CN111735983A - 基于磁阻感应的飞机防滑刹车机轮轮速采集系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于磁阻感应的飞机防滑刹车机轮轮速采集系统及方法，利用磁阻感应原理选择磁阻式电机作为轮速传感器，飞机机轮通过齿轮传动拖动轮速传感器，输出信号送入轮速采样调理模块进行调理和限幅后，将的脉冲信号送入在计算机处理单元中，采用M/T法完成无人机轮速计算。本发明解决了无人机机轮测速在低速状态下精度不足，利用小型的磁阻电机，将调理单元和计算机处理单元设计在控制盒中，适用于无人机机轮小空间的特性，利用两路测速波形可进一步提升测速精度，也可当一路测速故障时，另一路作为测速的冗余，以保证轮速采集的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及防滑刹车领域，具体涉及一种刹车机轮轮速采集系统及方法。
背景技术
在飞机刹车领域，由于防滑刹车系统可以极大提高全电刹车的效率，防滑刹车已经作为刹车控制的主要研究方向。在防滑控制策略中，滑移率闭环作为控制外环使用，而飞机轮速信号是计算飞机当前滑移率的必要因素之一，因此无人机的轮速精度要求较高，由于无人机中轮速采集设备安装空间小等因素，因此必须设计一种高精度的轮速采集设备。
文献“申请公布号是CN106940381A中国发明专利”提出了一种基于hall元件的机轮速度数据采集装置。且目前此种轮速采集方式得到广泛应用。此方案原理是将hall测速组件、电源及计算机处理组件放置在圆形金属结构的壳体中，固定于起落架轮轴，永磁体放置于机轮轮毂上，与金属壳体平行。其中hall组件由72个模块组成，平均分布在圆周上，四个永磁体位于机轮上，每两个永磁体之间有10mm的缺口，在机轮转动时，正对缺口的hall组件输出脉冲信号，机轮一周每个hall输出四个脉冲信号，利用计算机处理单元完成飞机机轮测速。由于这种方案机轮每周只输出四个脉冲信号，造成飞机在低速状态下轮速采集无法完成滑移率闭环功能，且无人机轮速采集设备安装空间小，此种方案在安装要求下也难以实现。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于磁阻感应的飞机防滑刹车机轮轮速采集系统及方法，解决现有的飞机轮速采集技术中存在的问题，能够实现轮速的高精度测量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于磁阻感应的飞机防滑刹车机轮轮速采集系统，利用磁阻感应原理选择磁阻式电机作为轮速传感器，飞机机轮通过齿轮传动拖动轮速传感器，输出信号送入轮速采样调理模块，在轮速采样调理模块中，轮速信号通过阻容分压电路，将轮速信号幅值限制在幅值范围内，并在滤波调理电路中，对轮速信号进行巴特沃兹二阶低通滤波器进行高频滤波，并对信号进行调理和限幅，即首先通过由二极管构成的限幅器件将电压限幅在0到1v，再通过由运放组成的加法放大电路将电压放大到0到5V，限幅信号输入施密特触发电路，将正弦信号转换为同频率的方波信号，利用电平转换电路将方波信号转换为主控CPU可接收的3.3V电平信号，将轮速采样调理模块输出的脉冲信号送入在计算机处理单元中，采用M/T法完成无人机轮速计算。
所述磁阻式电机作为轮速传感器，磁阻式电机在发电状态输出波形为正弦波，输出波形的频率与轮速及电机的特性有关，其中本轮速传感器旋转一周输出一组50个正弦波信号，传动齿轮电机转速越高，输出波形频率越高，且其输出波形为两路相位相差90°。
所述阻容分压电路，高速、低速状态下均输出信号幅值变化在-5V～+5V内的正弦信号。
所述滤波调理电路中，采用巴特沃兹二阶滤波电路进行高频滤波，截止频率为5kHz。
所述滤波调理电路中，通过放大器对两路信号采用4倍的放大，经限幅电路后输出波形(0-5V)；
所述施密特触发电路采用74LVC14，将调理限幅后的两路正弦波信号，利用不同的触发电平转换为同频率的两路方波信号。
