CN113716025A - 一种无人机电静液刹车控制装置及动态保压方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人机电静液刹车控制装置及动态保压方法，属于飞机刹车控制系统技术领域，采用了集成式电静液制动技术，活塞、液压缸结构以及动态保压策略，实现了对无人机刹车压力的快速、精确控制。具有缓刹、点刹功能；具有长时间保压功耗小的特点；具有建压时间短、到位压力精度高的优点；新型刹车控制装置的响应时间比之前的泵式液压刹车控制装置缩短了30％以上。摒弃传统的EHA液压传动结构，有效解决了现有电静液作动器体积大、维修性差、可靠性低等问题。

Description

一种无人机电静液刹车控制装置及动态保压方法
技术领域
本发明属于飞机刹车控制系统技术领域，涉及一种无人机电静液刹车控制装置及动态保压方法。
背景技术
刹车控制系统是飞机起降系统的重要组成部分，在飞机起飞、安全着陆中起着重要作用。它是保证飞机安全运营的重要系统，其工作性能的好坏直接危及飞行安全。
现有的无人机刹车控制系统多采用电静液作动器(EHA)，主要由电机、定量泵、蓄能器、单向阀、溢流阀、油箱、换向阀、液压缸、压力传感器等组成。这种泵式电液制动系统，以液压泵和高压蓄能器作为液压动力源对液压力进行调节，虽然具有控制灵活、刹车力矩大等优点，但是存在结构复杂、油泵泄露、发热严重等问题。
现有的无人机电静液作动器结构复杂、成本高、可靠性差，严重影响了无人机自主起飞、着陆的可靠性以及综合性能的提升，因此亟需发展一种新的无人机用的电静液刹车控制装置以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中，无人机电静液作动器结构复杂、成本高、可靠性差的缺点，提供一种无人机电静液刹车控制装置及动态保压方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种无人机电静液刹车控制装置，包括机箱、控制器、电机、齿轮组件和液压组件；
控制器安装在机箱内部，电机安装在控制器的侧边，电机与控制器电连接；
液压组件包括液压油缸和测试腔体，液压油缸贯穿机箱设置，液压油缸上设有活塞，测试腔体安装在液压油缸的上部，且与液压油缸连接；
电机通过齿轮组件与活塞连接。
优选地，电机与控制器之间通过接插件电连接。
优选地，机箱上还安装有与外部电源连接的连接器，连接器与控制器电连接。
优选地，测试腔体上开设有出油接口和补油接口，出油接口连接有软管，用于输送出液压油；补油接口连接有注油管，用于补充输入液压油。
优选地，液压组件还包括温度传感器和压力传感器；温度传感器和压力传感器均安装在测试腔体内。
优选地，活塞上套设有四道O型密封圈。
优选地，补油接口上安装有止回阀和密封圈；出油接口为74°锥形密封接口。
优选地，齿轮组件包括直齿轮和滚珠丝杠副，直齿轮一端与电机连接，另一端与滚珠丝杠副连接，滚珠丝杠副的另一端与活塞连接。
优选地，滚珠丝杠副的侧面设有油量观察窗口，油量观察窗口上刻有补油线和放油线。
一种无人机电静液刹车控制装置的动态保压方法，包括如下步骤：
步骤1)计算压力差Δe，压力差为指令压力与反馈压力的差值；
步骤2)计算误差和Σe，
当|Δe|<0.03MPa时，减小误差和Σe，即Σe＝0.997×Σe；
当0.03MPa≤|Δe|≤0.1MPa时，计算误差和Σe，即Σe＝Σe+Δe，并置DW为1；
其中，Δe为压力差，Σe为压力误差和，DW为压力到位标记。
步骤3)减小脉冲宽度调制信号
