多冗余度起落架电动收放控制器的制作方法

本发明涉及一种起落架收放控制器，特别是一种无人机用电动起落架收放控制器。

背景技术：

传统的飞机起落架收放作动筒采用飞机集中液压源驱动，由长长的液压管路将各种功能的液压部件及液压作动筒连接起来，驱动各部位动作，而液压附件工作时存在着泄漏和管路沿程压力损失，而且在起落架作动时还需要利用节流阀调节运动速度，大量的能量都以泄漏、管路耗损以及节流生热的形式消耗，液压作动的能量利用率较低；同时液压系统不仅包括了动力液压元件，还包括相应的液压控制元件、液压执行元件和复杂的液压管路，导致这一系统体积庞大，重量较重。因此传统的液压式起落架收放方案难以应用在对质量要求严格的中小型无人机上，例如：某察打一体无人机起飞重量约为1.5吨，要求载弹重量较大，如果采用传统的液压源作为动力驱动起落架收放则会增加飞机重量从而减小飞机载弹重量，故一种采用电力作为动力源驱动的起落架收方案亟待被发明。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种重量轻、体积小、可靠性好、环境适应性强的多冗余度起落架电动收放控制器。

本发明的目的可以通过以下措施来达到：一种多冗余度起落架电动收放控制器，包括：主控cpu组合模块、备控cpu组合模块、主控驱动组合模块、备控驱动组合模块、主备切换模块、电源组合模块和母板组合模块，以及集成在一张印制板上的三个起落架电机驱动电路，其特征在于：主控cpu组合模块相连备控cpu组合模块，分别通过正转反转、输出使能、启动置1、电机调速、电流采样、硬件关断控制线对应连接主控驱动组合模块、备控驱动组合模块，并通过驱动主备切换信号线和电机驱动控制线连接主备切换模块，主备切换模块通过电机驱动信号线连接起落架电机单元；主控cpu组合模块接收起落架的收放命令、处理各种传感器信号、控制器状态信号的反馈，控制逻辑的处理和发送电机控制命令；主控驱动组合模块、备控驱动组合模块接收主控cpu组合模块、备控cpu组合模块电机控制命令及电机霍尔传感器信号，通过驱动主备切换信号线向主备切换模块发送驱动主备切换信号进行电子换相。

本发明相比于现有技术具有如下效果。

重量轻、体积小。本发明采用主控cpu组合模块、备控cpu组合模块、主控驱动组合模块、备控驱动组合模块、主备切换模块和电源组合模块组成电动起落架收放控制器，用电力作为能源驱动起落架收放，有效减轻了一体无人机的重量。同时将集成了电流检测电路、过流保护电路、逐周期限流电路、功率泄放电路的3个起落架电机驱动电路集成在一张印制板上，使得控制器结构紧凑、体积小、重量轻。避免了现有技术液压控制元件、液压执行元件和复杂液压管路，系统体积庞大，重量较重的缺陷。

可靠性好。本发明采用主控cpu组合模块接收起落架的收放命令、处理各种传感器信号、控制器状态信号的反馈，控制逻辑的处理和发送电机控制命令；主控驱动组合模块、备控驱动组合模块接收主控cpu组合模块、备控cpu组合模块电机控制命令及电机霍尔传感器信号，通过驱动主备切换信号线向主备切换模块发送驱动主备切换信号，以进行电子换相；这种双余度的cpu组合模块及驱动组合模块利用电路双余度及通信双余度控制起落架的收放，有效减小了可能性故障导致起落架无法收放的概率，工作可靠性高。采用电动起落架收放控制器在简化飞机起落架收放系统的同时也减轻了结构重量、降低了整机系统的复杂性，从而使可靠性和维护性指标得到大幅提升。

环境适应性强。本发明采用主控cpu组合模块相连备控cpu组合模块，分别通过正转反转、输出使能、启动置1、电机调速、电流采样、硬件关断控制线对应连接主控驱动组合模块、备控驱动组合模块，并通过驱动主备切换信号线和电机驱动控制线连接主备切换模块，相比于采用液压部件及液压作动筒连接起来，驱动各部位动作的液压源驱动，具有更强的环境适应性，可广泛应用于对重量及体积要求较高的中小型无人机的电动起落架收放。

