蘇田青，林 輝

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710129)

0 引 言

半實(shí)物仿真技術(shù)又稱為硬件在回路仿真技術(shù)，在條件允許的情況下盡可能在仿真系統(tǒng)中接入實(shí)物，以取代相應(yīng)部分的數(shù)學(xué)模型，這樣更接近于實(shí)際情況，提高了仿真結(jié)果的置信度，是提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性和研制質(zhì)量的有效手段。

電傳剎車技術(shù)與傳統(tǒng)的液壓剎車技術(shù)相比，用機(jī)電作動器代替了傳統(tǒng)的液壓活塞，簡化了液壓系統(tǒng)中復(fù)雜的管路，極大減輕了飛機(jī)重量;同時，電傳系統(tǒng)具有完善的故障檢測能力，易于故障識別和隔離，飛機(jī)更易于維修;電傳剎車反饋閉環(huán)控制，剎車動態(tài)性能好，效率高，提高了飛機(jī)戰(zhàn)斗生存能力［1－2］。

1 飛機(jī)電傳剎車半實(shí)物仿真系統(tǒng)

1.1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 中，飛機(jī)模型部分通過正確代入飛機(jī)參數(shù)計(jì)算得到飛機(jī)的滑跑距離、飛機(jī)速度、機(jī)輪速度、飛機(jī)俯仰角等關(guān)鍵物理量。防滑控制盒按基于給定飛機(jī)減速率的防滑剎車控制律計(jì)算得出給定剎車壓力。電機(jī)部分對剎車壓力實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，通過剎車裝置輸出剎車力矩。

圖1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 MATLAB－DSP 自動代碼生成技術(shù)

MATLAB /Simulink 提供的Target Support Package TC2 軟件支持Taxes Instrument 公司C2000 系列DSP，提供DSP 所有功能接口模塊，運(yùn)用該工具建立數(shù)字仿真Simulink 框圖;再利用MATLAB 實(shí)時工作平臺RTW 就可以由Simulink 框圖生成優(yōu)化的語言(如C 和Ada)代碼，產(chǎn)生的代碼既可以提高仿真的速度，又可以生成半實(shí)物仿真和實(shí)時控制與快速原型設(shè)計(jì)所需的代碼。RTW 建立起偏重軟件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和偏重硬件的產(chǎn)品開發(fā)之間的聯(lián)系［3］。

2 半實(shí)物仿真的設(shè)計(jì)

半實(shí)物仿真部分包括建立飛機(jī)模型、設(shè)計(jì)剎車控制律和代碼的自動生成技術(shù)。飛機(jī)電傳剎車半實(shí)物仿真系統(tǒng)數(shù)字仿真是應(yīng)用MATLAB 2009a 的Simulink 框圖直接生成代碼程序于SEED－DEC28335中運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)的。

2.1 數(shù)字仿真部分的結(jié)構(gòu)

數(shù)字仿真結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)字仿真結(jié)構(gòu)圖

由圖2 可知，數(shù)字仿真的設(shè)計(jì)主要完成仿真模型的建立，代碼的自動生成和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的上傳。

2.2 防滑控制策略的設(shè)計(jì)

飛機(jī)在正常剎車的過程中，若剎車壓力過大，機(jī)輪會出現(xiàn)打滑甚至抱死的現(xiàn)象。這種情況是相當(dāng)危險(xiǎn)的，有可能導(dǎo)致機(jī)輪輪胎的磨損、爆胎，從而導(dǎo)致飛機(jī)滑出跑道，甚至機(jī)毀人亡［4］。

防滑控制策略結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 防滑控制策略結(jié)構(gòu)框圖

由圖3 可知，防滑控制盒采用PD + PBM 的防滑控制與給定減速率跟蹤控制相結(jié)合的控制策略。給定減速率與飛機(jī)速度的誤差作為分段PID 控制模塊的輸入，輸出部分作為剎車力的電流信號;PD +PBM 環(huán)節(jié)以機(jī)輪速度為輸入，計(jì)算出基準(zhǔn)速度后，以兩者的誤差作為控制模塊的輸入，機(jī)輪跟蹤基準(zhǔn)速度，輸出部分作為防滑力的電流信號;剎車力和防滑力相減，就得到實(shí)際剎車壓力。

