无刷直流电动机在全电刹车系统中的应用

   摘要：提出了一种用无位置传感器的无刷直流电动机来作为电作动器的驱动电机的思想。除了具有一般无刷直

流电动机的体积小、重量轻的优点，更增强了飞机的维护性与可靠性。在分析了各种电机性能的基础上，利用Matlab

软件对无位置传感器的无刷直流电动机进行建模、仿真。仿真结果表明，系统能满足飞机刹车系统性能指标，具有较高的稳定性、鲁棒性、安全性，达到较高的刹车效率。

1引  言

   20世纪80年代以来，许多国家开始对全电刹车系统进行研究，尤其是美国，到90年代初已在研制第三代全电刹车系统全电刹车系统与传统液压刹车系统相比不仅减小了液压油燃烧的危险，提高了安全性；显著改善了刹车力矩控制和防滑性能，缩短刹停距离，提高轮胎和刹车装置的使用寿命；使飞机更易于维修；刹车效率优于液压刹车系统的效率；同时也减轻了飞机的重量。近几年国内也开始了对全电刹车系统的研究，文献[1]对全电刹车系统的核心部件一电作动机构的设计作了详细的介绍，提出了有位置传感器的无刷直流电动机作为电作动器的驱动电机。考虑到飞机整体性能和维护性的要求越来越高，有位置传感器的无刷直流电动机的可靠性和维护性都受到很大的限制。本文将采用无位置传感器的无刷直流电动机作为电作动器的驱动电机，并对刹车系统进行分析研究。

2全电刹车系统组成

飞机刹车系统承受着飞机的静态、动态和冲击载荷以及吸收飞机着陆时动能的作用，同时实现飞机的起飞、着陆、滑行、转弯的控制。飞机全电刹车系统组成原理如图1所示。

图1  全刹车系统组成

 EMA(Electmechanically Actuated，机电作动由电机和滚珠丝杠组成，如图1虚线框内部分所示。EMA刹车机架是四电机四滚珠丝杠作动机构布局，每个电机通过两级齿轮传动装置，独立控制一个珠丝杠。其中第一级齿轮传动为直角减速齿轮，二级为圆柱减速齿轮，正常刹车时使用其中的两套电机作动装置，就能完成飞机的安全刹停，另外两套电机作动装置作为应急备用。齿轮旋转运动到压紧盘轴向压力运动的变换由四个滚珠丝杠作动机构完成一齿轮转动带动丝杠旋转，给压紧盘施力，电机反转时，松刹炭盘，刹停飞机。电作动机构图可参见文献[1]。    

3电作动机构中电机的选用

   与异步电机相比，无刷直流电动机具有如下优点：(1)无刷直流电动机的转子采用高磁能的稀土磁钢作为转子磁钢，其转动惯量比鼠笼转子小，对于给定的转矩相应更快，控制特性更好；(2)无刷直流电动机的效率比感应电动机高，在无刷直流电动机中没有感应电机运行时转子上产生的铜损及铁损；

(3)在相同容量下，无刷直流电动机的体积相对感

表1  工业常用电机性能比较

   鉴于以上分析，电动机构中的电机选用无刷直流电动机由图1可知，刹车控制盒需要转子位置信号的反馈，对于信号获取的传统方法一般采用位置传感器，造成维修困难，不能适应高温、高湿、污浊空气等恶劣的工作环境，且电机连线多，易受干扰另外，位置传感器有碍机械传动，使得系统机械鲁棒性降低，这些缺点要求对位置传感器进行改善，这样无位置传感器的无刷直流电动机的方案就被提到日程上来。

4无位置传感器控制方法的实现

   无刷直流电动机由于其结构简单、体积小、可靠性高且有利于批量生产的优点，近几年发展很快。无位置传感器的无刷直流电动机并不意味着在系统中不需要转子位置信号，而是通过对转子位置有关量的检测间接获取转子位置信号，对于其检测方法有关的参考文献较多，考虑到在全电刹车系统中电机是三相六状态的控制方式，本文将采用反电势检测法中的过零法，其原理是根据电机端电压或相电压检测未导通相反电动势过零点，再延迟30°电角度后进行换相。文献[2～4]对此方法有相关的分析与计算。无刷直流电动机的简化模型和转子位置检测如图2所示。

   图2电机与转子位置检测的工作原理图

   电机的相电压经滤波器后与零电压相比较输出的信号经编码器编码后得出转子位置信号。这种方法简单、灵活，使用方便。

5电机的简化模型

5．1电机的简化模型

   在全电刹车系统中，电机模型的主要任务是得到控制电压和转速的关系，因此可以将电机模型简应电机小、重量轻；(4)无刷直流电动机的噪声小，调速方便、灵活、范围广。其性能比较如表l所示。化。由电机主回路的电压平衡关系可得：

所以          

又          

             M = CmId

             M1 = C1Id

可得        

所以        

其中：Id一 电机的电枢电流；

     E一 电机的感应电势；

     E=Ccn；

   Ud一逆变器输出电压；

    R一电枢回路总电阻；

    L一绕组电感；

   Ce一电势常数；

   Cm一转矩常数；

    T1—电磁时间常数；

    T1=L/R;

   Tm一机电时间常数；

    I1一负载电流；

    M一电磁转矩；

   M1一负载转矩；

    n一电机转速。

5 2逆变器简化模型

   逆变器的输入量为PWM控制电路输出的控制电压Uk，输出量为逆变器输出的矩形波电压Ud，其传递函数可近似为一阶惯性环节：

  式中：Ts一晶闸管输出整流电压滞后于触发电路控 制电压的失控时间；

  速度检测、电流检测均可认为是比例环节。对于电机的模型可运用MATLAB软件的SIMU—LINK工具箱进行仿真，简化模型如图3所示。

图3无刷直流电动机调速模型

   图4～6为某型飞机在压力偏调控制方式下冰跑道上的Matlab仿真图形。

图4电机转速的仿真图

图5  飞机滑移率的仿真图

   图6  飞机速度与机轮速度的仿真图

   从图中可以看出电机转速初始阶段由于飞机要不断地调节刹车压力，不停地使刹车盘加压、减压，故电机转速在初始阶段的曲线是上下起伏的。滑移率一直保持在最佳滑移率附近，飞机速度与机轮速度跟踪性能较好，18 55 s即可完全刹停飞机，刹车效率较高。

   这种方法较其它方法方便，且能达到所规定的要求。但由于相电感的存在，换相时存在换流延迟，形成换相转矩脉动，造成位置检测不准确，实际应用中必须进行适当的补偿。解决方法可参考相关的文献。

6结束语

   随着新材料的出现和电力电子器件的发展，无位置传感器无刷直流电动机开始广泛应用于工业控制的各个领域，关于其文献资料也相当丰富，但用于全电刹车系统中还是一种尝试，相信在航空领域对机体性能、体积、重量等方面的要求越来越高的情况下，无位置传感器的无刷直流电动机的应用将会在以后的刹车系统中得到广泛的应用。