当DW＝1时，检测电机的工作电流，当电流连续超过3A的时间大于1s，则将电机的脉冲宽度调制信号占空比逐周期减小到最小；若电流小于3A，则按正常流程计算并输出脉冲宽度调制信号；其中，周期为2ms。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的无人机电静液刹车控制装置，控制器、电机、齿轮组件和液压组件安装在同一个机箱内，通过接插件头座对插可方便地进行电气连接和分离。控制器实现对刹车压力的闭环控制功能，齿轮组件将电机的旋转运动转换成直线运动；液压组件将活塞的往复运动，转化成液压压力。本发明采用了集成式电静液制动技术，活塞、液压缸结构以及动态保压策略，实现了对无人机刹车压力的快速、精确控制。具有缓刹、点刹功能；具有长时间保压功耗小的特点；具有建压时间短、到位压力精度高的优点；新型刹车控制装置的响应时间比之前的泵式液压刹车控制装置缩短了30％以上。摒弃传统的EHA液压传动结构，有效解决了现有电静液作动器体积大、维修性差、可靠性低等问题。
进一步地，连接器用于供电和通讯；出油接口用于连接软管，送出液压油；补油接口用于连接注油管，补充液压油；油量观察窗口用于观察活塞位置，评估油量多少。
进一步地，压力及温度传感器安装在测试腔体内，对油压及油温进行检测；为保证活塞外圆和油缸内壁的油压动密封，活塞上设计了道O形密封圈；为防止补油口溢油，补油接口采用了止回阀和密封设计；出油接口采用标准的74°锥形密封设计，便于连接软管。
本发明还公开了一种基于无人机电静液刹车控制装置的动态保压方法，刹车压力到位后，减小PWM占空比，电机输出力矩随之减小，液体压力反推活塞后退，压力反馈值随之减小，压力平衡状态暂时中断。随着压力差变大，根据压力控制策略重新计算PWM进行压力闭环控制，使反馈压力fk重新逼近指令压力，建立新的压力平衡状态。该动态保压方法通过在压力稳定时减小误差，保压电流大时减小PWM占空比，让活塞始终处于动态平衡状态，使得活塞与液压缸间的摩擦力与活塞推力方向保持一致，减轻了电机的负载力矩，有效降低了保压工作电流。
附图说明
图1为本发明无人机电静液刹车控制装置的功能框图；
图2为无人机电静液刹车控制装置结构图；
图3为液压组件结构布局图；
其中：1-机箱；2-连接器；3-补油接口；4-出油接口；5-测试腔体；6-液压油缸；7-油量观察窗口；8-控制器；9-接插件；10-电机；11-直齿轮；12-滚珠丝杠副；13-活塞；14-补油线；15-放油线；16-温度传感器；17-压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
一种无人机电静液刹车控制装置，如图2所示，包括机箱1、控制器8、电机10、齿轮组件和液压组件；
控制器8安装在机箱1内部，控制器8的侧边安装有电机10，电机10与控制器8电连接；液压组件包括液压油缸6和测试腔体5，液压油缸6贯穿机箱1设置，液压油缸6上设有活塞13，测试腔体5安装在液压油缸6的上部，且与液压油缸6连接；电机10通过齿轮组件与活塞13连接。
实施例2
除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。
控制器8的外部留有接插件9，电液作动筒的电机10及温度传感器16和压力传感器17引线接至接插件9。控制器8和电液作动筒安装在同一个机箱1内，通过接插件9对插可方便地进行电气连接和分离。刹车控制装置外部有1个圆形的连接器2，用于供电和通讯；连接器2分别与控制器8和电机10电连接。
测试腔体5上开设有出油接口4和补油接口3，出油接口4用于连接软管，送出液压油；补油接口4用于连接注油管，补充液压油；滚珠丝杠副12的侧面设有油量观察窗口7，油量观察窗口7用于观察活塞位置，评估油量多少。
实施例3
除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。
如图3所示，测试腔体5与液压油缸6通过一道O形橡胶圈密封，形成一个连通器，同时为补油接口3提供通道。液压组件还包括温度传感器16和压力传感器17；温度传感器16和压力传感器17均安装在测试腔体5内，用于对油压及油温进行检测。测试腔体5上开设有出油接口4和补油接口3，为保证活塞外圆和液压油缸内壁的油压动密封，活塞13上设计了4道O形密封圈；为防止补油口溢油，补油接口3采用了止回阀和密封设计；出油接口4采用标准的74°锥形密封设计，便于连接软管。油量观察窗口7上刻有补油线14和放油线15。当液压缸压力为0MPa时，若活塞13处在补油线14附近，表示需要补油；若活塞13处在放油线15附近，表示需要放油。
