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飞机全电刹车力伺服控制与可靠驱动技术研究

相里康  
【摘要】:飞机全电刹车是利用先进电子设备控制电机、驱动执行装置、实现飞机可靠制动的一种新型技术。相对于传统的液压刹车,无管路敷设和油液泄漏及失火危险,参数可在线监测,具有维护性好、刹车灵敏性高、快速安全等优点,是飞机刹车系统的一次质的飞跃,世界各航空大国高度关注,加速研究和开发。飞机采用全电刹车系统,对其机电作动器的力伺服控制性能与整个驱动系统的可靠性要求非常严格,论文将从这两个方面展开研究。首先,针对全电刹车系统所采用的力伺服控制技术,分析了机电作动器(EMA)的开环特性以及摩擦力对刹车性能带来的严重影响;结合作动器的刚度曲线和摩擦力模型,建立了EMA系统的数学模型,并通过Matlab/Simulink的仿真平台,验证了所建模型的正确性;并且在此基础上,提出了采用基于摩擦力模型补偿的刹车压力-转速-电流三闭环控制方法,实现对机电作动器输出力的伺服控制;同时,针对实际作动系统低占空比运行时刹车力数字控制精度不足的问题,提出在全桥逆变器前级联Buck变换器,进而降低母线电压来提高刹车力控制精度的方法;最后,在给定方波、正弦波、防滑刹车力曲线下通过实验观察刹车力反馈信号,均证明系统具有良好的稳态精度和动态响应速度。实际系统中机电作动控制器(EMAC)与EMA之间连接电缆长达15米,其反馈通道容易受到电磁干扰而造成系统误动作。论文分析了电磁干扰(EMI)对系统的影响机理,得出了电机三相电流和EMAC输出的三相电压是系统电磁干扰主要来源,而电缆线路的耦合干扰是主要的传播途径这一重要结论。通过电磁屏蔽、线路绞合、接地技术等综合治理方法,设计了合理的EMAC与EMA连接电缆。针对霍尔位置传感器位置反馈信号,通过将其输出的电压信号转化为电流信号传输,并通过光电耦合器与控制电路隔离的方法,提高了其抗干扰能力。工程验证结果表明,以上综合治理方法有效地抑制了刹车回路反馈信号上叠加的干扰,提高了系统的抗干扰能力。另外,良好的力伺服控制技术必须建立在系统稳定运行和可靠驱动的基础之上,为此,论文针对重要度高、敏感性强的薄弱环节入手,旨在从如下两个方面对系统的可靠驱动技术进行研究:(1)全电刹车系统采用了大量电子元件,必然导致故障概率的增加,为了降低系统的维护费用和维护周期,保证飞机刹车的安全性和可靠性,必须对系统进行机内自检测(BIT)以便及时准确地定位和更换故障部件。为此,提出了一种应用于全电刹车的EMA系统上电自检测方法,在系统运行前,保证其处于安全的工作区域。该方法不增加硬件电路或传感器,完成了包括各类传感器、无刷直流电机定子绕组和逆变器开关管的故障检测和定位,并且减小了系统产生二次伤害的几率;针对由电机三相绕组和逆变器组成的驱动回路故障,提出了一种在逆变器不同开关状态下,利用母线支撑电容放电过程产生电流,实现逆变器开关管以及电机绕组短路和开路故障检测和定位的方法。检测过程利用电容电压而非电源为逆变器供电,避免了故障电流对电源的冲击,且存储在电容上的能量有限,避免了短路时过高的电流对系统的二次伤害。检测过程无需改变硬件电路拓扑结构,仅通过软件实现,且计算量小,故障检测全面;针对刹车力控制所用的级联Buck变换器的全桥逆变器,提出了一种简单的阈值计算方法;仿真和实验都验证了检测方法的可行性以及理论分析的正确性。(2)作为重要且易于发生故障的供电电源,无法直接通过余度设计来提高其可靠性,因此在发生故障后,必须进行故障重构以保证系统持续正常运行。论文采用高频变压器隔离的双向DC-DC变换器(IBDC),实现了动力电源(强电)和控制电源(弱电)之间的故障缺失性重构;通过改进双向推挽DC-DC变换器并采用PWM加移相控制(PPS)方式抑制了变压器漏感电流,实现了功率的高效和双向流动。通过稳态分析,得出了变换器的低损耗工作区域,并通过改进的状态空间平均法,建立了系统的小信号模型,得出了变换器的传递函数,并据此提出了一种输出电压与箝位电压的双闭环控制方法,实验验证了该方法的可行性;结合系统结构的要求,将PPS控制应用于结构更加简单的双向半桥DC-DC变换器中,并针对输出电压控制环和箝位电压控制环之间的耦合问题,提出了一种占空比-移相比稳态解耦方法,既消除了耦合又简化了闭环控制器的设计,最后通过PPS控制和移相控制(PS)两种控制方式的性能对比,验证了PPS解耦控制方法较传统PS控制方式更加适用于强弱供电电源故障缺失性重构。


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