所述计算机处理模块，采用DSP控制芯片，利用控制芯片的捕获端口完成信号采集，采用M/T法测速算法完成测速。
一种基于磁阻感应的飞机防滑刹车机轮轮速采集系统的采集方法，具体步骤如下：
第一步：利用飞机机轮通过齿轮传动带动磁阻电机，利用磁阻电机发电状态作为轮速传感器，输出两路反电势波形为正弦波speed1、speed2，其相位相差90°；
第二步：将轮速传感器信号通过巴特沃兹低通滤波器进行滤波，消除高频干扰输出信号为speed_1、speed_2；
第三步：将轮速信号采用调理电路，电压幅值限制在0-5V，并利用稳压二极管将信号幅值限制在5V以内；
第三步：将经过调理电路的轮速信号，采用施密特触发电路将正弦信号转换为同频率的脉冲信号speed1_in、speed2_in；
第四步：将脉冲信号采用电平转换电路转换为CPU接收的电平信号speed1_out、speed2_out；
第五步：控制CPU，利用事件管理器的捕获CAP1、CAP2端口对脉冲进行捕获；
第六步：在主控CPU中进行M/T法运算得到轮速值。
计算飞机机轮轮速是对输入脉冲、高频脉冲以及预定时间计数，采用DSP2812的CAP端口对脉冲捕获，并利用Timer0作为定时器计数，最后利用如下公式进行计算：
其中fc为Timer0定时器频率、m1为输入脉冲数、m2为时基脉冲数，P为磁阻电机每转输出50个波形，最终完成飞机机轮测速。
本发明的有益效果是：
1)解决了无人机机轮测速在低速状态下精度不足；
2)利用小型的磁阻电机，将调理单元和计算机处理单元设计在控制盒中，适用于无人机机轮小空间的特性；
3)每个测速传感器有两路相位相差90度的波形，因此利用两路测速波形可进一步提升测速精度，也可当一路测速故障时，另一路作为测速的冗余，以保证轮速采集的可靠性。
附图说明
图1为基于磁阻感应的飞机防滑刹车机轮轮速采集系统的结构图。
图2为本发明轮速采样调理模块的结构框图。
图3为本发明基于磁阻感应的飞机防滑刹车机轮轮速采集系统的飞机计算机采集算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明针对飞机防滑刹车系统所必须的轮速信号采集提出来一种新型的飞机全电防滑刹车系统轮速信号采集系统，提升轮速采集的精度以达到防滑控制的要求，保证了防滑策略的实现。
本发明包括轮速传感器，一对相互啮合的齿轮，信号采集调理单、计算机处理单元组成。利用磁阻感应原理选择磁阻式电机作为轮速传感器，一对相互啮合的齿轮固定在无人机机轮和轮速传感器上，通过齿轮传动拖动轮速传感器，输出的信号为正弦波信号，当轮速传感器旋转一周输出一组50个相位相差90°的正弦波信号，正弦波信号通过信号调理单元将正弦信号转换为同频率的方波信号，利用计算机处理单元的测速算法完成无人机机轮测速。由于输出波形数量多，因此可以完成无人机轮速的高精度测量。
参照图1，本发明主要包括轮速传感器、传动齿轮、轮速信号采集调理电路、计算机处理模块。其中轮速传感器通过齿轮与机轮连接产生轮速信号，输出一定频率的轮速信号，经滤波调理电路送入施密特触发器，将正弦波转化为同频率的方波信号，通过控制CPU捕获方波频率从而测算出机轮轮速。
一种基于磁阻感应的飞机防滑刹车机轮轮速采集系统，利用磁阻感应原理选择磁阻式电机作为轮速传感器，飞机机轮通过齿轮传动拖动轮速传感器，输出信号送入轮速采样调理模块，在轮速采样调理模块中，轮速信号通过阻容分压电路，将轮速信号幅值限制在幅值范围内，并在滤波调理电路中，对轮速信号进行巴特沃兹二阶低通滤波器进行高频滤波，并对信号进行调理和限幅，即首先通过由二极管构成的限幅器件将电压限幅在0到1v，再通过由运放组成的加法放大电路将电压放大到0到5V，限幅信号输入施密特触发电路，将正弦信号转换为同频率的方波信号，利用电平转换电路将方波信号转换为主控CPU可接收的3.3V电平信号，将轮速采样调理模块输出的脉冲信号送入在计算机处理单元中，采用M/T法完成无人机轮速计算。