电动起落架收放控制器与电静液作动器相比,具有可靠性高、结构简单、传动效率高等优点，实验结果表明，本发明电动起落架收放控制器具有很好的速度控制效果,并能准确完成起落架上锁，适用于小功率起落架控制应用场合，特别适宜于2吨及以下中小型无人机电动收放系统。

附图说明

图1是本发明多冗余度起落架电动收放控制器构造示意图。

图2是图1起落架收放控制器电路原理示意图。

图3是图1主控cpu组合模块、备控cpu组合模块电路原理框图。

图4是图1主控驱动组合模块、备控驱动组合模块功率管驱动电路原理示意图。

图5是图1主控驱动组合模块、备控驱动组合模块三相全桥逆变电路原理示意图。

图6是图1主控驱动组合模块、备控驱动组合模块电流采样电路原理示意图。

图7是图1主控驱动组合模块、备控驱动组合模块硬件过流保护电路原理示意图。

图8是图1主控驱动组合模块、备控驱动组合模块8功率泻放电路原理示意图。

下面结合附图对本发明做进一步说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

具体实施方式

参阅图1、图2。在以下描述的实施例中，一种多冗余度起落架电动收放控制器由机箱结构件和6个电子件组合构成。机箱结构件包括前面板模块、底板组合、上盖板组合，其中前面板模块用于供电选择、浪涌抑制、滤波和主备通道切换。电子件包括：主控cpu组合模块、备控cpu组合模块、主控驱动组合模块、备控驱动组合模块、主备切换模块、电源组合模块和母板组合模块。电源组合模块、主控cpu组合模块、备控cpu组合模块、主控驱动组合模块、备控驱动组合模块和主备切换模块采用相同的连接器和定位销实现防差错。通过电连接器与母板相连接，并通过螺钉与机箱固定。在机箱零件的连接处用导电橡胶进行填充，增加机箱零件的导电能力，通过设计良好的搭接途径，使机箱壳体与飞机机体良好搭接，可以提高整机的电磁防护性能。

母板组合模块为无源母板，安装于机箱结构件的底板组合。母板与其它组合间的连接通过直插式连接器实现，母板组合模块的功能是提供各电子组合间信号的电气通道，用于各个组合模块之间的信号传输。

主控cpu组合模块、备控cpu组合模块包括：时钟电路、主/备切换电路、rs422总线通信电路、模拟量采集电路、电子抹除式可复写只读存储器eeprom、电机控制接口电路、飞控机接口电路、硬件看门狗、电平转换、数字信号处理器dsp以及复杂可编程逻辑器件cpld等部分。其中，时钟电路主要为系统提供时基；主/备切换电路主要功能是驱动控制主/备切换的继电器；看门狗电路主要是为了提高软件运行的可靠性；422通信电路主要实现程序的串口加载以及与飞控机和地面维护设备进行通信；模拟量采集电路对电源电压、电机单相和母线电流进行采样；电子抹除式可复写只读存储器eeprom作为系统的预留设计，可保存一些重要参数；电机控制接口电路实现主控cpu组合模块、备控cpu组合模块之间的接口转换；飞控机接口电路则实现控制器与飞控机之间通信的接口对接；电平转换电路用于实现3.3v/5v电平的转换，以实现电平匹配；数字信号处理器dsp主要完成数据的采集与信号处理；复杂可编程逻辑器件cpld主要完成i/o读/写逻辑、看门狗时序逻辑、422通信转换逻辑等；除此之外，复杂可编程逻辑器件cpld还根据霍尔脉冲信号计算电机转速参与主/备切换逻辑，即识别到本cpu组合为主控组合时，将本cpu组合的rs422总线发送使能。另外，复杂可编程逻辑器件cpld还根据霍尔脉冲信号计算电机转速。

主控cpu组合模块、备控cpu组合模块、主控驱动组合模块均采用双余度设计，形成电路余度，采用rs422总线及do两种方式通信与飞控机进行通信，形成接收起落架收放命令、发出电机控制命令，处理各种传感器信号、状态信号的反馈，控制电机的逻辑时序通信余度。

