飛機(jī)貨艙門(mén)電作動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載匹配設(shè)計(jì)

余 健 聶振金 王 鑫 王曉露 李 林

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飛機(jī)貨艙門(mén)電作動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載匹配設(shè)計(jì)

余 健 聶振金 王 鑫 王曉露 李 林

（北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076）

為了降低飛機(jī)貨艙門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)程中系統(tǒng)的功率需求，抑制由于電機(jī)制動(dòng)產(chǎn)生的泵升電壓，建模仿真飛機(jī)貨艙門(mén)電作動(dòng)系統(tǒng)及開(kāi)關(guān)艙門(mén)過(guò)程，研究貨艙門(mén)開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中的負(fù)載變化，根據(jù)負(fù)載特性?xún)?yōu)化貨艙門(mén)開(kāi)關(guān)門(mén)的速度曲線(xiàn)，使開(kāi)關(guān)門(mén)速度與實(shí)際負(fù)載相匹配，盡量使功率平穩(wěn)。經(jīng)過(guò)仿真和試驗(yàn)分析，該方法可以明顯地降低系統(tǒng)的功率需求，也能夠起到抑制泵升電壓的作用。

飛機(jī)貨艙門(mén)；負(fù)載匹配；泵升電壓；仿真

1 引言

目前，國(guó)外飛機(jī)貨艙門(mén)作動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)由純手動(dòng)、輔助動(dòng)力及液壓驅(qū)動(dòng)向電動(dòng)作動(dòng)發(fā)展，如波音777飛機(jī)貨艙門(mén)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)作動(dòng)。國(guó)內(nèi)飛機(jī)貨艙門(mén)作動(dòng)系統(tǒng)還處于輔助動(dòng)力作動(dòng)階段，新舟60、ARJ21艙門(mén)均為機(jī)械作動(dòng)，與國(guó)外相比貨艙門(mén)電作動(dòng)技術(shù)成熟度較低。同時(shí)，對(duì)負(fù)載特性的計(jì)算及設(shè)計(jì)速度與負(fù)載相匹配，也一直是電氣、機(jī)械等領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[1～4]。因此本文以飛機(jī)貨艙門(mén)電作動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象研究負(fù)載匹配設(shè)計(jì)。

由于飛機(jī)總體設(shè)計(jì)要求，貨艙門(mén)作動(dòng)系統(tǒng)接收飛機(jī)上電源總線(xiàn)提供的+28V電源，給相應(yīng)的控制電路和功率電路供電，開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)間不超過(guò)30s。飛機(jī)貨艙門(mén)設(shè)有開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)兩種工作狀態(tài)，需要綜合考慮兩種工作狀態(tài)的負(fù)載特性，確定系統(tǒng)的功率需求。貨艙門(mén)處于開(kāi)門(mén)狀態(tài)時(shí)，貨艙門(mén)開(kāi)啟的角度大，工程上估算功率需求采用的是最大負(fù)載力矩與最大速度的乘積，設(shè)計(jì)速度曲線(xiàn)匹配負(fù)載特性可以降低系統(tǒng)的功率需求，同時(shí)以實(shí)時(shí)的負(fù)載力矩和實(shí)時(shí)速度乘積計(jì)算系統(tǒng)功率需求更加準(zhǔn)確。貨艙門(mén)處于關(guān)門(mén)狀態(tài)時(shí)，貨艙門(mén)推著電機(jī)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)處于制動(dòng)發(fā)電狀態(tài)，如果關(guān)門(mén)速度過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生較大的制動(dòng)功率，主電路電容器容量有限，兩端電壓升高，從而造成泵升電壓。因此設(shè)計(jì)負(fù)載匹配性系統(tǒng)，使開(kāi)關(guān)門(mén)速度與負(fù)載特性相匹配。貨艙門(mén)作動(dòng)系統(tǒng)的功率需求與負(fù)載力矩和電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，不優(yōu)化速度曲線(xiàn)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)功率需求過(guò)大，而且會(huì)產(chǎn)生較大的泵升電壓損壞系統(tǒng)。

