in-the-loop simulation and field test[C]. The 30thAnnual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 2004: 2137-2141.

[2] Yang Chonggang, Li Yuren, Han Wei. Design of embedded anti-skid aircra ft brake system for dynamic test and analysis[J]. Computer Measurement & Control, 2010, 18(2): 267-268.

[3] 王艺帆，赵治国.基于F28335的混合动力车ABS-控制系统设计[J].微型机与应用，2013, 32(14)：90-95.

[4] 陈平.一种高性能机车速度数模转换装置的设计[J].电子设计工程, 2014, 22(1)：103-106.

[5] 徐丽.飞机防滑刹车控制系统的结合系数研究[D].西安：西北工业大学，2007.

[6] 彭浩.飞机刹车综合控制器研究与设计[D].长沙：中南大学，2011.

[7] 陈伟光.跑道辨识算法在飞机防滑射中的应用研究[D].长沙: 中南大学，2011.

[8] KHAPANE P D. Simulation of asymmetric landing and typical ground maneuvers for large transportaircraft[J]. Aerospace Science and Technology, 2003, 7(8): 611-619.

Design of brake control system for aircraft based on F28335

Rong Chenfeng, Liu Wensheng, Chen Mengqiao, Ma Yunzhu

(State Key Laboratory of Powder Metallurgy,Central South University ,Changsha 410083,China)

The hardware design circuit of the aircraft anti-skid braking system, which is based on the digital signal processor (TMS320F28335) and high precision linear F/V converter chip(LM131), is built in this paper. Also，PD+PBM hybrid algorithm based on runway state observer is adopted to design the software by using automatic code generation technology of MATLAB. The system realizes the functions of wheel speed signal acquisition, runway identification and anti-skid control. In order to verify the feasibility of this solution, simulation experiment combining the system with the hardware-in-loop test-bed is carried out. The simulation results demonstrate that this system can adapt different runway states and has good anti-skid braking performance.

Digital Signal Processer (DSP); anti-skid braking; hybrid control; automatic code generation

TP399;V227

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.05.028

容晨峰，刘文胜，陈梦樵，等.基于F28335的飞机防滑刹车控制系统设计[J].微型机与应用，2017,36(5)：95-98，104.

2016-10-10)

容晨峰(1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向：飞机防滑刹车系统。

刘文胜(1967-)，男，博士，教授，主要研究方向：航空制动材料与飞机防滑刹车系统。

陈梦樵(1988-)，男，博士研究生，主要研究方向：飞机防滑刹车系统。