所述磁阻式电机作为轮速传感器，磁阻式电机在发电状态输出波形为正弦波，输出波形的频率与轮速及电机的特性有关，其中本轮速传感器旋转一周输出一组50个正弦波信号，传动齿轮电机转速越高，输出波形频率越高，且其输出波形为两路相位相差90°。
所述阻容分压电路，高速、低速状态下均输出信号幅值变化在-5V～+5V内的正弦信号。
所述滤波调理电路中，采用巴特沃兹二阶滤波电路进行高频滤波，截止频率为5kHz。
所述滤波调理电路中，通过放大器对两路信号采用4倍的放大，经限幅电路后输出波形(0-5V)；
所述施密特触发电路采用74LVC14，将调理限幅后的两路正弦波信号，利用不同的触发电平转换为同频率的两路方波信号。
所述计算机处理模块，采用DSP控制芯片，利用控制芯片的捕获端口完成信号采集，采用M/T法测速算法完成测速。
本实例采用Texas Instruments的TMS320F2812作为防滑控制芯片，利用机轮轮速，以及飞控系统发出的飞机速度指令进行防滑控制律设计完成防滑刹车功能。
图1为基于磁阻感应的飞机防滑刹车机轮轮速采集系统的框图，轮速信号时通过轮速传感器发送到轮速采样调理模块，然后送到计算机处理模块，最后送至防滑控制单元；图2的轮速采样调理模块的工作流程：首先通过轮速传感器，也就是磁阻式步进电机传来的正弦信号，根据机轮速度的不同，产生的正弦信号的幅值大小也不同，但是始终处于-5V到+5V之间，通过阻容分压和滤波电路来去除一些毛刺，使得信号更加光滑，再通过调理电路中的限幅部分，先限制到0-1V(目的是保护后面的放大电路)，再通过调理电路中的放大部分放大至0-5V(目的是为了让施密特触发电路可以正常工作)，调理之后的信号送至施密特触发电路，将限幅之后的电路转变成方波信号，并且将信号电压值降至DSP可以接受的范围内，并送到主控CPU，也就是DSP中。
本发明一种飞机全电防滑刹车系统轮速信号采集方法，具体步骤如下：
第一步：利用飞机机轮通过齿轮传动带动磁阻电机，利用磁阻电机发电状态作为轮速传感器，其输出两路反电势波形为正弦波speed1、speed2，其相位相差90°；
第二步：将轮速传感器信号通过巴特沃兹低通滤波器进行滤波，消除高频干扰输出信号为speed_1、speed_2；
第三步：将轮速信号采用调理电路，电压幅值限制在0-5V，并利用稳压二极管将信号幅值限制在5V以内；
第三步：将经过调理电路的轮速信号，采用施密特触发电路将正弦信号转换为同频率的脉冲信号speed1_in、speed2_in；
第四步：将脉冲信号采用电平转换电路转换为CPU接收的电平信号speed1_out、speed2_out；
参考附图3计算机处理模块中轮速采集算法步骤
第五步：控制CPU利用其事件管理器的捕获CAP1、CAP2端口对脉冲进行捕获。
第六步:在主控CPU中进行M/T法运算得到轮速值。
步骤一中轮速传感器采用工作于发电状态的磁阻电机，齿数根据精度要求选择、本发明中采用电机齿数为50齿，电机每转输出50个正弦波，有两路相位相差90°的正弦波输出；
步骤二中二阶巴特沃兹低通滤波器由Texas Instrument的OP284运算放大器组成；
步骤三中调理电路中放大器采用OP284是一款轨对轨运算放大器，其输出幅值接近供电电压；
步骤四中轮速信号通过限幅二极管将正弦信号峰值限幅，通过施密特触发电路将正弦波转换为同频率的脉冲信号，施密特触发器采用MOTOROLA的74LS32，施密特触发电平为低电平2.7V，高电平1.4V；
步骤四中电平转换电路采用Philips Semiconductors的74lvc2745将5V信号转换为+3.3V的脉冲信号送入主控CPU的捕获端口；
步骤五中控制CPU采用Texas Instruments的TMS320F2812利用事件管理器；
步骤六中计算飞机机轮轮速的方法是对输入脉冲、高频脉冲、以及预定时间计数，采用DSP2812的CAP端口对脉冲捕获，并利用Timer0作为定时器计数，最后利用公式