采用理論分析、建模仿真和利用模擬負(fù)載臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證的方式，識(shí)別貨艙門(mén)的負(fù)載機(jī)械特性，再根據(jù)負(fù)載特性設(shè)計(jì)貨艙門(mén)電作動(dòng)系統(tǒng)全行程的開(kāi)關(guān)門(mén)速度曲線(xiàn)，使開(kāi)關(guān)門(mén)速度與負(fù)載特性相匹配，盡量使功率平穩(wěn)，從而達(dá)到系統(tǒng)與貨艙門(mén)負(fù)載的匹配設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的速度曲線(xiàn)通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)試，證明達(dá)到了預(yù)期的效果。

2 貨艙門(mén)電作動(dòng)系統(tǒng)方案

貨艙門(mén)電作動(dòng)系統(tǒng)控制貨艙門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉，每一個(gè)貨艙門(mén)電作動(dòng)系統(tǒng)包含3個(gè)可更換單元：線(xiàn)性作動(dòng)器、控制面板和傳動(dòng)軟軸，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 貨艙門(mén)電作動(dòng)系統(tǒng)示意圖

正常情況下，地勤人員通過(guò)控制面板發(fā)送開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)指令，控制貨艙門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。在喪失電源和其他特殊情況下，利用驅(qū)動(dòng)工具，通過(guò)傳動(dòng)軟軸實(shí)現(xiàn)貨艙門(mén)開(kāi)啟關(guān)閉。本文研究正常情況下的電動(dòng)過(guò)程負(fù)載匹配。

圖2 系統(tǒng)控制框圖

電動(dòng)過(guò)程，系統(tǒng)對(duì)關(guān)門(mén)精度有很高的要求，并且由于接近傳感器固有的信號(hào)延遲，貨艙門(mén)會(huì)在這段延遲時(shí)間產(chǎn)生一段滑移量，系統(tǒng)的控制精度要求很高。因此貨艙門(mén)電作動(dòng)系統(tǒng)以28V直流無(wú)刷電機(jī)為基礎(chǔ)，采用位置轉(zhuǎn)速電流三閉環(huán)控制方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的高精度控制，通過(guò)位置檢測(cè)提前減速，控制滑移量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)貨艙門(mén)開(kāi)關(guān)門(mén)位置的高精度控制[5]。系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

試驗(yàn)驗(yàn)證的模擬負(fù)載臺(tái)采用全實(shí)物模擬負(fù)載臺(tái)仿真的形式，用慣量盤(pán)代替真實(shí)負(fù)載，模擬出作動(dòng)器安裝在貨艙門(mén)上實(shí)際運(yùn)行的工作狀態(tài)和過(guò)程，具有足夠高的響應(yīng)度和控制精度，設(shè)有接近傳感器和角位移傳感器，監(jiān)測(cè)負(fù)載移動(dòng)位置。

3 負(fù)載特性計(jì)算

飛機(jī)貨艙門(mén)在開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中的負(fù)載特性較為復(fù)雜，為簡(jiǎn)化負(fù)載模型，選擇對(duì)貨艙門(mén)位能負(fù)載、摩擦負(fù)載及慣性負(fù)載進(jìn)行建模，貨艙門(mén)運(yùn)行示意圖及運(yùn)動(dòng)分析如圖3、圖4所示。

圖3 貨艙門(mén)運(yùn)行示意圖

圖4 貨艙門(mén)運(yùn)動(dòng)分析

為貨艙門(mén)與豎直方向形成的夾角，由分析可得：

由式（1）和式（2）可得線(xiàn)性作動(dòng)器實(shí)時(shí)長(zhǎng)度l為：

為貨艙門(mén)重力，為線(xiàn)形作動(dòng)器的直線(xiàn)負(fù)載力，BD為貨艙門(mén)折算的質(zhì)心距轉(zhuǎn)軸的距離。

