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無刷直流電動機在全電剎車系統中的應用

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:5564


   摘要:提出了一種用無位置傳感器的無刷直流電動機來作為電作動器的驅動電機的思想。除了具有一般無刷直

流電動機的體積小、重量輕的優點,更增強了飛機的維護性與可靠性。在分析了各種電機性能的基礎上,利用Matlab

軟件對無位置傳感器的無刷直流電動機進行建模、仿真。仿真結果表明,系統能滿足飛機剎車系統性能指標,具有較高的穩定性、魯棒性、安全性,達到較高的剎車效率。

1引  言

   20世紀80年代以來,許多國家開始對全電剎車系統進行研究,尤其是美國,到90年代初已在研制第三代全電剎車系統全電剎車系統與傳統液壓剎車系統相比不僅減小了液壓油燃燒的危險,提高了安全性;顯著改善了剎車力矩控制和防滑性能,縮短剎停距離,提高輪胎和剎車裝置的使用壽命;使飛機更易于維修;剎車效率優于液壓剎車系統的效率;同時也減輕了飛機的重量。近幾年國內也開始了對全電剎車系統的研究,文獻[1]對全電剎車系統的核心部件一電作動機構的設計作了詳細的介紹,提出了有位置傳感器的無刷直流電動機作為電作動器的驅動電機??紤]到飛機整體性能和維護性的要求越來越高,有位置傳感器的無刷直流電動機的可靠性和維護性都受到很大的限制。本文將采用無位置傳感器的無刷直流電動機作為電作動器的驅動電機,并對剎車系統進行分析研究。

2全電剎車系統組成

飛機剎車系統承受著飛機的靜態、動態和沖擊載荷以及吸收飛機著陸時動能的作用,同時實現飛機的起飛、著陸、滑行、轉彎的控制。飛機全電剎車系統組成原理如圖1所示。

 圖1  全剎車系統組成

 EMA(Electmechanically Actuated,機電作動由電機和滾珠絲杠組成,如圖1虛線框內部分所示。EMA剎車機架是四電機四滾珠絲杠作動機構布局,每個電機通過兩級齒輪傳動裝置,獨立控制一個珠絲杠。其中第一級齒輪傳動為直角減速齒輪,二級為圓柱減速齒輪,正常剎車時使用其中的兩套電機作動裝置,就能完成飛機的安全剎停,另外兩套電機作動裝置作為應急備用。齒輪旋轉運動到壓緊盤軸向壓力運動的變換由四個滾珠絲杠作動機構完成一齒輪轉動帶動絲杠旋轉,給壓緊盤施力,電機反轉時,松剎炭盤,剎停飛機。電作動機構圖可參見文獻[1]。    

3電作動機構中電機的選用

   與異步電機相比,無刷直流電動機具有如下優點:(1)無刷直流電動機的轉子采用高磁能的稀土磁鋼作為轉子磁鋼,其轉動慣量比鼠籠轉子小,對于給定的轉矩相應更快,控制特性更好;(2)無刷直流電動機的效率比感應電動機高,在無刷直流電動機中沒有感應電機運行時轉子上產生的銅損及鐵損;

(3)在相同容量下,無刷直流電動機的體積相對感

表1  工業常用電機性能比較

       

   鑒于以上分析,電動機構中的電機選用無刷直流電動機由圖1可知,剎車控制盒需要轉子位置信號的反饋,對于信號獲取的傳統方法一般采用位置傳感器,造成維修困難,不能適應高溫、高濕、污濁空氣等惡劣的工作環境,且電機連線多,易受干擾另外,位置傳感器有礙機械傳動,使得系統機械魯棒性降低,這些缺點要求對位置傳感器進行改善,這樣無位置傳感器的無刷直流電動機的方案就被提到日程上來。

4無位置傳感器控制方法的實現

   無刷直流電動機由于其結構簡單、體積小、可靠性高且有利于批量生產的優點,近幾年發展很快。無位置傳感器的無刷直流電動機并不意味著在系統中不需要轉子位置信號,而是通過對轉子位置有關量的檢測間接獲取轉子位置信號,對于其檢測方法有關的參考文獻較多,考慮到在全電剎車系統中電機是三相六狀態的控制方式,本文將采用反電勢檢測法中的過零法,其原理是根據電機端電壓或相電壓檢測未導通相反電動勢過零點,再延遲30°電角度后進行換相。文獻[2~4]對此方法有相關的分析與計算。無刷直流電動機的簡化模型和轉子位置檢測如圖2所示。

   圖2電機與轉子位置檢測的工作原理圖

   電機的相電壓經濾波器后與零電壓相比較輸出的信號經編碼器編碼后得出轉子位置信號。這種方法簡單、靈活,使用方便。

5電機的簡化模型

5.1電機的簡化模型

   在全電剎車系統中,電機模型的主要任務是得到控制電壓和轉速的關系,因此可以將電機模型簡應電機小、重量輕;(4)無刷直流電動機的噪聲小,調速方便、靈活、范圍廣。其性能比較如表l所示?;?。由電機主回路的電壓平衡關系可得:

所以          

又          

             M = CmId

             M1 = C1Id

可得        

所以        

其中:Id一 電機的電樞電流;

     E一 電機的感應電勢;

     E=Ccn;

   Ud一逆變器輸出電壓;

    R一電樞回路總電阻;

    L一繞組電感;

   Ce一電勢常數;

   Cm一轉矩常數;

    T1—電磁時間常數;

    T1=L/R;

   

   Tm一機電時間常數;

    I1一負載電流;

    M一電磁轉矩;

   M1一負載轉矩;

    n一電機轉速。

5 2逆變器簡化模型

   逆變器的輸入量為PWM控制電路輸出的控制電壓Uk,輸出量為逆變器輸出的矩形波電壓Ud,其傳遞函數可近似為一階慣性環節:

  式中:Ts一晶閘管輸出整流電壓滯后于觸發電路控 制電壓的失控時間;

  速度檢測、電流檢測均可認為是比例環節。對于電機的模型可運用MATLAB軟件的SIMU—LINK工具箱進行仿真,簡化模型如圖3所示。

圖3無刷直流電動機調速模型

   圖4~6為某型飛機在壓力偏調控制方式下冰跑道上的Matlab仿真圖形。

圖4電機轉速的仿真圖

圖5  飛機滑移率的仿真圖

   圖6  飛機速度與機輪速度的仿真圖

   從圖中可以看出電機轉速初始階段由于飛機要不斷地調節剎車壓力,不停地使剎車盤加壓、減壓,故電機轉速在初始階段的曲線是上下起伏的?;坡室恢北3衷谧罴鸦坡矢浇?,飛機速度與機輪速度跟蹤性能較好,18 55 s即可完全剎停飛機,剎車效率較高。

   這種方法較其它方法方便,且能達到所規定的要求。但由于相電感的存在,換相時存在換流延遲,形成換相轉矩脈動,造成位置檢測不準確,實際應用中必須進行適當的補償。解決方法可參考相關的文獻。

6結束語

   隨著新材料的出現和電力電子器件的發展,無位置傳感器無刷直流電動機開始廣泛應用于工業控制的各個領域,關于其文獻資料也相當豐富,但用于全電剎車系統中還是一種嘗試,相信在航空領域對機體性能、體積、重量等方面的要求越來越高的情況下,無位置傳感器的無刷直流電動機的應用將會在以后的剎車系統中得到廣泛的應用。

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