无人机全电刹车控制策略设计与验证

无人机全电刹车控制策略设计与验证

蔡坤

西安航空制动科技有限公司 710075

摘要：文章主要是分析了全电刹车系统的原理以及系统结构，在此基础上讲解了全电刹车系统优势，最后探讨了基于无人机的作动器和控制律设计，望能为有关人员提供到一定的帮助和参考。

关键字：全电刹车；机电作动器；刹车系统

1、前言

全电刹车系统指的是用机电作动器代替传统液压活塞，控制和作动均实现了全电化的飞机刹车系统。全电刹车系统具有了系统结构简化、重量轻、易维修以及刹车效率高等优势。刹车系统是飞机上实现了全电化系统装机工程化应用的少数几个子系统之一，代表了飞机全电化的发展方向。文章主要是对无人机的全电刹车系统进行了研究和分析。

2、车原理和系统结构

2.1、刹车原理

飞机刹车制动主要取决于刹车时轮胎和地面之间的制动力矩，以使飞机减速。在一定重量的无人机上，制动力矩越大，飞机减速越快，制动距离越短。影响制动力矩的因素是接合系数，它不仅与滑移率，机轮载荷，机轮速度和跑道状况有关，而且还受轮胎尺寸和形状以及充气压力的影响。在这些因素中，滑移率是最重要的。在干跑道条件下，影响最重要的是接合系数与滑移率之间的关系，滑移率在特定的范围内时轮胎与地面之间的接合系数最大。刹车系统的工作原理是根据飞机轮胎的打滑情况调节对机轮施加的刹车力矩，控制机轮转速，以使轮胎滑移率尽可能保持在最大接合系数的区域，从而获得最大的制动力矩并使飞机快速停止。

2.2、系统结构

无人机全电刹车系统由机轮速度传感器，制动力矩传感器，刹车控制单元、机轮和刹车装置几部分组成。刹车装置又包含刹车盘和机电作动器。全电刹车系统的基本工作原理是：将机轮速度信号和制动力矩信号通过机轮速度传感器和制动力矩传感器发送给刹车控制单元。刹车控制单元根据机轮速度信号和制动力矩信号进行综合处理，进而产生相应的控制信号来控制作动器。作动器根据控制信号来调节输出到刹车盘上的刹车力。全电刹车系统与传统的液压刹车系统有明显的区别：1.用机电作动器代替了液压活塞；2.除了机轮速度反馈之外，系统中还添加了制动扭矩反馈。按系统架构安全性等级确定，机电作动器和刹车控制单元是无人机全电刹车系统的关键部件，直接决定刹车系统的性能和效率。

3、全电刹车系统的优势

全电刹车系统在国内起步较晚，与国外相比仍有较大差距。在我国，在仿真环境下对全电刹车进行了大量的研究，并对全电刹车的控制算法进行了分析，为系统奠定了良好的基础。随着中国飞机全电刹车系统的深入，对全电刹车测试系统的需求将不断增加。刹车系统中用机电作动器代替液压活塞，避免了液压油泄漏和燃烧的风险，提高了安全性，减轻了飞机的重量;增加了制动力矩反馈控制，显着提高了防滑性能，延长了轮胎和制动装置的使用寿命；该系统的模块化和实时检测功能使飞机易于维护并提高了飞机的生存能力。全电刹车动态响应估于液压刹车系统的动态响应，使刹车效率高于液压刹车系统的刹车效率，因此，从发展的角度看，全电刹车系统必然取代现有的液压刹车系统。当然，这对飞机设计师来说是巨大的挑战。随着电力电子技术和计算机技术的发展，飞机全电刹车技术已经越来越成熟。国外对全电动刹车进行约四十多年的研究，全电刹车系统已经在数个新研制机型上实现了装机应用。今后会有越来越多的飞机用全电刹车系统取代原来的液压刹车系统。国内在全电动飞机的研究方面与国外相比有很大的差距，国内仅在仿真实验方面做一定的工作。但今后国内会有越来越多资源会投入到全电刹车的工程化研究中。在研制全电刹车系统的过程中，试验系统是不可或缺的。目前，国内的刹车试验系统都是针对液压刹车系统设计的，仅能对全电刹车系统进行很少的测试，这将严重限制全电刹车技术的深入研究和发展。针对这种情况，设计了全电刹车试验系统，实现了对全电刹车系统进行动态试验的功能，对加速全电刹车系统的研究具有重要意义。

4、机电作动器设计

机电作动器的主要功能是将输入的目标速度信号转换为输出的刹车推力，并利用刹车推力压紧刹车盘。由于没有填充活塞腔的过程，因此全电刹车系统对指令信号的动态响应比液压刹车系统快得多。全电刹车装置具有四作动器布局，每作动器均包含一个小型无刷直流电机、减速齿轮组和一个滚珠丝杠组件，每个作动器均进行独立控制。减速齿轮组包含两级齿轮传动，其中第一级齿轮传动是锥齿轮传动；第二级为圆柱直齿轮传动。齿轮传动的减速比取决于电机功率、滚珠丝杠组件参数和刹车性能要求。电机正转时，齿轮上的力传递到螺母输出，旋转运动/直线运动的转换是由滚珠丝杠组件完成的。齿轮的转动带动滚珠丝杠的比杆转动，从而带动滚珠丝杠的螺母轴向直线运动。当电机反转时，滚珠丝杠的螺母会后退，从而松开刹车盘。四个机电作动器分成两组，每个两个作动器。两个工作，其余两个备用，冗余性好。滚珠丝杠组件的驱动转矩是选择电动机参数的重要依据。滚珠丝杠的惯性矩，克服轴向载荷和移动螺母所需的驱动转矩以及阻力矩对于选择电动机非常重要。在此基础上，电动机驱动滚珠丝杠将电动机的旋转运动转换成螺母的直性运动，另外在螺母上增加了一块压块。电动机采用传统的电流反馈和速度反馈双闭环速度控制系统。在选择滚珠丝杠副的直径和导程等参数时，必须综合考虑，并根据实际情况选择最佳模型。

5、控制律设计

全电刹车控制律基本思想与传统刹车控制逻辑相同，是基于压力P1D控制算法。但随着控制理论的深入，P1D这种控制方法存在不能充分利用地面结合系数、制动效率低、实时跟踪精度差等缺点，控制具有模糊比例微分控制功能，但缺乏模糊积分功能控制，所以控制器稳态响应差；且由于阈值的影响，系统经常以较低的速度滑动速度，刹车辨识能力会降低。近年来，模糊控制理论发展迅速，模糊控制、神经网络等算法在工程中得到了广泛的应用练习。模糊控制器具有更快的动态性回应， 一般认为传统PID控制器的积分控制功能可以消除稳态误差，但动态响应却很差慢点，如果两者的优点是有机结合的，控制效果一般会满足要求。

6、仿真分析

以某型无人机为例，建立了全电制动系统的数学模型，并在湿态环境下进行了仿真跑道。从仿真曲线可以看出飞机在刹车时减速平稳，而且没有低速现象打滑率始终在最佳打滑率0.15左右波动，这显著改善了制动性能效率组合系数的效率可达96%。

7. 结束语

由上可知，与传统的液压刹车系统相比较，全电刹车系统具有了其自身独特的优势。为此在我国进行全电刹车系统的研究，对提升我国整体的机轮刹车水平有着十分重要的现实意义。

参考文献

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