由運(yùn)動(dòng)分析可知：

由式（2）、式（4）和式（5）可得由線(xiàn)性作動(dòng)器的直線(xiàn)力公式為：

通過(guò)減速器換算，可以由作動(dòng)器的直線(xiàn)負(fù)載力得到折合到電機(jī)軸上的位能負(fù)載T公式為：

式中，l為絲杠導(dǎo)程；為齒輪減速器減速比。

在貨艙門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)程中，作動(dòng)器所受到的摩擦力通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試為2000N，可計(jì)算得到摩擦負(fù)載T=0.08N·m。

式中，為貨艙門(mén)折算到電機(jī)軸的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；1為貨艙門(mén)繞轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為電機(jī)角速度；1為電機(jī)角速度。

1和可由仿真模型得到，則貨艙門(mén)折合到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載T為：

由式（6）、式（7）和式（9）可得系統(tǒng)的負(fù)載力矩T為：

T=T+T+T（10）

系統(tǒng)的負(fù)載功率為：

式中，為電機(jī)轉(zhuǎn)速。由式（11）可知，系統(tǒng)的功率需求主要由負(fù)載力矩T和電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。

模擬負(fù)載臺(tái)及作動(dòng)器參數(shù)如表1所示。

表1 參數(shù)

4 貨艙門(mén)電作動(dòng)系統(tǒng)仿真

利用Matlab中的Simulink建立飛機(jī)貨艙門(mén)電作動(dòng)系統(tǒng)仿真模型[6～9]，整個(gè)模型主要由功率主回路、電機(jī)本體、控制器和負(fù)載計(jì)算四個(gè)部分組成，仿真系統(tǒng)的整體模塊框圖如圖5所示。

圖5 仿真系統(tǒng)整體模塊框圖

功率主回路為交-直-交變頻結(jié)構(gòu)，由三相交流電壓源、整流橋、逆變器和直流濾波電容組成，以此得到28V直流電供無(wú)刷直流電機(jī)使用。利用此方法可以實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)母線(xiàn)電壓的變化情況，便于觀(guān)察系統(tǒng)的泵升電壓。

控制器模塊主要包括了速度指令的生成模塊和位置、轉(zhuǎn)速和電流閉環(huán)模塊，模塊圖如圖6所示。

圖6 控制器模塊

5 負(fù)載匹配設(shè)計(jì)

5.1 開(kāi)門(mén)過(guò)程

為了實(shí)現(xiàn)作動(dòng)系統(tǒng)的整體性能優(yōu)化，需考慮系統(tǒng)的負(fù)載特性，設(shè)計(jì)與負(fù)載特性相匹配的速度曲線(xiàn)，使功率盡量平穩(wěn)。由式（11）可知，作動(dòng)系統(tǒng)的功率需求與負(fù)載力矩和電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)。因此在滿(mǎn)足系統(tǒng)指標(biāo)的情況下，負(fù)載較大的位置速度要相應(yīng)的小，負(fù)載較小的位置速度要相應(yīng)的大。因此根據(jù)貨艙門(mén)的實(shí)際負(fù)載特性設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)門(mén)速度曲線(xiàn)，使負(fù)載和速度相匹配。

圖7 開(kāi)門(mén)速度曲線(xiàn)及功率曲線(xiàn)

以開(kāi)門(mén)過(guò)程研究系統(tǒng)的功率需求，設(shè)計(jì)對(duì)比三種開(kāi)門(mén)速度曲線(xiàn)，曲線(xiàn)1為簡(jiǎn)單的正弦速度曲線(xiàn)，曲線(xiàn)2為工程上常用的S型速度曲線(xiàn)，曲線(xiàn)3為根據(jù)貨艙門(mén)實(shí)際負(fù)載優(yōu)化的開(kāi)門(mén)速度曲線(xiàn)。利用Simulink仿真模型仿真比較三種速度曲線(xiàn)，得到開(kāi)門(mén)速度曲線(xiàn)及其對(duì)應(yīng)的功率曲線(xiàn)如圖7所示。功率為負(fù)時(shí)電機(jī)處于制動(dòng)發(fā)電狀態(tài)，此時(shí)功率屬于制動(dòng)功率；功率為正時(shí)電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)功率為負(fù)載功率。