本发明装置的工作原理为：
参见图1，本发明的无人机电静液刹车控制装置采用集成化设计，对外提供1个连接器2、1个出油接口4、1个补油接口3。无人机电静液刹车控制装置由电气组件、机械组件及液压组件构成。电气组件实现对刹车压力的闭环控制功能；机械组件将电机的旋转运动转换成直线运动；液压组件将活塞的往复运动，转化成液压压力。其中电气组件包含控制器8；机械组件包含电机10、直齿轮11、滚珠丝杠副12；如图3所示，液压组件包含活塞13、液压油缸6、测试腔体5、补油接口3、出油接口4、压力传感器17及温度传感器16。如图1所示，无人机电静液刹车控制装置通过RS422总线接收飞管计算机下发的刹车压力指令，控制器8采集测试腔体5内压力传感器17的压力反馈值，根据两者的压力偏差计算控制量PWM，经功率驱动器后带动电机10正转，通过直齿轮11、滚珠丝杠副12后推动活塞13向前运动，将液压油缸6内的液压油从出油接口4挤出，经软管流向刹车盘压紧刹车片，从而产生刹车压力。当处理器接收到松刹指令时，控制电机10反转，活塞13向后运动，刹车盘及软管中的液压油流回液压油缸6，刹车片松开，刹车压力释放。无人机电静液刹车控制装置工作过程中，控制器周期性(周期为20ms)检测刹车控制装置的压力、电流、温度等工作状态，并通过RS422总线上报给飞管计算机。
需要说明的是，为可靠输出6MPa刹车压力，液压组件所有结构件均采用不锈钢材料14Cr17Ni2，液压油缸壁厚2mm，内腔直径为
Figure BDA0003237677820000061
容量22mL，测试腔体最大容量0.7mL，活塞最大运动行程45mm。上述实施例使用的电机10为无刷直流电机。
基于本发明装置，使用方法如下：
注油方法
为保证刹车控制装置能正常输出压力，液压油缸6内的油量必须在一定范围内。在液压油缸6的侧面设计有油量观察窗口7，并在油量观察窗口7上刻两条油量警戒线：补油线14和放油线15。当液压油缸6的压力为0MPa时，若活塞13处在补油线14附近，表示需要补油；若活塞13处在放油线15附近，表示需要放油。
刹车控制装置在使用前，必须通过补油接口3，向液压油缸6内注满15号航空液压油。注油前需通过注油设备排空液压缸、软管及刹车盘内的空气。若采用手动注油设备，则先松开刹车盘出油口的螺钉；再通过丝杠上的手摇接口将活塞13旋至最前端；然后通过补油接口4向液压油缸6内注油，直至刹车盘出油口有液压油连续流出；接着拧紧刹车盘出油口的螺钉；继续注油，直至活塞13回退到最后端；再次松开刹车盘出油口的螺钉，手摇丝杠将活塞13旋转至放油线15以内；最后拧紧刹车盘出油口及补油口密封螺钉，注油结束。
保压策略
起飞线发动机开车前，刹车控制装置需长时间输出6MPa压力，此时工作电流较大，功率驱动电路及电机发热严重，会导致电机性能下降或者功率驱动电路过热失效。针对6MPa保压电流大问题采取了一种动态保压策略，将保压工作电流从5A降至3A以内，具体步骤如下：
计算压力差Δe
处理器每个控制周期(2ms)计算一次压力差Δe，压力差Δe＝指令压力mb-反馈压力fk；
计算误差和Σe
当|Δe|<0.03MPa时，减小误差和Σe，即Σe＝0.997×Σe；
误差和Σe与0.997相乘，Σe就会减小。Σe＝0.997×Σe，表示用0.997×Σe的乘积代替Σe。
当0.03MPa≤|Δe|≤0.1MPa时，计算误差和Σe，即Σe＝Σe+Δe，并置压力到位标记DW为1。
减小PWM
当DW＝＝1时，检测电机工作电流，若电流连续超过3A的时间大于1s，则将电机PWM占空比逐周期(2ms)减小到最小；若电流不超过3A，则按正常流程计算并输出PWM；