其中fc为Timer0定时器频率、m1为输入脉冲数、m2为时基脉冲数，P为磁阻电机每转输出50个波形。最终完成飞机机轮测速。
Claims (8)
1.一种基于磁阻感应的飞机防滑刹车机轮轮速采集系统，其特征在于：
所述基于磁阻感应的飞机防滑刹车机轮轮速采集系统，利用磁阻感应原理选择磁阻式电机作为轮速传感器，飞机机轮通过齿轮传动拖动轮速传感器，输出信号送入轮速采样调理模块，在轮速采样调理模块中，轮速信号通过阻容分压电路，将轮速信号幅值限制在幅值范围内，并在滤波调理电路中，对轮速信号进行巴特沃兹二阶低通滤波器进行高频滤波，并对信号进行调理和限幅，即首先通过由二极管构成的限幅器件将电压限幅在0到1v，再通过由运放组成的加法放大电路将电压放大到0到5V，限幅信号输入施密特触发电路，将正弦信号转换为同频率的方波信号，利用电平转换电路将方波信号转换为主控CPU可接收的3.3V电平信号，将轮速采样调理模块输出的脉冲信号送入在计算机处理单元中，采用M/T法完成无人机轮速计算。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁阻感应的飞机防滑刹车机轮轮速采集系统，其特征在于：
所述磁阻式电机作为轮速传感器，磁阻式电机在发电状态输出波形为正弦波，输出波形的频率与轮速及电机的特性有关，其中本轮速传感器旋转一周输出一组50个正弦波信号，且其输出波形为两路相位相差90°。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁阻感应的飞机防滑刹车机轮轮速采集系统，其特征在于：
所述阻容分压电路，高速、低速状态下均输出信号幅值变化在-5V～+5V内的正弦信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁阻感应的飞机防滑刹车机轮轮速采集系统，其特征在于：
所述滤波调理电路中，采用巴特沃兹二阶滤波电路进行高频滤波，截止频率为5kHz。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁阻感应的飞机防滑刹车机轮轮速采集系统，其特征在于：
所述滤波调理电路中，通过放大器对两路信号采用4倍的放大，经限幅电路后输出波形0-5V。
6.根据权利要求1所述的一种基于磁阻感应的飞机防滑刹车机轮轮速采集系统，其特征在于：
所述施密特触发电路采用74LVC14，将调理限幅后的两路正弦波信号，利用不同的触发电平转换为同频率的两路方波信号。
7.根据权利要求1所述的一种基于磁阻感应的飞机防滑刹车机轮轮速采集系统，其特征在于：
所述计算机处理模块，采用DSP控制芯片，利用控制芯片的捕获端口完成信号采集，采用M/T法测速算法完成测速。
8.一种利用权利要求1所述一种基于磁阻感应的飞机防滑刹车机轮轮速采集系统的采集方法，其特征在于包括下述步骤：
第一步：利用飞机机轮通过齿轮传动带动磁阻电机，利用磁阻电机发电状态作为轮速传感器，输出两路反电势波形为正弦波speed1、speed2，其相位相差90°；
第二步：将轮速传感器信号通过巴特沃兹低通滤波器进行滤波，消除高频干扰输出信号为speed_1、speed_2；
第三步：将轮速信号采用调理电路，电压幅值限制在0-5V，并利用稳压二极管将信号幅值限制在5V以内；
第三步：将经过调理电路的轮速信号，采用施密特触发电路将正弦信号转换为同频率的脉冲信号speed1_in、speed2_in；
第四步：将脉冲信号采用电平转换电路转换为CPU接收的电平信号speed1_out、speed2_out；
第五步：控制CPU，利用事件管理器的捕获CAP1、CAP2端口对脉冲进行捕获；
第六步：在主控CPU中进行M/T法运算得到轮速值；
计算飞机机轮轮速是对输入脉冲、高频脉冲以及预定时间计数，采用DSP2812的CAP端口对脉冲捕获，并利用Timer0作为定时器计数，最后利用如下公式进行计算：
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