专利名称：一种冗余驱动飞机电刹车及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种电控刹车冗余驱动装置和控制方法，尤其是一种飞机电刹车冗余驱动装置与控制方法。
背景技术：
飞机刹车系统是飞机上具有相对独立功能的子系统，其作用是承载飞机的静态重量、动态冲击载荷以及吸收飞机着陆时的动能，实现飞机的起飞、着陆、滑行、转弯的制动和控制。目前，电刹车控制系统研究成果有公开号为CN101117155的专利《飞行器电刹车控制系统架构》和公开号为CN101568458的专利《飞行器全电刹车系统的降低功率模式》是波音公司研究的两种技木。发表于《计算机測量与控制》的文章《飞机全电刹车驱动器设计与关键技术研究》是ー种设计CPLD和DSP为刹车系统主要控制芯片的控制器的技木。这些电刹车均未采用冗余技术，可靠性不高。本发明采用双余度技术设计，提高整个刹车系统的可靠性。
发明内容
为了提高飞机刹车系统的可靠性，本发明提供了一种飞机电刹车的双余度驱动装置，在正常情况下，能够完成正常的飞机刹车，在驱动装置一余度出现故障时，能够实时检测出故障点并进行隔离，将故障电机退出工作状态，从而提高飞机刹车系统的可靠性。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是包括冗余驱动控制器、刹车作动器和受刹机轮。冗余驱动控制器部分接收刹车压カ给定信号，驱动刹车作动器工作，使施加在受刹机轮上的刹车压カ跟随刹车压カ给定信号。其中，冗余驱动控制器部分包括刹车压カ反馈调理単元、刹车压カ给定接收单元、DSP单元、CPLD单元、隔离电路单元、功率驱动单元、电流采集单元、过流保护辅助单元和电源系统单元。刹车压カ给定接收单元将刹车压カ给定信号转化为电压信号，输入DSP単元，刹车压カ反馈调理单元将双余度压カ传感器测得的两路刹车压カ反馈信号放大滤波后输入DSP单元，DSP单元的输出分别控制刹车作动器两个绕组的占空比信号。CPLD单元将占空比信号和刹车作动器两套霍尔信号进行逻辑运算，分别输出控制刹车作动器的两个绕组运转的调制换向信号，经隔离电路单元和功率驱动单元，控制刹车作动器运行。在功率驱动单元采集双余度无刷直流电机的母线电流，经过流保护辅助単元，将母线电流与预先设定的过流阈值相比较，若母线电流大于预先设定的过流阈值，则过流信号为低，若母线电流小于等于预先设定的过流阈值，则过流信号为高，将过流信号送入DSP単元中。当电机出现过流故障吋，DSP単元检测过流信号为低，则关断占空比信号，从而排除过流故障。电流采集单元采集功率驱动单元上双余度无刷直流电机绕组的母线电流和相电流，并将母线电流和相电流滤波后输入DSP単元。电源系统单元接收两个控制电源，经ニ极管将两个电源并联在一起，向刹车压カ反馈调理単元、刹车压カ给定接收单元、DSP単元、CPLD単元、隔离电路单元、功率驱动单元、电流采集单元、过流保护辅助单元供电，电源系统单元接收两个驱动电源，给功率驱动单元供电。刹车作动器采用双余度无刷直流电机。其中，双余度无刷直流电机的定子绕组为两套在空间上互差30°电角度的Y型连接的绕组构成，两套绕组电气上彼此隔离、空间上磁场耦合，彼此互为余度，双余度无刷直 流电机共用一个永磁体转子。双余度无刷直流电机的每套绕组有各自独立的霍尔传感器，两套霍尔传感器互为余度，合称为双余度霍尔传感器。双余度霍尔传感器发出的信号称为双余度霍尔信号。本发明还提供上述装置的控制方法，包括以下步骤第一步采集两路刹车压力反馈信号，并进行AD转化。第二步若两路刹车压力反馈信号小于预先设定的误差阈值，则进入第四步，否则进入第二步。