主控cpu组合模块、备控cpu组合模块作为收放控制器接收处理外部信息、发出控制命令及状态信息，并通过cpu组合软件检测插入母板位置的电平状态来判断自己是主控cpu组合模块还是备控cpu组合模块，正常情况下只有主控cpu组合模块向飞控机发送rs422总线及di信息，只有备控cpu组合模块向前面板发送主备切换信号。

主控cpu组合模块、备控cpu组合模块可以采用ti公司相互为tms320f28335的数字信号处理器芯片作为主处理器，总线宽度32位，主频150m（本产品降额使用，最高主频仅设为100m），利用片内256k*16位flash作为程序存储器，工作软件驻存于该存储器中。数字信号处理器dsp片内自带的2*8通道、80ns转换率12位精度模数转换器adc采集电机的各相电流，作为自动限流、过流保护的依据，同时片内模数转换器adc也采集电源电压，实现电源电压的检测。

rs422总线通信电路通信是主控cpu组合模块、备控cpu组合模块cpu单元极其重要的一部分，主要实现与飞控计算机、地面维护设备的通信和程序的串口加载。由于要求飞控机接口uc1、地面维护设备接口uc2可功能互换，并且要求能够通过rs422总线进行软件升级、维护。

本主控cpu组合模块、备控cpu组合模块cpu单元可以采用ds26c31和ds26c32差分收发器，差分收发器将符合rs422总线协议的差分信号转换为串行数据，再通过数字信号处理器dsp片内sci收发器进行收发，能满足设计需求。cpu组合模块、备控cpu组合模块cpu单元采用型号为ds26c31和型号为ds26c32差分收发器，差分收发器将符合rs422总线协议的差分信号转换为串行数据，再通过数字信号处理器dsp片内sci收发器进行收发；当利用串口进行程序加载时，引入外部bootload信号进行逻辑判断，判断是给主控cpu加载程序还是给备控cpu加载程序，并将相应的rs422总线发送使能/禁止，或通过对应的rs422总线发送使能建立串口通信。

当利用串口进行程序加载时，涉及到主/备冲突的问题，通过引入外部bootload信号进行逻辑判断并将相应的rs422总线发送使能/禁止，使问题得到解决。当cpu组合检测到本cpu组合为备控cpu组合模块时，将本备控cpu组合模块的rs422总线发送禁止。同时，利用rs422总线串口对cpu单元加载程序时，通过外部bootload信号来判断是给主控cpu加载程序还是给备控cpu加载程序，并将对应的rs422总线发送使能建立串口通信。

在与飞控机/地面设备进行通信时，通过检测外部接口chek1+(uc1)、chek2+(uc2)的电平状态，判断接收的是飞控计算机的数据还是地面维护设备的数据。利用主/备识别位进行逻辑判断，当主控cpu组合模块工作时，将备控cpu组合模块的rs422总线发送禁止；当备控cpu组合模块工作时，将主控cpu组合模块的rs422总线发送禁止，从而避免rs422总线发送冲突模拟量采集电路主要实现电源电压、电机单相和母线电流的采样。

本控制器模拟信号采集利用数字信号处理器dsp片内两个独立的8通道模数转换器adc_a和模数转换器adc_b实现，采样精度12bit，采样频率(采样周期)结合实际情况而定。模拟量采集主要包括2路+5vdc和+12vdc电源电压采样、9路电流采样0-5vdc，经信号调理电路转化为0-3.0vdc再进行滤波后采集。模拟量采集的作用主要是检测电机电流并实现自动限流，以及对电源电压的监测作用。

主控cpu组合模块、备控cpu组合模块的电机控制接口电路主要通过与母板组合模块相连的驱动板交互，实现对起落架电机的控制和状态反馈。电机调速信号、电机转动方向控制信号均经与cpu组合模块相连的光耦隔离输出，而且均采用光耦次级的集电极开路输出，当控制信号有效时，通过光耦的后级集电极输出将驱动板上对应的电阻端拉低，实现电机的调速和转向控制。