該防滑控制策略的設(shè)計(jì)，既能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)輪防滑控制，也能夠滿足飛機(jī)速度減速率的要求，實(shí)現(xiàn)固定減速率不同檔位的自動剎車技術(shù)。

2.3 代碼自動生成前的程序框圖

代碼自動生成前的程序框圖如圖4 所示。

圖4 代碼自動生成前的程序框圖

由圖4 可知，系統(tǒng)在正確的飛機(jī)模型搭建基礎(chǔ)上，相應(yīng)的接口利用Target Support Package TC2 中的功能模塊，其中，ADC 模塊共用9 路，8 路作為雙余度4 個電機(jī)壓力傳感器的壓力采集信號，1 路作為PWM 信號觸發(fā)ADC 采樣;GPIO 模塊共用4 個，通過4 位二進(jìn)制編碼得到剎車選擇開關(guān)的檔位;硬件中斷和SCI 模塊以及定時器各用一個，定時器產(chǎn)生硬件中斷，利用SCI 模塊將包括幀頭幀尾、8 路壓力、飛機(jī)速度、機(jī)輪速度、滑跑距離、給定壓力和反饋壓力的15 路信號傳送給上位機(jī);PWM 模塊共用2個，1 個作為上述ADC 采樣的觸發(fā)信號，另1 個通過相應(yīng)的硬件濾波電路將剎車壓力信號傳給硬件部分。

3 電傳剎車系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件部分總體框架

系統(tǒng)硬件總體框架圖如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)硬件總體框架圖

由圖5 可知，硬件部分以DSP + CPLD 數(shù)字核心，利用DSP 強(qiáng)大的運(yùn)算能力，完成給定壓力調(diào)節(jié)、SCI 串口通訊，雙余度無刷直流電動機(jī)的PWM 控制、電機(jī)位置和轉(zhuǎn)速的捕獲、故障信號的反饋等功能;利用CPLD 強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算能力，完成電機(jī)轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)、使能控制、三相全橋控制信號調(diào)理、以及邏輯故障檢測等功能。

3.2 CPLD 處理邏輯信號

CPLD 具有強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算能力，將DSP 輸出的電機(jī)使能信號、轉(zhuǎn)向信號、T1PWM 信號與轉(zhuǎn)子位置霍爾信號按照一定的邏輯運(yùn)算，輸出用于控制無刷直流電動機(jī)開關(guān)電路(三相全橋逆變電路)中開關(guān)管導(dǎo)通、關(guān)斷的初始PWM 信號，這些PWM 信號經(jīng)過隔離和功率放大，控制開關(guān)電路，進(jìn)而驅(qū)動無刷直流電動機(jī)按要求轉(zhuǎn)動。

利用QUARTUS II 軟件驗(yàn)證的電機(jī)驅(qū)動信號時序圖如圖6 所示。

圖6 電機(jī)驅(qū)動信號時序圖

由于采用的是“上斬下不斬”的控制方法，所以輸出的APWM1、APWM3、APWM5 有斬波，APWM2、APWM4、APWM6 為高、低電平。

當(dāng)DIR1 信號由 “0”變?yōu)?“1”后，在APWM1～APWM6 的作用下，開關(guān)電路上6 個開關(guān)管的開通順序發(fā)生變化，電機(jī)實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

當(dāng)ENABLE1 信號由 “0”變?yōu)?“1”后，邏輯中“1”代表禁止電機(jī)轉(zhuǎn)動，則輸出的APWM1、APWM3、APWM5 變?yōu)楦唠娖?驅(qū)動電路對低有效)，APWM2、APWM4、APWM6 繼續(xù)為高、低電平，則開關(guān)電路的上橋臂均不導(dǎo)通，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。

3.3 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，應(yīng)實(shí)現(xiàn)對反饋壓力信號和電流信號的采集處理。上位機(jī)需要實(shí)時記錄剎車壓力信號，在傳輸過程中若以電壓的形式傳送，導(dǎo)線上會產(chǎn)生明顯的衰減和引入大量的電磁干擾。解決方式為運(yùn)用XTR111 芯片設(shè)計(jì)電壓轉(zhuǎn)電流電路。0～3 V 電壓信號轉(zhuǎn)換為0～20 mA 電流信號，對應(yīng)0～15 000 N的剎車盤載荷壓力。電壓轉(zhuǎn)電流電路如圖7(a)所示。