第三步若一路刹车压力反馈信号大于压力传感器的量程最大值，或小于其量程最小值，则诊断该路压力传感器故障，将另一路压力传感器的刹车压力反馈信号赋值给压力反馈，进入第五步，否则进入第四步。第四步压力反馈等于两路刹车压力反馈信号之和除以二。第五步采集双余度霍尔传感器信号，若一路霍尔传感器信号为000或111，则诊断该路霍尔传感器故障，否则进入第六步。第六步采集各余度绕组母线电流和相电流。第七步若一路绕组母线电流大于预先设定的短路阈值，则开始短路计时，若短路计时大于预先设定的短路上限阈值，则诊断该路绕组为短路故障，进入第十步。若一路绕组母线电流大于电机最小工作电流，且小于预先设定的标准0位电流下限，则开始断路计时，若断路计时大于预先设定的断路上限阈值，则诊断该路绕组为断路故障，进入第十步。否则进入第八步。第八步采集刹车压力给定信号，并进行AD转化。第九步若压力环计数器的值大于压力环周期阈值，则将压力环计数器清零，根据刹车压力给定和刹车压力反馈进行压力环PID计算，然后将压力环计数器的值加I ;否则直接将压力环计数器的值加I。第十步若一路绕组短路故障或断路故障或对应的该路霍尔传感器故障，则将该路占空比置为0，将另一路占空比置为预先设定的恒定占空比，发出电机反转信号，记录电机反转圈数，若电机反转的圈数大于等于预设的故障圈数时，停止电机，返回第一步，否则进入第^^一步。第十一步两路电流环给定分别为压力环输出的一半，反馈为各自的母线电流，经过各自的电流环PID运算，运算结果输入DSP，分别产生各自的占空比信号，返回第一步。本发明的有益效果是本发明采用冗余技术，将飞机刹车驱动装置中容易损坏的机构进行了热备份，在正常工作情况下，使相应的部件工作在额定功率运行的一半，提高了驱动装置的寿命和可靠性。当驱动装置某一个余度出现故障时，能够使驱动装置切换至单通道模式下运行，确保飞机安全刹车。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图I为刹车冗余驱动装置结构。图中，I一冗余驱动控制器，2—刹车作动器，3—受刹机轮图2为冗余驱动控制器结构图中，4一双余度无刷直流电机，5—刹车压力反馈调理单元，6—刹车压力给定接收单兀，7一DSP单兀，8一电流米集单兀，9一过流保护辅助单兀，10一电源系统单兀，11 一CPLD单兀，12一隔尚电路单兀，13一功率驱动单兀。图3，双余度驱动装置控制方法。
具体实施例方式如图I所示，本发明包括冗余驱动控制器I、刹车作动器2和受刹机轮3。冗余驱动控制器I接收刹车压力给定信号，经过控制方法控制，驱动刹车作动器2中的双余度无刷直流电机4工作，使施加在受刹机轮3上的刹车压力跟随刹车压力给定信号。在本发明中，将控制电源、驱动电源、电机绕组、电机霍尔传感器、压力传感器、功率驱动单元进行备份设计。其中，冗余驱动控制器I包括刹车压力反馈调理单元5、刹车压力给定接收单元6、DSP单元7、CPLD单元11、隔离电路单元12、功率驱动单元13、电流采集单元8、过流保护辅助单元9和电源系统单元13。刹车压力给定接收单元6将刹车压力给定信号(0 40mA)经电阻转化为0 3V电压信号，输入DSP单元7的AD端口，进行模数转换，刹车压力反馈调理单元5将刹车压力反馈信号(由双余度压力传感器测得的两路0 20mV差分压力信号)放大滤波至0 3V电压信号，输入DSP单元7的AD端口，进行模数转换，通过控制程序调节，经DSP单元7的事件管理器，输出分别控制双余度无刷直流电机4两个绕组的占空比信号。CPLD单元11将占空比信号和双余度无刷直流电机4两套霍尔信号进行逻辑运算，分别输出控制双余度无刷直流电机4的两个绕组运转的调制换向信号，经隔离电路单元12和功率驱动单元13，控制双余度无刷直流电机4运行。