由圖7中可知，S型速度曲線(xiàn)會(huì)使系統(tǒng)的功率曲線(xiàn)很不平穩(wěn)，開(kāi)門(mén)負(fù)載功率在24s時(shí)達(dá)到最高值190W；正弦速度曲線(xiàn)開(kāi)門(mén)負(fù)載功率在22s時(shí)達(dá)到最高值150W；優(yōu)化設(shè)計(jì)的開(kāi)門(mén)速度曲線(xiàn)使系統(tǒng)的功率曲線(xiàn)較平穩(wěn)，明顯地降低系統(tǒng)的功率需求，在12s時(shí)最大負(fù)載功率為130W，相對(duì)于S型曲線(xiàn)，優(yōu)化的速度曲線(xiàn)可以使系統(tǒng)功率需求降低32%。

若采用最大負(fù)載力矩和最高轉(zhuǎn)速的乘積算系統(tǒng)的需求功率，最大負(fù)載力矩0.8N·m，最高轉(zhuǎn)速5000r/min，則負(fù)載功率為418.8W，明顯計(jì)算的比實(shí)際需求偏大。

因此，通過(guò)設(shè)計(jì)與貨艙門(mén)實(shí)際負(fù)載相匹配的速度曲線(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)作動(dòng)系統(tǒng)的功率需求優(yōu)化，降低系統(tǒng)的功率需求。

5.2 關(guān)門(mén)過(guò)程

當(dāng)貨艙門(mén)處于關(guān)門(mén)階段時(shí)，貨艙門(mén)有較大的機(jī)械慣性，貨艙門(mén)帶著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)，這樣電機(jī)就產(chǎn)生了反電勢(shì)，使電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，而且變頻器為交-直-交主電力AC/DC整流電路是不可逆的，因此無(wú)法回饋到電網(wǎng)上去，造成主電路電容器兩端電壓升高，這就是貨艙門(mén)作動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生泵升電壓的原因[10]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)加入了泄放電路，當(dāng)主電路電容器兩端電壓升高時(shí)，利用泄放電路吸收多余的能量，但是由于空間布局的限制，泄放功率有限。因此考慮優(yōu)化速度曲線(xiàn)，盡量減小制動(dòng)功率，抑制泵升電壓，減少泄放電路的使用負(fù)荷。

當(dāng)電機(jī)處于制動(dòng)發(fā)電狀態(tài)時(shí)，關(guān)門(mén)運(yùn)行速度應(yīng)減慢，設(shè)計(jì)三種關(guān)門(mén)速度曲線(xiàn)，利用仿真模型比較三種速度曲線(xiàn)，得到關(guān)門(mén)速度曲線(xiàn)和對(duì)應(yīng)的功率曲線(xiàn)如圖8所示，三種關(guān)門(mén)速度曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的母線(xiàn)電壓如圖9所示。

圖8 關(guān)門(mén)速度曲線(xiàn)及功率曲線(xiàn)

圖9 母線(xiàn)電壓

從圖8中可以看出，S型速度曲線(xiàn)負(fù)載功率波動(dòng)很大，而且電機(jī)制動(dòng)發(fā)電情況很?chē)?yán)重，制動(dòng)功率在6s時(shí)達(dá)到最高值160W，電機(jī)制動(dòng)功率過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生泵升電壓；正弦速度曲線(xiàn)制動(dòng)功率在8s時(shí)達(dá)到最大值130W；優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)門(mén)速度曲線(xiàn)可以明顯降低電機(jī)制動(dòng)功率，在4s時(shí)達(dá)到最大值90W，相對(duì)于S型關(guān)門(mén)曲線(xiàn)，優(yōu)化的速度曲線(xiàn)可以使制動(dòng)功率降低44%。

