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1、1008 计算机 测 量与控制 . 2 0 0 7 . 1 5(8 ) Co mPuterMea s ur ement 电作动机构 ; 刹车控制盒 ; 控制律 Stud ying on K ey T e chn iq ueo fE le etricB rake System o f UAV Zh ao P engtao , M a Xi ao Ping (D ePa rtme ntof Av i atio n , N orthwestern Polyte ehniealU n i v e r sity, X泥n 7100 72 , C hin a ) Abstr act : In o rder
2、to imPro v ethepe rfo r m an e ea ndeffieieneyofthe brake of UA V (U nma n n ed V ehieles), this artiele s ba s ed o nthe de - signoftheele etrie br ake of,theeomposingof brakesystem 15in tr odu eedand it15 e omparedto the tr adition al hydr aul ie br ake . A nanalysis 15giv e nfo rthestruetu r ea n
3、d fe a tu re so fit , spe eially d ese ribing thekeyteehnique ofU AVthat 15de sig no fele e triea etu ato ra nd brake一 eon- tr o lbo x indetail . The syn opsiselu eidatio nofeo ntrol lawthat 15 e o ntr olmethodo f m ultilater althre shol dofPID 15 giv en eoneisely,the ba sie m odelsa re builtwiththe
4、to olofS IMULINKin thes oftwar eofMA T LAB , the r esultofsimulatio n 15 sim ila r tore alstate san din die ate s the 叶r f o rmaneea n d ef fieieneyoftheele etde br ake a r e b ette rtha n the tr adition al hydr aulie br ake . Ke y w o 川s : eleetrie brake system;ele etr iea etuator; b r ake一e o ntro
5、lbox;eontrollaw 0 引言 自从人类制造出能飞上高空 的飞机 , 就面临着如何使高速 运行的飞机安全 、 平 稳 的停下来的 问题 。 194。年 , 英国邓 禄 普公司 (D unf op) 首先 研制出世界上第一套飞机刹车系统 , 揭开 了飞机刹车系统研制的序幕 。 时至今日 , 传统的液压刹车 系统已经 显露出一些弊端 : 结构 重量过 大 , 维修保障成本高 , 刹停 效率较低等 。 全电飞机概念 的提出 , 即用电传感器代替飞 机上 的所有液压装置 , 显现出很多优点 : 系统重量减轻 , 易于 维修 , 效率提高 , 可靠性高等川 。 无人驾驶飞机亦称无 人驾驶 飞行