在功率驱动单元13，采集双余度无刷直流电机4的母线电流，经过流保护辅助单元9，将母线电流与预先设定的过流阈值相比较，若母线电流大于预先设定的过流阈值，则过流信号为低，若母线电流小于等于预先设定的过流阈值，则过流信号为高，将过流信号送入DSP单元7中。当电机出现过流故障时，DSP单元7检测过流信号为低，则关断占空比信号，从而排除过流故障。电流采集单元8采集功率驱动单元13上双余度无刷直流电机4绕组的母线电流和相电流，并将母线电流和相电流滤波后输入DSP单元7。电源系统单元10接收两个控制电源，经二极管将两个电源并联在一起，向刹车压力反馈调理单元5、刹车压力给定接收单元6、DSP单元7、CPLD单元11、隔离电路单元12、功率驱动单元13、电流采集单元8、过流保护辅助单元9供电，电源系统单元10接收两个驱动电源，给功率驱动单元13供电。刹车作动器2由双余度无刷直流电机单元4和减速机与滚珠丝杠组成。其中，双余度无刷直流电机4的定子绕组为两套在空间上互差30°电角度的Y型连接的绕组构成，两套绕组电气上彼此隔离、空间上磁场耦合，彼此互为余度，双余度无刷直流电机共用一个永磁体转子。双余度无刷直流电机的每套绕组有各自独立的霍尔传感器，两套霍尔传感器互为余度，合称为双余度霍尔传感器。双余度霍尔传感器发出的信号称为双余度霍尔信号。
本发明的控制方法为第一步采集刹车压力反馈信号，并进行AD转化。进入第二步。第二步若I余度I刹车压力反馈-余度2刹车压力反馈I〈预先设定的误差阈值(在本样机中，预先设定的误差阈值为500N)，则进入第七步，否则进入第三步。第三步若余度I刹车压力反馈大于量程最大值(15000N)，或余度I舵面压力反馈小于量程最小值(100N)，进入第四步。否则进入第五步。第四步诊断为余度I压力传感器故障，将余度2刹车压力反馈值赋给压力反馈。进入第八步。第五步若余度2刹车压力反馈大于量程最大值(15000N)，或余度2刹车压力反馈小于量程最小值(100N)，进入第六步。否则进入第七步。 第六步诊断为余度2压力传感器故障，将余度I刹车压力反馈值赋给压力反馈。进入第八步。第七步压力反馈=(余度I刹车压力反馈+余度2刹车压力反馈)/2，进入第八
止/J/ o第八步采集双余度霍尔传感器信号。进入第九步。第九步若余度I霍尔信号为000或111，则进入第十步，否则进入第十一步。第十步诊断为余度I霍尔传感器故障。进入第十一步。第十一步若余度2霍尔信号为000或111，则进入第十二步，否则进入第十三步。第十二步诊断为余度2霍尔传感器故障。进入第十三步。第十三步采集各余度绕组母线电流和相电流。进入十四步。第十四步若余度I绕组母线电流大于预先设定的短路阈值(在本样机中，预先设定的短路阈值为2A)，则进入第十五步，否则进入第十八步。第十五步余度I短路计数器加I。进入第十六步。第十六步若余度I短路计数器大于预先设定的短路上限阈值(在本样机中，预先设定的短路上限阈值为10)，则进入第十七步，否则进入第十八步。第十七步诊断为余度I绕组短路故障。进入第二十二步。第十八步若余度2绕组母线电流大于预先设定的短路阈值(在本样机中，预先设定的短路阈值为2A)，则进入第十九步，否则进入第二十二步。第十九步余度2短路计数器加I。进入第二十步。第二十步若余度2短路计数器大于预先设定的短路上限阈值(在本样机中，预先设定的短路上限阈值为10)，则进入第二十一步，否则进入第二十二步。第二i^一步诊断为余度2绕组短路故障。进入第二十二步。第二十二步若余度I绕组母线电流大于电机最小工作电流下限(在本样机中，电机最小工作电流下限为50mA)或余度2绕组母线电流大于电机最小工作电流下限(在本样机中，电机最小工作电流下限为50mA)，则进入第二十三步，否则进入第三十一步。