飞机全电刹车机电作动系统的建模与控制方法研究

【摘要】：飞机全电刹车是随着多/全电飞机的发展而诞生的一种全新的制动理念。与传统的液压刹车系统相比,全电刹车系统具有体积小、重量轻、安全性高、动态性能好等优点。机电作动系统是电刹车系统的关键子系统,是刹车过程中产生制动力矩的核心环节,主要由机电作动控制器(EMAC)和机电作动器(EMA)组成。本文重点针对机电作动系统的建模和控制方法进行了研究。论文首先介绍了EMAC和EMA的工作原理,结合机电作动系统的工作状态,研究了无刷直流电机在刹车过程中的运行状态,得出了电机在整个运行过程中包含轻载运行、正向变负载运行、短时回馈制动、反转运行等多种状态,运行轨迹经历第一、三、四象限。根据EMA各组成部分的工作原理,建立了无刷直流电机、减速齿轮、滚珠丝杠的数学模型,通过试验数据拟合得到了刹车力与活塞位移的数学关系。借鉴经典的静摩擦+粘滞摩擦+库伦摩擦模型,引入刹车力这一变量,建立了EMA的摩擦力矩模型。在Matlab/Simulink环境下,搭建了机电作动系统的仿真模型,经仿真结果与实测数据对比,验证了模型的有效性。同时,进一步证明了在开环情况下,EMA输出的刹车力具有迟滞特性,机电作动系统为非线性系统。论文采用PI控制算法,仿真分析了刹车力单闭环,刹车力、电流双闭环以及刹车力、转速、电流三闭环这三种结构的控制效果。结果表明大幅度刹车力调节时,基于PI控制算法的刹车力伺服控制在任意结构下均能够满足系统的动态响应和稳态精度要求。并通过对比得出三环结构的控制效果优于单环和双环结构。此外,为了优化PI控制在小幅度刹车力调节时的控制精度,提出了一种基于静摩擦+库伦摩擦模型的摩擦力矩补偿控制方法,通过提供与静摩擦和库伦摩擦力矩大小相等、方向相反的补偿转矩,消除了EMA摩擦力矩中的非线性分量,提高了刹车力的控制精度,减小了力伺服控制过程中的转速死区。结合实际技术要求,采用高性能数字信号处理器(DSP)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)作为控制核心,阐述了EMAC的软、硬件组成及其设计方案,搭建了电刹车机电作动系统的试验平台,对文中所涉及的部分控制方法进行试验。结果表明:系统输出的刹车力能够快速响应和准确跟踪给定信号,满足刹车系统控制性能要求。