電流采樣單元如圖7(b)所示。電流采樣芯片選用ACS712。ACS712 芯片串聯(lián)在逆變器的母線電流回路中，從而測得電機(jī)的母線電流。由于芯片采用了霍爾技術(shù)，較好地隔離了強(qiáng)電電路和弱電電路。

圖7 數(shù)據(jù)采集電路

3.4 雙余度無刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)

全電剎車系統(tǒng)要求機(jī)電作動機(jī)構(gòu)反應(yīng)靈敏，能夠快速地起動、停止、加速和減速，且運(yùn)行平穩(wěn)、到位準(zhǔn)確。雙余度無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、控制特性好、運(yùn)行效率高、任務(wù)可靠性高，能夠滿足系統(tǒng)要求。

本文設(shè)計(jì)的雙余度無刷直流電動機(jī)定子繞組為雙繞組，由兩套在空間上互差30°電角度且彼此電氣隔離的Y 型連接的繞組組成。兩套繞組彼此互為余度，在空間上有電磁耦合。輸出力矩是兩套繞組與電機(jī)磁場作用產(chǎn)生的合成輸出力矩。正常情況下，系統(tǒng)雙余度模式運(yùn)行，兩套繞組各承擔(dān)一半負(fù)載。此時電機(jī)的機(jī)電常數(shù)小，動態(tài)性能高。當(dāng)一套繞組出現(xiàn)故障，采用余度管理，將故障部分從系統(tǒng)內(nèi)切除，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成單通道模式下運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)容錯和提高系統(tǒng)可靠性的目的。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

飛機(jī)電傳剎車系統(tǒng)可對飛機(jī)整個著陸剎車過程進(jìn)行試驗(yàn)。電傳自動剎車分為高、中、低三檔，分別對應(yīng)3．05 m/s2、2．1 m/s2、1．5 m/s2的減速率。

選擇“高”檔時自動剎車的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。

圖8 選擇“高”檔時自動剎車的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選擇“高”檔3．05 m/s2減速率剎車時，飛機(jī)初始速度72 m/s，理想剎車結(jié)果:

如圖8(a)所示，剎車時間24 s，滑跑距離990 m，時間誤差0．4 s，距離誤差140．6 m?？紤]到實(shí)際剎車動作的執(zhí)行比給定信號延遲2～3s，開始時飛機(jī)以略小于初始速度(平均68 m/s)運(yùn)行2～3 s(滑跑距離136～204 m)，才開始正常減速，距離誤差不可避免，在可以接受的范圍內(nèi)，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際相符，滿足剎車系統(tǒng)性能指標(biāo)要求。

圖8(b)為飛機(jī)速度和機(jī)輪速度對比波形，兩條曲線基本重合，下降平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)較大的波動和機(jī)輪打滑，說明自動剎車過程平穩(wěn)，安全性高，可控性強(qiáng)。

圖8(c)為給定與反饋剎車壓力對比波形，除了壓力給定輸出開始階段出現(xiàn)瞬間較大的超調(diào)(控制律參數(shù)調(diào)節(jié)尚需完善)外，壓力反饋和壓力給定曲線一致性較好，穩(wěn)定值都在3 850 N 左右，壓力值基本恒定，過程平穩(wěn)，滿足自動剎車平穩(wěn)性能指標(biāo)以及剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

［1］ 劉冠志．飛機(jī)全電剎車驅(qū)動器設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．計(jì)算機(jī)測量與控制，2010，18(2):326－328．

［2］ Lennon W K，Passino K M．Intelligent control for brake systems［J］．IEEE Transactions on control systems technology，1999，7(2):188－202．

［3］ 張祥，楊志剛，張彥生．MATLAB /Simulink 模型到C /C + + 代碼的自動生成［J］．重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，20(11):111－113．

［4］ 蔡文舉．飛機(jī)全電防滑剎車控制器設(shè)計(jì)［D］．西安:西北工業(yè)大學(xué)，2007．