6、器(以下简称 无人机) , 是由无线电摇 控或自身程序控制 的不载人飞机 。 无人机作为一种近年来迅速 发展 的新一代飞 机 , 它具有实现全电飞机得天独厚的发展优势 , 受传统飞机发 展思路影 响较小 , 很多新的思路 、 新的想法可以在无人机上进 行验证和实现 。 据报道波音公司的X一4 5无 人作 战飞机已经 装有全新的全电刹车 系统 , 美国每日防务2002年 5 月2 3 日报道X一4 5A 原型无人作 战飞机 (UCA V)在爱德华 兹空军 基地完成 首次试飞 . 飞行持续了1 4 分钟 。 全电刹车 在无 人机 上的成功应用预示着设计更为轻巧的无人机成为可能 。 本文介绍了无人机
7、全 电刹车的基本组 成 , 主要针对电作动 机构和刹车控 制盒进行分析设计 , 这是电刹车区别于液压刹车 的关键部 分 , 电作动机构取代传统的液压作动机构后 , 传动速 度变得更快 , 同时由于不再使用液压油 , 大大提高了安全性并 且降低了维护成本 ; 刹车控制盒是决定刹车性能优劣的关键部 分 , 和传统的液压刹 车系统 相比其中增 加了刹车力拒传感 器 , 并采用 了当前国外相对成 熟的控制律 , 能够更为精确的实现刹 停无人机 。 刹车信号输入 甸 刹车控 制盒 电作动机构 刹车装里里 结合力矩 图 1 无人 机全电刹车系统结 构原理图 收稿日期 :20 0 6一08一 2 9 ; 修
8、回日期 :200 6一10 一 15 。 作者简介 : 赵鹏涛(198 1一) . 男 , 硕士研究生 . 河南洛阳人 , 主要 从事 无人机全电刹车系统方向的研究 。 马晓平(196 1 一) , 男 , 研究员 , 陕西西安人 , 主要从 事无人机 总体设 计方面 的研究 。 1 刹车系统的结构与组成 无人机全电刹 车系统由五部分组成 : 机轮速度传感器 、 转 矩传感器 、 刹车控制盒 、 电作动机构和刹 车装置 。 其基本工作 原理是 : 机轮速 度信号和刹车 力矩信号经 速度传感器和力矩传 感器送 人刹车控制盒 , 产生相应 的控制信号输人到机电作动控 制器 , 再产生相应的控制信号
9、控制电作动器 , 输出刹车压力到 刹车盘 。 之所以称其为 ” 全电 就在于新的刹车系统与传统的 液压刹车系统 有着很明显 的区别 : (l) EMA(Ele etrom e e h an - i c a l l y A ctu a t ed机电作动器) 刹 车机架取代了 原来的液 压刹车 中的液压活塞机架团 ; (2 ) 系统中增加了刹车力矩 反馈 , 传统 的液压刹车系统中只有机轮速 度反馈叫 。 由 系统结构原理图可知 电作动机 构和刹车控制盒是无人机 中华测控网 ehinamCa . c om 第8期 赵鹏涛 , 等 : 无人机全 电刹车系统的关键技术研究 10 09 图3电作动机构模
10、型 几 一(瓜十 几 + T , ) 李 甲 (3) 其中 , 几为滚珠丝杠的转矩 , 几 为丝杠的驱动力矩 , 丁凡为 滚珠丝杠的阻力矩 , 乃为丝杠 传 动系统 的摩 擦力 矩 , 夕为滚 珠丝杠与电机轴间齿轮副的传动效率 , i为滚珠丝杠 与电机轴 间齿轮副的传 动比 。 其中 : 、了、 矛万 连 口匕 矛、 了、 T n F乙 2叨 (l一 扩 ) L一甲F一2 一一 全电刹车 系统中的关键部 分 , 它直 接决定 刹车 系统 的性能和效 率闭 。 下面我们主要针对这两部分进 行分 析设计 。 2 电作动机构设计 EMA(Ele etromee ha nie ally Ac tu a
11、t e d机电作动器)刹 车机架是 系统中的一个重要环节 , 它与以往 的液压活塞 系统不同 。 液压刹车作 动是通过液压活塞作用于压紧盘来 压紧刹车装置中的动盘和静盘以产 生刹车力矩的 。 而在全电刹车系统 中 , 这一行为由一组无刷 直流电机驱 动滚珠丝杆机 构来完成 。 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 通过两级齿轮传动装置 , 独立控制一 个滚珠丝杠作动器 。 其 中 第一级齿轮传动为直角减速齿轮 , 第二级为圆柱减速齿轮 , 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 。 齿轮旋转运动到压紧盘轴向压力运动的变换 由 4 个