從圖9中可以看出，曲線(xiàn)1正弦關(guān)門(mén)速度曲線(xiàn)在7～14s會(huì)產(chǎn)生泵升電壓；曲線(xiàn)2S型關(guān)門(mén)速度曲線(xiàn)在5～12s會(huì)產(chǎn)生泵升電壓；曲線(xiàn)3優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)門(mén)速度曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)的母線(xiàn)電壓比較平穩(wěn)，沒(méi)有產(chǎn)生泵升電壓。

因此，通過(guò)設(shè)計(jì)與貨艙門(mén)實(shí)際負(fù)載相匹配的速度曲線(xiàn)可以起到抑制泵升電壓的作用。

6 試驗(yàn)

試驗(yàn)利用生產(chǎn)的作動(dòng)器樣機(jī)及測(cè)試儀，采用FPGA數(shù)字控制，由測(cè)試儀發(fā)送速度指令，控制器根據(jù)收到的指令控制模擬貨艙門(mén)開(kāi)關(guān)，并記錄試驗(yàn)結(jié)果，作動(dòng)器樣機(jī)及試驗(yàn)設(shè)備如圖10所示。

圖10 樣機(jī)及試驗(yàn)設(shè)備

優(yōu)化設(shè)計(jì)的速度曲線(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)良好，從測(cè)試儀觀(guān)察到正弦曲線(xiàn)關(guān)門(mén)時(shí)在6～20s會(huì)產(chǎn)生泵升電壓，S型曲線(xiàn)關(guān)門(mén)時(shí)在4～16s會(huì)產(chǎn)生泵升電壓，優(yōu)化曲線(xiàn)關(guān)門(mén)時(shí)在1～5s會(huì)產(chǎn)生泵升電壓，優(yōu)化的速度曲線(xiàn)可以抑制泵升電壓。泵升電壓情況如表2所示。實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果與仿真有一定差異，但數(shù)據(jù)基本吻合，滿(mǎn)足要求。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化的速度曲線(xiàn)能夠降低系統(tǒng)的功率需求，同時(shí)能夠起到抑制泵升電壓的作用。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)飛機(jī)貨艙門(mén)電作動(dòng)系統(tǒng)的建模仿真和試驗(yàn)，研究飛機(jī)貨艙門(mén)在開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程中的負(fù)載特性和功率需求，根據(jù)負(fù)載特性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)門(mén)速度曲線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)門(mén)速度與負(fù)載特性的匹配性設(shè)計(jì)，根據(jù)仿真及試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

a. 以實(shí)時(shí)負(fù)載力矩和實(shí)時(shí)速度乘積計(jì)算系統(tǒng)功率需求更符合實(shí)際，能得到真實(shí)的系統(tǒng)功率需求；

b. 根據(jù)負(fù)載特性設(shè)計(jì)速度曲線(xiàn)能有效地降低作動(dòng)系統(tǒng)的功率需求，優(yōu)化設(shè)計(jì)的開(kāi)門(mén)速度曲線(xiàn)相對(duì)于S型開(kāi)門(mén)速度曲線(xiàn)峰值功率能降低32%；

c. 該方法能有效地降低制動(dòng)功率抑制系統(tǒng)泵升電壓。

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Cargo Door Electromechanical Actuation System Design on Load Matching

Yu Jian Nie Zhenjin Wang Xin Wang Xiaolu Li Lin

(Beijing Research Institute of Precision Mechatronics and Controls, Beijing 100076)

In order to reduce the power demand of the system in the process of cargo door switching, and suppress the pump voltage caused by the motor braking, by modeling and simulating the cargo door electromechanical actuation system and the process of cargo door switching, the load change during cargo door opening and closing is studied. According to the load characteristics, the speed curve of the cargo door is optimized to match the speed of the door with the actual load and make the power as stable as possible. Through simulation analysis and experimental verification, this method can significantly reduce the power demand of the system. At the same time, it can also suppress the pump voltage.

cargo door；load matching；pump voltage；simulation

余?。?994），碩士，機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)；研究方向：機(jī)電伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2019-01-09