第二十三步若余度I绕组相电流小于预先设定的标准0位电流下限(在本样机中，预先设定的标准0位电流下限为30mA)，则进入第二十四步，否则进入第二十七步。第二十四步余度I绕组断路计数器加1，进入第二十五步。第二十五步若余度I绕组断路计数器的值大于预先设定的断路上限阈值(在本样机中，预先设定的断路上限阈值为10)，则进入第二十六步，否则进入第二十七步。第二十六步诊断为余度I绕组断路故障。进入第三i^一步。第二十七步若余度2绕组相电流小于预先设定的标准0位电流下限(在本样机中，预先设定的标准0位电流下限为30mA)，则进入第二十八步，否则进入第三十一步。第二十八步余度2绕组断路计数器加1，进入第二十九步。第二十九步若余度2绕组断路计数器的值大于预先设定的断路上限阈值(在本样机中，预先设定的断路上限阈值为10)，则进入第三十步，否则进入第三十一步。第三十步诊断为余度2绕组断路故障。进入第三i^一步。
第三十一步采集刹车压力给定信号，并进行AD转化。进入第三十二步。第三十二步若压力环计数器的值大于压力环周期阈值(在本样机中，压力环周期阈值为lms)，则进入第三十三步。否则进入第三十四步。第三十三步压力环计数器清零，根据刹车压力给定和刹车压力反馈进行压力环PID计算。进入第三十四步。第三十四步压力环计数器的值加1，进入第三十五步。第三十五步若余度I绕组短路故障或余度I绕组断路故障或余度I霍尔传感器故障，则进入第三十六步。否则进入第三十七步。第三十六步余度I占空比置为0，余度2占空比置为预先设定的恒定占空比(在本样机中，预先设定的恒定占空比为20%)，发出电机反转信号，关断PID中断，时能DSP单元的CAP中断，记录电机反转圈数，若电机反转的圈数大于等于预设的故障圈数(在本样机中，预设的故障圈数为圈)时，停止电机。进入第一步。第三十七步若余度2绕组短路故障或余度2绕组断路故障或余度2霍尔传感器故障，则进入第三十八步。否则进入第三十九步。第三十八步余度2占空比置为0，余度I占空比置为预先设定的恒定占空比(在本样机中，预先设定的恒定占空比为20%)，发出电机反转信号，关断PID中断，时能DSP单元的CAP中断，记录电机反转圈数，若电机反转的圈数大于等于预设的故障圈数(在本样机中，预设的故障圈数为圈)时，停止电机。进入第一步。第三十九步余度I和余度2电流环给定分别为压力环输出的一半，反馈为各自余度的母线电流，经过各自余度的电流环PID运算，运算结果输入DSP各自的事件管理器，分别产生余度I和余度2的占空比信号。进入第一步。
权利要求
1.一种冗余驱动飞机电刹车，包括冗余驱动控制器、刹车作动器和受刹机轮，其特征在干冗余驱动控制器部分接收刹车压カ给定信号，驱动刹车作动器工作，使施加在受刹机轮上的刹车压カ跟随刹车压カ给定信号；其中，冗余驱动控制器部分包括刹车压カ反馈调理单元、刹车压カ给定接收单元、DSP单元、CPLD单元、隔离电路单元、功率驱动单元、电流采集単元、过流保护辅助単元和电源系统单元，刹车压カ给定接收单元将刹车压カ给定信号转化为电压信号，输入DSP単元，刹车压カ反馈调理单元将双余度压カ传感器测得的两路刹车压カ反馈信号放大滤波后输入DSP単元，DSP単元的输出分别控制刹车作动器两个绕组的占空比信号，CPLD单元将占空比信号和刹车作动器两套霍尔信号进行逻辑运算，分别输出控制刹车作动器的两个绕组运转的调制换向信号，经隔离电路单元和功率驱动单元，控制刹车作动器运行，在功率驱动单元采集双余度无刷直流电机的母线电流，经过流保护辅助单元，将母线电流与预先设定的过流阈值相比较，若母线电流大于预先设定的过流阈值，则过流信号为低，若母线电流小于等于预先设定的过流阈值，则过流信号为高，将过流信号送入DSP単元中，当电机出现过流故障吋，DSP単元检测过流信号为低，则关断占空比信号，电流采集单元采集功率驱动单元上双余度无刷直流电机绕组的母线电流和相电流，并将母线电流和相电流滤波后输入DSP単元，电源系统单元接收两个控制电源，经ニ极管 