12、滚珠 丝杠作动机构完成一一齿轮转动带 动丝杠旋转 , 从而带动螺母 的轴向直线运动 , 给压 紧盘施力 , 电机反转时 , 螺母回退 , 松 开刹车炭盘 。 由于全 电刹 车 系统 中不存在充填活塞腔的过程 , 全电刹车系统对刹车踏板指令的响应也就比液压刹车系统快得 多 。 因此 , 全电刹车系统中松刹 车要比液压刹 车系统 中的快 , 在刹车力矩小的情况下更是如此 。 另外 , 由于每个独立控制的 无刷直流电机分别驱动一个滚珠丝杆机构 , 所以对多作动器布 局的刹车机架 , 系统有很好的安全性 。 在 电作动器中 , 设置了 4 个直流电机 , 2 个直流 电机用于 正常刹车 , 另2个用于
13、应急 刹车 。 升 。 F为丝杠的轴向工作载荷 , F尸 为丝杠的轴向预紧力 。 丝杆转 动一周 , 螺母上基准点轴向移动位移L , 当丝杆以 角速度 。 送进时 , 在时刻 t 螺母上基 准点轴向移动 x , 螺母轴 向位移与刹车推力成线性关系 。 几 一J、 . +/ 势 (1一犷)十 具 十T八上(6 ) 、乙叨 叼 2钾 图2电机 、 滚珠丝杠作动机构 在这里电作动机构的 主要作用是把输人的 目标转速信号转 化为输出 的刹车推力 , 通过刹车推力来 压紧刹车盘刹车 。 滚珠 丝杆的驱动力矩是选择电机等驱动装置的重要参数 , 滚珠丝杆 的惯性力矩 、 丝杆克服轴向工作载 荷移动螺母所需的
14、驱动力矩 及其它阻力矩是电机容量 选择的重 要依 据 。 电机驱 动滚 珠丝 杠 , 并将电机的旋转运动转化为丝杠 的直线运动 , 对刹车盘加 压 。 由于滚珠丝杠将电机 的旋转运动转化为直线运动 , 因此有 下式成立 : 田tJ 2冗L (1) 其中 , 田 为丝杠送 进时 的角速 度 , x 为螺母上 基准点的轴向 位 , L 为丝杠螺纹导程 , t 为 丝杠开始运作后的时间 。 电机负载转矩为 : 几 一J、 山+T l .( 2) 其 中 , 几 为电机负载转矩 , J、为电机轴转动惯量 。 仿真模型如图 3 所示 。 3 刹车控制盒的设计 由全 电刹 车系统的结构图可知 , 刹车控制
15、盒是关键 的一部 分 , 防滑效 率的高低与刹车控制盒紧密相关 。 控制盒由三部 分 组成 : 机轮速度调节器 、 刹车力矩调节器和电机双闭环调速 系 统组成 s 。 在这里 我们针对无人机全电刹车系统采用 的防滑刹 车系统控 制方式是速度差加偏压控制 (PBM控制) , 即多门限 PID控制方法闭 。 虽然目前报道的防滑控制律很多 , 诸如模糊 控制 律和神经网络控制 等 , 但 并没有真正的实际应用在飞机 上 。 3 . 1 机轮速度 调节器 机轮 速度调节器主要 由如下几部分组成 : 方波级 、 机轮速 度级 、 基 准速度级 、 比较级 、 防滑控制级 、 瞬时级 、 PBM级 、 微
16、分级 、 综合级和驱动级 。 方波级和机轮速度级的作用是把 机轮速度传感器送来的近 似正弦信号转变 为同频率的方波信号 , 该信号与机轮速度成正 比 , 再由机轮速 度级将此方波信号变 为直流电压信号 , 其 幅值 与方波信号的频率成正比 。 准速度级作用是当机轮速度大于基 准速 度时 , 以机轮速度为基准速度 , 而当机轮速度小于基准速 度时 , 基准速度以某一大于 飞机 实际 减速率的 固定 速率衰减 。 比较级的功能是求得机轮速度与基准 速度之差 , 然后按比例放 大 。 防滑控制级的作用是接受来自比较级输出的差值信号 , 设 置一定的门限电压值 , 来控制机轮打滑的深度 , 这对提高刹车 效率 、 缩短刹停距离 、 减小飞机失效速度有重要的作用 。 瞬时 级要求当防滑控 制级输出大于某一 门限时进 行比例放大 输出 , 控网 10 50 计算机测量与控制 第1 5卷 图5中的虚线 “; . 所示时 , 就可以使可控硅的导通角 为 180 0 。 当然 , 这时 的可控硅 只能接纯阻性负载 。 4 . 3 软启动电路 为避免电源加 电时 对负载和电源本