PWM占空比减小后，电机输出力矩随之减小，液体压力反推活塞后退，压力反馈值fk随之减小，压力平衡状态暂时中断。随着压力差Δe变大，根据压力控制策略重新计算PWM进行压力闭环控制，使反馈压力fk重新逼近指令压力mb，建立新的压力平衡状态。
该动态保压方法通过在压力稳定时减小误差和Σe，保压电流大时减小PWM占空比，让活塞始终处于动态平衡状态，使得活塞与液压缸间的摩擦力与活塞推力方向保持一致，减轻了电机的负载力矩，有效降低了保压工作电流。
综上所述，电静液刹车控制装置不同于目前应用较多的泵式电静液作动器，它摒弃了高压蓄能器及其高速开关控制阀系，节省了成本并避免了泄漏风险，从成本和可靠性上更具优势。刹车控制装置是一种无源刹车设备，自带液压源，通过活塞推动液压油在油缸、软管及刹车盘内循环流动，产生刹车压力，实现对无人机的刹车和松刹操作。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无人机电静液刹车控制装置，其特征在于，包括机箱(1)、控制器(8)、电机(10)、齿轮组件和液压组件；
控制器(8)安装在机箱(1)内部，电机(10)安装在控制器(8)的侧边，电机(10)与控制器(8)电连接；
液压组件包括液压油缸(6)和测试腔体(5)，液压油缸(6)贯穿机箱(1)设置，液压油缸(6)上设有活塞(13)，测试腔体(5)安装在液压油缸(6)的上部，且与液压油缸(6)连接；
电机(10)通过齿轮组件与活塞(13)连接。
2.根据权利要求1所述的无人机电静液刹车控制装置，其特征在于，电机(10)与控制器(8)之间通过接插件(9)电连接。
3.根据权利要求1所述的无人机电静液刹车控制装置，其特征在于，机箱(1)上还安装有与外部电源连接的连接器(2)，连接器(2)与控制器(8)电连接。
4.根据权利要求1所述的无人机电静液刹车控制装置，其特征在于，测试腔体(5)上开设有出油接口(4)和补油接口(3)，出油接口(4)连接有软管，用于输送出液压油；补油接口(3)连接有注油管，用于补充输入液压油。
5.根据权利要求1所述的无人机电静液刹车控制装置，其特征在于，液压组件还包括温度传感器(16)和压力传感器(17)；温度传感器(16)和压力传感器(17)均安装在测试腔体(5)内。
6.根据权利要求1所述的无人机电静液刹车控制装置，其特征在于，活塞(13)上套设有四道O型密封圈。
7.根据权利要求4所述的无人机电静液刹车控制装置，其特征在于，补油接口(3)上安装有止回阀和密封圈；出油接口(4)为74°锥形密封接口。
8.根据权利要求1所述的无人机电静液刹车控制装置，其特征在于，齿轮组件包括直齿轮(11)和滚珠丝杠副(12)，直齿轮(11)一端与电机(10)连接，另一端与滚珠丝杠副(12)连接，滚珠丝杠副(12)的另一端与活塞(13)连接。
9.根据权利要求1所述的无人机电静液刹车控制装置，其特征在于，滚珠丝杠副(12)的侧面设有油量观察窗口(7)，油量观察窗口(7)上刻有补油线(14)和放油线(15)。
10.一种基于权利要求1～9任一项无人机电静液刹车控制装置的动态保压方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)计算压力差Δe，压力差为指令压力与反馈压力的差值；
步骤2)计算误差和Σe，
当|Δe|<0.03MPa时，减小误差和Σe，即Σe＝0.997×Σe；
当0.03MPa≤|Δe|≤0.1MPa时，计算误差和Σe，即Σe＝Σe+Δe，并置DW为1；
其中，Δe为压力差，Σe为压力误差和，DW为压力到位标记。
步骤3)减小脉冲宽度调制信号
当DW＝1时，检测电机(10)的工作电流，当电流连续超过3A的时间大于1s，则将电机(10)的脉冲宽度调制信号占空比逐周期减小到最小；若电流小于3A，则按正常流程计算并输出脉冲宽度调制信号；其中，周期为2ms。
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