将两个电源并联在一起，向刹车压カ反馈调理単元、刹车压カ给定接收单元、DSP単元、CPLD单元、隔离电路单元、功率驱动单元、电流采集单元、过流保护辅助单元供电，电源系统单元接收两个驱动电源，给功率驱动单元供电。
2.根据权利要求I所述的冗余驱动飞机电刹车，其特征在于所述的刹车作动器采用双余度无刷直流电机，双余度无刷直流电机的定子绕组为两套在空间上互差30°电角度的Y型连接的绕组构成，两套绕组电气上彼此隔离、空间上磁场耦合，彼此互为余度，双余度无刷直流电机共用一个永磁体转子；双余度无刷直流电机的每套绕组有各自独立的霍尔传感器，两套霍尔传感器互为余度。
3.—种权利要求I所述冗余驱动飞机电刹车的控制方法，其特征在于包括下述步骤 第一歩采集两路刹车压カ反馈信号，并进行AD转化； 第二步若两路刹车压カ反馈信号小于预先设定的误差阈值，则进入第四步，否则进入第二步; 第三歩若一路刹车压カ反馈信号大于压力传感器的量程最大值，或小于其量程最小值，则诊断该路压力传感器故障，将另一路压カ传感器的刹车压カ反馈信号赋值给压カ反馈，进入第五步，否则进入第四步； 第四步压カ反馈等于两路刹车压カ反馈信号之和除以ニ； 第五步采集双余度霍尔传感器信号，若一路霍尔传感器信号为000或111，则诊断该路霍尔传感器故障，否则进入第六步； 第六步采集各余度绕组母线电流和相电流； 第七步若一路绕组母线电流大于预先设定的短路阈值，则开始短路计时，若短路计时大于预先设定的短路上限阈值，则诊断该路绕组为短路故障，进入第十步；若一路绕组母线电流大于电机最小工作电流，且小于预先设定的标准O位电流下限，则开始断路计时，若断路计时大于预先设定的断路上限阈值，则诊断该路绕组为断路故障，进入第十歩；否则进入第八步；第八步采集刹车压カ给定信号，并进行AD转化； 第九步若压カ环计数器的值大于压カ环周期阈值，则将压カ环计数器清零，根据刹车压カ给定和刹车压カ反馈进行压カ环PID计算，然后将压カ环计数器的值加I ;否则直接将压カ环计数器的值加I ; 第十歩若一路绕组短路故障或断路故障或对应的该路霍尔传感器故障，则将该路占空比置为O，将另一路占空比置为预先设定的恒定占空比，发出电机反转信号，记录电机反转圈数，若电机反转的圈数大于等于预设的故障圈数时，停止电机，返回第一歩，否则进入第十 一步； 第十一步两路电流环给定分别为压力环输出的一半，反馈为各自的母线电流，经过各自的电流环PID运算，运算结果输入DSP，分别产生各自的占空比信号，返回第一歩。
全文摘要
本发明公开了一种冗余驱动飞机电刹车及其控制方法，冗余驱动控制器部分接收刹车压力给定信号，驱动刹车作动器工作，使施加在受刹机轮上的刹车压力跟随刹车压力给定信号。本发明采用冗余技术，将飞机刹车驱动装置中容易损坏的机构进行了热备份，在正常工作情况下，使相应的部件工作在额定功率运行的一半，提高了驱动装置的寿命和可靠性。当驱动装置某一个余度出现故障时，能够实时检测出故障点并进行隔离，将故障电机退出工作状态，使驱动装置切换至单通道模式下运行，从而提高飞机刹车系统的可靠性。
文档编号B60T8/17GK102700530SQ20121017642
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月31日 优先权日2012年5月31日
发明者戴志勇, 林辉, 郭皓, 齐蓉 申请人:西北工业大学