电源组合模块包括能承受50ms电源中断的储能电容电路、dc/dc模块、滤波电路、电压采样电路。电源组合模块把28v直流电源转换成起落架收放控制单元内部电路工作所需的各种二次电源，+12v、+5v等。n2、n4为dc/dc电源模块，储能电容c，其使控制器能承受50ms的断电。电源组合模块用于电源转换，输出3个电机的驱动电源，输出的+12v、+5v电经滤波后供给cpu组合及驱动组合模块，同时+12v、+5v电压经电阻分压后，得到数字信号处理器dsp的模拟数字转换器a/d采样可以接受的0-3v电压，以监控电源。

起落架状态或控制器状态中任何一种异常均视为该起落架通道故障，需要反馈故障状态字。飞控机通过飞控机接口电路(离散量)、rs422总线和do口向主控cpu组合模块、备控cpu组合模块发送起落架控制指令，当rs422总线正常时以rs422总线数据为准。主控cpu组合模块、备控cpu组合模块通过rs422总线向飞控机反馈上电bit与周期自检信息、起落架状态信息、收放控制器工作状态、轮载开关状态和起落架当前行程百分比；当rs422总线故障时，执行do口发送的命令进行起落架收起/放下，此时起落架状态信号通过di口反馈给飞控机。为了实现飞控机和地面维护设备接口功能互换，uc1和uc2的do信号，采用8路i/o口分别采集和处理，当只有飞控机接入时，读d0～d3、d4～d7数据，哪路信号有效便执行哪路的命令；而di信号(控制器到飞控机或地面维护设备)可不用分别发送，只需通过软件控制对应的i/o即可。

主控cpu组合模块、备控cpu组合模块通过rs422总线及di向飞控机发送上电bit自检信息、周期自检信息、起落架状态信息、起落架收放故障信息，主控驱动组合模块、备控驱动组合模块组合接收主控cpu组合模块、备控cpu组合模块cpu的电机控制命令及电机霍尔传感器信号进行电子换相，输出3个电机的驱动电源。

主控cpu组合模块、备控cpu组合模块采集起落架电机霍尔传感器信号、电流信号，检测电机堵转、轮载开关状态，以及起落架位置锁状态，并根据电机霍尔传感器信号计算起落架当前行程百分比，根据飞控机发送的命令来判断当前要执行的指令是自检、状态查询还是正常控制起落架收放；当主控cpu组合模块、备控cpu组合模块接收到正常控制起落架命令时，根据收到的收放命令和电机反馈的霍尔传感器信号，向主控驱动组合模块、备控驱动组合模块发送电机控制信号，控制电机旋转；利用霍尔电流传感器实时检测起落架电机的电流，当主控驱动组合模块、备控驱动组合模块接收到上、下位置锁传感器反馈的到位信号，并检测到电机堵转后，控制电机停止转动。起落架电机采用分段调速的方式，在起落架启动和到位前最后50mm采用低速运行，中间行程采用较高速度运行。起落架行程由采集到的霍尔传感器脉冲数计算得出。

参阅图3。驱动组合为双余度设计，分为主控驱动组合模块、备控驱动组合模块。主控驱动组合模块、备控驱动组合模块是起落架收放控制器驱动电机运行的核心组合，主控驱动组合模块、备控驱动组合模块的电路与功能完全一致。主控驱动组合模块、备控驱动组合模块主要由电机控制电路、mosfet功率管驱动电路、三相全桥逆变电路、电流检测电路、过流保护电路、逐周期限流电路、功率泄放电路等组成。电机控制电路接收电机使能、调速、电子换相正反转信号及电机霍尔传感器信号，通过内部电路产生控制电机的脉冲宽度调制pwm信号，mosfet功率管驱动电路将pwm信号放大，三相全桥逆变电路将直流母线电压逆变为变化的电机三相电源，当电流检测电路检测到三相全桥逆变电路的母线电流、三相中两相的电流时，过流保护电路通过逐周期限流电路将电流限制在控制范围内，功率泄放电路在直流母线电压升高到一定值后打开泄放电路，将多余的能量消耗在泄放电阻上。过流保护电路采用软件判断电机堵转针对大于预设电流值，关断电机驱动；当电机电流过流时，驱动板上硬件限流电路工作，电机保护，并将故障状态经电平转换电路送给主控cpu组合模块、备控cpu组合模块cpu，cpu通过该信号来做相应处理。

电机控制电路可以采用摩托罗拉公司的mc33035无刷直流电机专用控制芯片，接收电机使能、调速、正反转信号及用于电子换相的电机霍尔传感器信号，通过内部电路产生pwm信号以控制电机。三组相同的起落架电机驱动电路分别控制前起落架和左右主起落架的直流无刷电机。

主控cpu组合模块相连备控cpu组合模块，分别通过正转反转、输出使能、启动置1、电机调速、电流采样、硬件关断控制线对应连接主控驱动组合模块、备控驱动组合模块，并通过驱动主备切换信号线和电机驱动控制线连接主备切换模块，主控cpu组合模块接收起落架的收放命令、处理各种传感器信号、控制器状态信号的反馈、控制逻辑的处理、发送电机控制命令；主控驱动组合模块、备控驱动组合模块接收主控cpu组合模块、备控cpu组合模块电机控制命令及电机霍尔传感器信号，通过驱动主备切换信号线向主备切换模块发送驱动主备切换信号，以进行电子换相；主备切换模块通过电机驱动信号线连接起落架电机单元。

主控cpu组合模块、备控cpu组合模块通过rs422总线组合接收飞控机发来的起落架收放控制指令，根据起落架传来的上下位锁传感器信号、霍尔传感器信号、轮载开关信号和主控驱动组合模块、备控驱动组合模块组合传来的电流采样信号，按照预先规定的控制逻辑输出相应的电机驱动信号驱动起落架电机工作，执行起落架收/放等功能。

当主控驱动组合模块组合完好时，rs422总线与飞控机通信功能、电机控制信号由主控驱动组合模块送出，备控组合不输出rs422总线信号、电机驱动信号。备控cpu组合内设余度切换判断单元，可擦除可编辑逻辑器件epld完成可编程的组合或者时序逻辑功能。

主控驱动组合模块、备控驱动组合模块正常工作时，主控驱动组合模块向备控cpu组合模块输出高电平状态信号，当主控驱动组合模块组合出现故障时，主控驱动组合模块将输出到备控cpu组合模块的状态信号变为低电平，此时，备控cpu组合模块向与主备切换模块相连的继电器发送切换信号，驱动继电器常开触点闭合，将备控驱动组合模块切换到主控工作模式，备控cpu组合模块向飞控机发送通讯信号，根据电机控制信号送出余度切换信号，将飞机起落架收放控制的安全性、可靠性控制在可以接受的范围内。

参阅图4。功率管驱动电路采用ir公司的ir2130，pwm信号ab1、bb1、cb1、at1、bt1、ct1经ir2130放大处理后为rab1、rbb1、rcb1、rat1、rbt1、rct1，并进一步送往mosfet功率管以控制功率管的通断。ir2130还可对同一桥臂上下2个mosfet驱动信号产生2us互锁延迟时间，以确保其不会同时导通。

参阅图5。三相全桥逆变电路采用三相两两导通方式，开关管采用ir公司的n沟道增强型mosfet功率管irf540n，开关管按pwm信号的控制进行导通与关断，从而将直流母线电压逆变为变化的三相电源以控制电机的启停、正反转、转速。转速通过调节rab1、rbb1、rcb1、rat1、rbt1、rct1的pwm占空比实现，正反转通过调节rab1、rbb1、rcb1、rat1、rbt1、rct1两两导通的顺序实现。

参阅图6。电检测电路采用线性电流传感器acs712进行电流检测，每个电机检测母线电流、三相中两相的电流，由于acs712输出电压为0.5v-4.5v，因此需要经过信号调理再送给cpu进行处理。信号调理电路主要由集成运放组成，运放为f124，参考电压为0.5v。

参阅图7。过流保护电路,当检测到电流大于13a时，进行硬件关断，禁止电机使能。由于电机启动电流较大，在电机启动时关闭过流保护电路，防止电机由于过流保护而无法启动。

参阅图8。功率泄放电路在做负载试验时由于重力作用负载放下速度较快，电机处于发电状态会使直流母线电压升高，为了防止损害电路板，设计了功率泄放电路，在直流母线电压升高到一定值后lm193jgb输出高电平驱动s9013导通进而将约10v电压施加至irf540n的栅极，使irf540n导通，打开泄放电路，将多余的能量消耗在泄放电阻上。